关于信号处理中的数字处理方法分析

沈弘宇

龙泉一中2014级19班

关于信号处理中的数字处理方法分析

沈弘宇

龙泉一中2014级19班

为了能够快速、准确地计算出冲击信号的峰值以及脉宽等重要参数，笔者开发了一种通过先进数字信号处理方式与计算机编程技术结合而成的冲击信号数字化处理软件，它能够在短时间内迅计算出冲击信号对应的各项重要参数，并通过实际操作验证了这一软件的实用性。本文围绕冲击信号测试系统的构成、数字信号处理方法在信号处理过程中的实际应用、冲击信号处理软件的介绍三个方面展开讨论，对信号处理中的数字处理方法进行了分析，并提出了一些作者自己的拙见，希望能够对今后的信号处理工作提出一些理论建议。

信号处理 数字处理 波形

在实际工作当中，我们经常需要对冲击信号测试系统所收集的冲击信号进行处理，通过处理来来获取冲击信号的峰值、脉宽等一系列重要参数数据。现阶段，数字信号处理方式已经实现了多样化发展趋势，市场上的信号数字处理方法种类非常多，甚至还可以采用Wavestar、Origin、MATLAB等软件来处理冲击信号测试系统中记载的波形数据，但是在众多的方式之中，并没有哪一种方法可以在短时间内准确地提供出具有一定精度的冲击信号的测试数据。在本文中，笔者就针对如何通过数字信号处理方式来实现冲击信号分析处理过程的简化进行了分析。

1 冲击信号测试系统的构成

在实际工作当中，出现频率最高、使用最多的冲击信号测试系统如下图1所示，它主要是由电传感器、电荷扩大器、示波器以及电源等部分构成的。在对信号进行实际测试的过程当中，首先应由压电传感器对冲击信号进行测量，再以此为基础将其转化成为电荷信号，随后再借助高输入阻抗的电荷放大器把电荷量转化成为电压量，最后将低阻向示波器中输出。

图1 冲击信号测试系统的结构示意图

2 数字信号处理方法在信号处理过程中的实际应用

冲击信号处理方法种类较多，在所有这些方法当中，首先使用简单的移动平均法针对采集到的信号实施平滑处理，再通过二次曲线拟合的方法实现深入的曲线拟合，是目前效果最好的数字信号处理方式，它能实现较理想的噪声控制效果以及数据平滑效果。

2.1 如何对峰值进行计算

在对冲击波形进行采集时，波形通常会跟随着传感器的不同而发生相应的变化，一般情况下这些波形分为两种，由正信号波形与负信号波形组成。在对冲击信号进行处理的过程中，首先必须针对冲击信号统一实施归口化处理，归口化处理是指将所有波形统一转换为同一种形式，具体来说就是将负信号波形转化成为正信号波形。转化方式如下：针对采集到的波形中每个数据点对应的数值进行取补，通过数据取补这一操作可以快速实现所有负信号波形向正信号波形的转换。波形在完成归口化处理后，紧接着应对其加速度峰值进行计算，具体的加速峰值计算方法为：首先定位到最大数值所对应的数值点DMAX，随后从最大数值对应的数值点向开始点方向找一段距离，直到位置2（图2），随后将位置2作为起始点，再往后取一小段距离，将波形在MIN值左右浮动作为界限直到位置3，计算位置2到位置3范围内每个数据点的平均值，具体见图2中虚线部位，最后用MAX值减去MIN值，两者之间相减所得到的差值为加速度峰值，具体公式为df=dmax-dmin。

图2 冲击信号峰值的计算方式

2.2 如何对脉宽进行计算

在对脉宽进行计算时，首先应确定好脉宽的起点位置以及终点位置。假设加速度峰值为1，当峰值达到百分之八至百分之三十的范围时需要对其进行移动平均处理，随后使用最小二乘法来进行二次直线拟合计算，再计算出这一曲线中性点位置的切线方程。随后延长这一切线，延长线与最小线的交界处就是脉宽的起始位置。按照上述这种方法还可以快速求出脉宽的终点位置。脉宽的起点位置1与终点位置2之间产生的间隔就是脉宽（如图3所示）。我们在对脉宽进行计算时，并没有直接使用波形与MIN值线两者的交点以及波形与零线两者的交点作为脉宽的起点位置与终点位置，主要是因为波形在上升初期过程以及下降初期过程中均会经历一个平缓的过渡阶段，如果直接使用它与MIN值线以及零点的交点来作为脉宽的起始位置与终点位置，很可能会导致计算出来的脉宽宽度过大现象，与实际情况产生严重的偏差，脱离实际，因此不会采取这种方式来确定脉宽起点位置与终点位置。经过多次试验验证，结果说明了通过以上方式计算得出的脉宽与实际波形脉宽的一致性较高。

图3 冲击信号脉冲宽度的计算方式

3 冲击信号处理软件的介绍

笔者尝试使用了现阶段便捷性最高的图形用户界面Graphic User Interface，GUI以及Visual Basic 5.0设计平台、Visual C++开发平台，自行研发出了全套冲击信号处理软件，这一软件包括了从数据导入、数据处理，到数据分析，再到打印输出的全部过程，具有功能多样性的特点。其中使用的数据处理方式包括了原始曲线的五点三次平滑数据处理方式、基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）的数字滤波处理方式、信号峰值计算以及信号脉宽的计算处理方式等。冲击信号处理通常会按照下述流程来进行：首先，通过冲击信号测试系统对波形数据进行记录并储存；其次，将示波器中储存的波形数据加载至信号处理软件当中；随后，针对数据波形展开平滑滤波分析；再次，对冲击信号对应的峰值以及脉宽等数据进行计算；最后将所有数据通过打印的方式输出。图4为这一软件对通过冲击实验获取的数据进行处理后的一个具体案例。

图4 冲击信号处理软件输出的具体数据案例

4 结束语

在对冲击信号进行处理的过程中，如果单一地应用移动平均以及二次曲线拟合相结合的数据平滑处理方式，确实能够十分有效地缓解噪音所产生的影响；若能够将数字信号这种现代化高效的处理方式与计算机编程技术有机地融合在一起使用，可以使冲击信号分析处理工作更加简洁、快速，在最短的时间内获取有效的冲击信号测试数据。

[1]周秀银.误差理论与实验数据处理[M].北京:北京航空学院出版社,1986

[2]王正光.数据采集与处理[M].北京:国防工业出版社,1985

[3]沈文.关于冲击信号的数字处理方法研究[J].航空计测技术,1999,19(2):19-22

[4]侯俊杰.深入浅出Windows MFC程序设计[M].武汉:华中理工大学出版社,1998