procesarea digitala a semnalelor - etc.unitbv.roetc.unitbv.ro/~csaba.kertesz/pds/pds_testlab.pdf ·...

Smarter decisions, better products.

Procesarea Digitala a SemnalelorIntroducere in Test.Lab – Razvan Ionescu, Csaba-Zoltan Kertesz

Siemens PLM Software

LMS Test solutionsEchipamente de achizitie date

Office/Lab PortableMobile

?LMS SCADAS XS


LMS SolutionsPrelucrari ingineresti pentru diverse domenii


Inovatie in Testarea Structurala

“Strain Based” Analiza modala “Order Based” Analiza modala

✓ Definirea parametrilor modali✓ Estimarea vibratiilor✓ Teste in timpul zborului – prelucrarea

rezultatelor

✓ Analiza armonica✓ Analiza modurilor de deformare


LMS Test.Lab Signature TestingSolutie completa

LMS

Test

.Lab

Sig

natu

re T

estin

g W

orkb

ook

and

Add

-Ins

• Analiza online si post procesare• Esantionare• Order Tracking• ANSI-IEC analiza de octave• Procesare in Angle Domain• Analiza audio (Acustica)• Metrici pentru calitatea sunetului• Extractie RPM - offline• Comparare masuratori• Raportare

Integrated Workflow Complete & Scalable Fit for purpose


LMS Test.Lab (Road) Load Data AcquisitionProcese industriale

Wheel force Stress/Strain Acceleration Load/ pressureMomentDisplacement Temperature GPS CAN

Teste de durabilitate


ELECTRONICE

OFF-ROAD

ENERGIA EOLIANA

MASINI INDUSTRIALE

TRANSMISIE

INDUSTRIA DE PROCESELECTROCASNICE

... through customers’ voice

“Simulare inca din faza de prototip” “Simulare realista pentru reducere consumul de combustibil”

“Transformarea zgomotului in sunet”

“Reducerea timpului de productie cu 50% prin utilizarea simularilor”

“Eficientizarea si imbunatatirea cutiilor de viteze”

“Procese pentru durabilitate” “Crearea de sunete specific brand-ului”

ENERGIE NUCLEARA

“Aplicabilitate in domeniul nuclear”

Domenii de aplicabilitate


Procesarea digitala a semnalelor

Digital

Analog


Procesarea digitala a semnalelor

▪ Amplitudinea unui semnal real se poate discretiza = 2numar de bits → CUANTIZARE

Amplitudine

Timp

Nivel de cuantizare


Esantionare

▪ Pentru inregistrarea semnalelor in calculator, acestea trebuie convertite din analog in digital (ADC) prin utilizarea esantionarii.

Δt = 1/fs

T = N Δt

Time

Amplitude N = Block size,

number of samples acquired

fs = Sampling frequency

T = Acquisition time,

time required for acquisition


Transformata Fourier

▪ Orice semnal digital poate fi exprimat ca o combinatie de sinusoide – teorie Fourier

Frequency

(Hz)Time

(seconds)

Amplitude

Amplitude

AmplitudeΣ


Conversia din domeniul timp in domeniul frecventa

FFT

N/2 = numar de linii spectrale

∆f = Frequency resolution

Δf = 1/T

fs = frecventa de esantionare

N = # de sample-uri, block size

Δt = 1/fsΔt = interval de

esantionarefbw = Bandwidth

timeT = N Δt

frequencyfbw = N/2 Δf


Fourier & CoJoseph Fourier (1768 - 1830)

8

…

8

…

8

…

8

…

Analog sensor signal Fourier transform (infinite integral)

Sampled signal Discrete-time Fourier transform (DTFT)

Finite observation length Discrete Fourier transform (DFT)

Repetition of time blocks Sampled freq. domain (“spectral lines”)

Repetition of spectraSampled time domain


Rezolutia & Timpul de achizitie

▪ Un timp de achizitie mai mic, T corespunde unui ∆f mai mare, ceea ce inseamna o rezolutie mai mica.

Δf frecventa Δffrecventa

Decreasing Δf

Increasing T


DSP Parameters in Test.Lab

Timpul de achizitie?

Rezolutia?

D

fBW

N/2Δf


Lucrari de laborator – Lucrarea 1

Crearea si vizualizare unei forme de unda sinusoidala (sine) / square / triangle• Deschideti aplicatia LMS Test.Lab Desktop• Incarcati add-in-ul “Time Signal Calculator” din meniul “Tools” – “Add-ins”• Mergeti in worksheet-ul “Time Data Selection”• In partea stanga a worksheet-ului, se observa functiile “Time Signal Calculator”• Selectati icoana pentru crearea unei functii noi “*fx”• Alegeti functia “GENERATE_SINE”, introduceti Amplitudinea (94.0[Pa]), valoarea amplitudinii va fi exprimata in dB (1), frecventa (1500),

rata de esantionare (6400)• Selectati functia nou creata si apasati “Calculate Selected” – se va crea un set de date cu parametrii alesi• Salvati acest set utilizand comanda “Save As …”• In worksheet-ul Navigator vom crea un nou display (prima inconita din partea stanga, langa butonul de “Create a Picture…”• Din explorer-ul din partea stanga unde vom gasi setul de date salvat vom alege din “Throughput” semnalul creat si il vom trage cu “drag

and drop” in display (numit frontback in termeni Test.Lab)• Vom seta axa Y prin right-click in dreptul “Pa Amplitude” – Format – Real • Vom alege un interval scurt de vizualizare prin utilizarea in mod repetat a mouse-ului (click- select)• Vom repeta pasii pentru a genera o noua forma de unda sinusoidala, dar cu o rata de esantionare mai mare (51200)• Se vor observa in acelasi display diferentele intre cele doua semnale• Puteti observa si diferenta in cazul utilizatii unei frecvente duble (3000) – comparativ cu prima sinusoida cu frecventa 1500• Repetati pasii pentru a crea din “Time Signal Calculator” forme de unde “square” si “triangle” si apoi vizualizati-le in Navigator• Salvati proiectul



Discretizarea semnalelor• Deschideti aplicatia LMS Test.Lab Desktop• Incarcati add-in-ul “Time Signal Calculator”• Mergeti in worksheet-ul “Time Data Selection”• Alegeti functia “GENERATE_SINE”, introduceti Amplitudinea (0.5[V]),

valoarea amplitudinii va fi exprimata in V (0), frecventa (50), faza (0), rata de esantionare (8000)

• Alegeti functia “GENERATE_SINE”, introduceti Amplitudinea (0.2[V]), valoarea amplitudinii va fi exprimata in V (0), frecventa (230), faza (60), rata de esantionare (8000)

• Selectati cele doua functii si apasati “Calculate Selected” – se va crea un set de date cu parametrii alesi - Salvati acest set

• Incarcati add-in-ul “Signature Throughput Processing”• Selectati cele 2 “run-uri” din worksheet-ul “Time Data Processing” si

modificati in fereastra de “Acquisition Parameters”: Duration = 10s (tab-ul “Tracking and Triggering”), Spectral lines = 1024 pentru Vibration (in tab-ul “FS Acquisition”); verificati ca pentru grupul “Other” sa fie aceleasi setari ca pentru grupul “Vibration”

• In fereastra de Channel Processing debifati optiunile de calcul si salvare pentru grupurile “Acoustic” si “Vibration”, iar pentru grupul “Other” selectati functia “Spectrum” si lasati cele 2 bife active


Ferestre de ponderare (windowing): Exemple

Hanning

Flattop

Windowing = procesul de a utiliza un interval dintr-un set mai mare de date, pentru procesare si analiza.



Discretizarea semnalelor• Din worksheet-ul “Time Data Processing” apasati butonul “Calculate”• Mergeti in Navigator si vezi regasi “run-ul” (procesarea) nou creata,

sub numele de “Tp 1” (ThroughputProcessing 1)• Navigati in folder-ul “Tracked Processing/Fixed

Sampling/Time/Waterfalls/Other/”• Veti gasi cele 2 procesari de Spectrum pentru cele 2 sinusoide (50 Hz

si 230 Hz)• Alegeti un moment din aceste reprezentari Spectrum (ex. 5s) si

suprapuneti cele 2 grafice intr-un display (frontback)

• Cu ajutorul optiunilor din right-click adaugati 2 cursoare pe axa X• Cu ajutorul optiunii zoom (select cu mouse click stanga activ)

pozitionati cele 2 cursoare in cele 2 peak-uri ale reprezentarilor

• Din meniul right-click activati “Cursor legend”

• Selectati cele 2 reprezentari “F” si realizati click dreapta – “Data Properties” – informatiile despre reprezentarile grafice se vor deschide intr-o noua fereastra

• Observati si analizati reprezentarea in domeniul frecenta



Discretizarea semnalelor• O alta modalitate de a obtine spectrul din cele 2 sinusoide este

utilizarea functiei predefinite “FFT”• Mergeti in Navigator• Adaugati cele 2 sinusoide intr-un display• Selectati cele 2 sinusoide “F” si apasati butonul corespunzatori “FFT”• Se va obtine spectrul de frecventa la 50 Hz si 230 Hz



Filtrarea semnalelor• Modificarea amplitudinii componentelor armonice ale unui semnal

periodic; eliminarea unor anumite componente armonice• Filtrele – sisteme de convolutie continue sau discrete• Filtre ideale: trece jos (low pass filter), trece sus (high pass filter),

trece banda (band pass filter), opreste banda (band stop filter)

• Aplicarea filtrelor – exercitiu practic• Se utilizeaza semnalul existent in masuratoarea “Aplicarea

filtrelor/Throughput/12:Point10” – click dreapta – “Add to Input Basket”• In worksheet-ul “Time Data Selection” ca sursa se verifica existenta

“Input Basket” si se adauga datele utilizand butonul “Add”• In lista corespunzatoare DataSet-ului va aparea semnalul selectat• In “Time Signal Calculator” se vor crea 4 formule noi, pentru diferite

tipuri de filtre: trece jos, trece sus, trece banda, opreste banda• Pentru crearea unui filtru se va utiliza butonul de functie noua si se

vor adauga, pe rand, filtrele “FILTER_LP”, “FILTER_HP”, “FILTER_BP” si “FILTER_BS”, cu parametrii urmatori:

• function1 = CH12• freq = 450 [Hz]• freqLo = 500 [Hz]• freqHi = 1000 [Hz]



Filtrarea semnalelor• Dupa definirea celor 4 filtre, vom denumi fiecare filtru prin modificarea

campului “Point id” (ex: Trece_Jos, Trece_Banda)• Se vor calcula rezultatele procesarilor ca masuratori (run-uri) noi• Se vor salva datele intr-un run nou, denumit “Aplicarea filtrelor

exemplu” sau alt nume dupa dorinta utilizatorului• In Navigator, se vor identifica run-urile nou create• Intr-un display, se vor adauga, pe rand toate cele 5 semnale, primul

fiind semnalul original “12:Point10” iar cel de-al doilea unul dintre filtre• Se va modifica format-ul de vizualizare in “Real”• Dupa adaugarea semnalului original “Point10” – se va aplica functia

FFT pentru trecerea in domeniul frecventa• Peste acest semnal se vor adauga, pe rand, filtrele (in display-uri

diferite si se va aplica functia FFT – se observa actiunea filtrelor.



Filtrarea semnalelor• Mai intai, se va modifica format-ul de vizualizare in “Real”• Dupa adaugarea semnalului original “Point10” – se va aplica functia

FFT pentru trecerea in domeniul frecventa• Peste acest semnal se vor adauga, pe rand, filtrele (in display-uri

diferite si se va aplica functia FFT – se observa actiunea filtrelor.



Filtrarea semnalelor• Pentru a observa diferentele obtinute prin aplicarea filtrelor, vom

utiliza optiunea de audio replay – se va adauga add-in-ul “Audio Replay & Filtering”

• Se va selecta din display prima reprezentare grafica “F 12:Point10”• Din meniul right-click se va selecta optiunea “Audio Replay”• O noua fereastra va fi deschisa, segmentul care se va asculta fiind de

durata maxima: 0s – 97 s• Se vor asculta, pentru comparatie, pe rand, fiecare dintre celelalte

semnale “1:Trece_Jos”, “2:Trece_Sus”, “3:Trece_Banda”, “4:Opreste_Banda”

• Se observa filtrarea frecventelor de 450 Hz, respectiv a benzilor de frecventa intre 500 Hz – 1000 Hz



Filtrarea semnalelor• O alta modalitate prin care se poate observa aplicarea diferitelor tipuri

de filtre este cu ajutorul dialogului “Replay & Filter”• Se va adauga add-in-ul “Audio Replay & Filtering”• Se vor aduce intr-un display semnalul original, “12:Point10”• Din meniul right-click se selecteaza optiunea “Audio Replay”• In acest moment se va deschide dialogul “Replay & Filter”• Din acest dialog, putem aplica asupra semnalului original, in timp real,

diverse filtre• Exista o optiune “Show filters” care se va activa (daca nu este deja

activata)• Conform simbolurilor, se vor adauga cele 4 tipuri de filtre enumerate

anterior: trece jos, trece sus, trece banda, opreste banda• Se vor defini frecventele corespunzatoare: 450 Hz, 500 Hz – 1000 Hz• Se va apasa butonul “Play”, iar in acest timp se pot aplica, fie pe rand,

fie simultan, tipurile de filtre definite, prin activarea / dezactivarea bifei “On/Off”

• Se poate observa si aplicarea unui filtru stop banda (mai ingusta) sau filtru de rejectie, de tip “NOTCH”, care implica o frecventa centrala, o latime de banda a filtrului si un factor de atenuare (exprimat in dB)



Filtrarea semnalelor• Filtre IIR si FIR• Filtrele IIR (Infinite Impulse Response) - cu raspuns la impuls de

durata infinita. Se aleg de obicei din urmatoarele motive:• viteza de calcul este importanta• comportamentul faza/atenuare nu este critic• o acuratete optima este necesara (sharpness - Cauer)• o aproximare neteda este necesara (smoothness – Butterworth)• un compromis intre cele doua (Chebyshev)

• Metode suportate in Test.Lab pentru filtrele IIR:• LMS IIR (predefinit, fara modificari necesare)• Butterworth• Chebyshev• Inverse Chebyshev• Bessel• Cauer

• Filtrele Butterworth, Chebyshev, Inverse Chebyshev, Bessel si Cauer sunt filtre bazate pe design analog.



Filtrarea semnalelor• Filtre IIR si FIR• Filtrele FIR (Finite Impulse Response) - cu raspuns la impuls de

durata finit. Se aleg de obicei din urmatoarele motive:• viteza de calcul nu este atat de importanta• comportamentul faza/atenuare este important• au un delay (o intarziere) uniform si faza liniara• nu au reactie (feedback)• se pot defini ordine (numarul coeficientilor de filtrare)• se pot definit functii fereastra (windowing)

• Tipuri de windowing suportate in Test.Lab pentru filtrele FIR:• Rectangular – truncare directa, dar apare fenomenul Gibbs (ripple)• Hanning – compromis intre latimea tranzitiei si fenomenul de ripple

(cancellation), cel mai des utilizata• Hamming• Chebyshev – fereastra optima, transformata Fourier aproximeaza o

functie limitare in banda; produce energie minima in afara benzii de frecventa selectata

• Kaiser – fereastra optima, produce un mimim de energie spectrala in afara limitelor specificate, compromis intre inaltimea si latimea lobului principal

Smarter decisions, better products.

Exercitii Test.LabRazvan Ionescu, Siemens Industry Software, Universitatea Transilvania Brasov

procesarea digitala a semnalelor - etc.unitbv.roetc.unitbv.ro/~csaba.kertesz/pds/pds_testlab.pdf ·...

Documents