袁鑫

引言：本文首先詳細闡述了數(shù)字信號處理技術的概念、特點，以及對現(xiàn)代計量測試的影響。之后進一步介紹了集中對計量測試有重大價值的數(shù)字信號處理技術。最后在我國如何借助數(shù)字信號處理技術完善計量測試方面得到的啟示。

一、數(shù)字信號處理技術對計量測試的沖擊

數(shù)字信號處理技術，主要指現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術，是利用計算機或專用處理設備，以數(shù)值計算方法對信號進行分析、變換、綜合、估計、識別等加工處理，借以達到正確提取信息并適于計量測試的目的。這些加工可采用以軟件為主方式；也可采用以硬件為主，或軟硬件結合混合方式。數(shù)字信號處理具有靈活、精確、穩(wěn)定、抗干擾性好，以及在設備上尺寸小、造價低、易于集成、便于程控等優(yōu)點，近十幾年來使它在白然科學、工程技術各方面獲得廣泛應用。

信號處理在計量測試中應用，歸根到底是要提高計量測試水平。大家知道，傳統(tǒng)的計量

測試通常依靠精密儀器、設備來保證和提高水平，其代價常常是昂貴的，有時還會遇到難以

克服的困難。國內外大量實踐表明，通過信號處理技術可以充分地、最大限度地發(fā)揮這些昂貴儀器設備的潛力和作用，使計量測試提高到一個新的水平。

二、信號處理技術在計皿測試中的應用

（一）FFT技術

1965年Ccoley和Tukoy提出FFT算法，第一次把時域、頻域和空域三者的實時處理成為可能。至今它仍是信號處理中主要手段之一。以FFT為基礎的周期圖法、BT法是功率譜分析的經(jīng)典方法。20年來FFT技術仍在不斷發(fā)展，舉其重要者有：細化技術（ZOOM）；以數(shù)論為基礎的WFTA算法，不等間隔采樣法，樣條法等。這些新技術在計量測試中也得到應用。

FFT技術是動態(tài)計量測試最有效的手段。目前國外生產(chǎn)的幾十種動態(tài)測試儀和實時分析儀絕大多數(shù)采用FFT技術。部分儀器還具有Z00M功能，如丹麥的2033，美國的HP5451、5423，日本的TT17等。射頻以下一些精密頻譜分析儀，如HP3582也采用FFT技術。一些大型測試系統(tǒng)也常配置FFT軟件，如美國Talysuf-5T輪廓儀就配有FFT軟件；美國HP8510微波網(wǎng)絡分析儀就是利用WFTA算法軟件實現(xiàn)頻域一時域轉換。FFT技術在當今，在國外一些計量測試研究部門已成為一個基本的處理手段。

（二）現(xiàn)代譜分析技術

以FFT為基礎的功率譜分析法的主要缺點是當測試數(shù)據(jù)較少時，譜的主瓣變寬，并出現(xiàn)旁瓣，這就是所謂“泄漏”現(xiàn)象。雖然通過“加權”可壓低旁瓣，但此時主瓣變得更寬，分辨度大大下降。這就迫使人們尋求新的譜分析方法。60年代末美國Burg首次提出最大嫡譜分析法，宣告現(xiàn)代譜分析技術的開始。該法是按最大嫡的原則外推測試數(shù)據(jù)的自相關函數(shù)，等效于加長了數(shù)據(jù)段，從而改善譜的分辨度。后經(jīng)人證明最大嫡譜分析法就是自回歸譜分析法。此后，70年代中又出現(xiàn)了ARMA（白回歸滑動平均）譜分析法和氣RIMA（自回歸積累滑動平均）譜分析法，1979年又出現(xiàn)了最小交又嫡譜分析法。這些方法在一定條件下較之最大嫡法又有某些方面的改善?，F(xiàn)代譜分析技術的共同缺點是計算量大，難以硬件化。另外它們是一種非線性變換，因此計量定標問題比較復雜。

（三）正交變換技術

上述付氏變換是一種正弦正交變換。除此之外，還有一些非正弦正交變換，如沃爾什變換、哈達馬變換、雷德梅克變換等，在計量測試領域也得到應用。例如

1.利用沃爾什變換概念于A/D、D/A變換的動態(tài)測試；

2.利用沃爾什變換實現(xiàn)頻譜分析，運算速度可快于FFT；

3.利用哈達馬變換實現(xiàn)頻譜分析。如美國HP5390頻率穩(wěn)定度分析儀就是利用此原理

由時域數(shù)據(jù)得到頻域數(shù)據(jù)；

4.利用沃爾什函數(shù)概念合成標準對數(shù)波、階梯波和三角波等，準確度很高，可作為計量標準。

（四）卡爾曼濾波技術

這是60年代由美國R.E.Kalman提出的一種時域遞推濾波技術。它既適于線性系統(tǒng)，也適于非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)，具有很大靈活性。因此在航天、雷達甚至經(jīng)濟預測等方面獲得很廣泛應用。在36屆頻控年會上Barncs與Allan首次宣布用卡爾曼濾波技術估算GPS衛(wèi)星鐘（艷鐘）參數(shù)，建立其頻率起伏模型井預測其誤差，從而提高GPS時頻傳遞精度（從計算機仿真看，可提高半個至一個數(shù)量級，個別情況甚至達二個數(shù)量級）。在39屆頻控年會上，兩人又宣布將此技術推廣至一般高精度振蕩源。這一成果的發(fā)表引起了國外有關人員廣泛興趣。從第15屆到17屆連續(xù)三屆美國PTTI（精密時間和時間間隔）年會上已發(fā)表很多這方面論文。

（五）倒譜技術（同態(tài)濾波技術）

在計量測試中有時會遇到二個信號相乘或卷積的情況（例如其中之一是另一信號的反射波），此時用線性濾波無法將二者分開，而只能用同態(tài)濾波。常用的同態(tài)濾波方法是先對信號的付氏變換取對數(shù)，這樣就能把相乘的對數(shù)變?yōu)閷?shù)相加，再取付氏反變換，就得到信號的“倒譜”，通過時域處理就可將不需要的信號（已變?yōu)榈棺V形式）濾掉。國外有些實時分析儀，如丹麥的20B2等就具有同態(tài)濾波功能。

（六）蒙特卡洛仿真技術

嚴格說來這不屬于信號處理技術范疇。但通過它可以仿真信號處理全過程，提供最佳方案，從而得到滿意的效果。如Borne，與allan研究卡爾曼濾波時，就先從蒙特卡洛仿真開始。另外，日本電波研究所的今江理人的工作也很出色。他用五個商用艷鐘（穩(wěn)定度不超過10-13）組成平均原子時標。由于通過仿真確定了五個鐘的最佳加權，使平均原子時標穩(wěn)定度達到2×10-14。蘇聯(lián)對動態(tài)計量測試工作極其重視、發(fā)表的文獻也最多。從幾次全蘇動態(tài)測量會議情況來看，他們感興趣的問題是：（1）動態(tài)測試量值如何傳遞？（2）測量裝置動態(tài)特性如何測定和規(guī)格化？（3）動態(tài)測量誤差如何評定和修正？看來會議尚未能對這些問題作出全面結論。但至少有一點是明確的，即動態(tài)特性是“函數(shù)型測量”，要通過正確建立數(shù)學模型來認識其動態(tài)特性，并衡量其動態(tài)誤差。

四、結束語

綜合了國內外的一些情況后，我們可以得到這樣一些啟示：

1.信號處理技術在計量測試中推廣應用是個必然趨勢。它將對現(xiàn)代計量測試技術的發(fā)展起深刻的推動作用。對此我們應予以充分注意和重視。

2.這方面工作國內還處于起步階段。盡管個別項目上我們的水平不低，但總的說來與國外有較大差距。一些成果還限于高校和科研單位，沒有變?yōu)閺V泛的生產(chǎn)力。

3.信號處理技術本身當然不是計量的目的。它必需結合參數(shù)計量工作才能得到應用和發(fā)展。鑒于目前國內大多數(shù)計量技術人員對信號處理技術比較陌生，因此培訓、交流和宜傳推廣工作是當務之急。國外由一些老計量專家?guī)ь^開發(fā)新技術的做法值得我們借鑒

參考文獻

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