procesarea digitala a semnaleloretc.unitbv.ro/~csaba.kertesz/pds/test_lab_dsp.pdf · procesarea...

Smarter decisions, better products.

Procesarea Digitala a SemnalelorIntroducere in Simcenter Test.Lab – Razvan Ionescu, Csaba-Zoltán KERTÉSZ

Siemens PLM Software

LMS Test solutions

Echipamente de achizitie date

Office/Lab PortableMobile

LMS SCADAS XS


Mobilitate

Flexibilitate

▪ Control din exterior

▪ LMS SCADAS Mobile

▪ >500 canale

▪ 200 kHz

▪ Compact

▪ Low power

▪ No fan

▪ Robust

▪ Binaural Head

Fix setup

LMS SCADAS LAB

1000 canale

200 kHz


Applicatii Aerospatiale

Studii de caz masurate cu SCADAS XS

Diagnostic in timpul zborului

Inregistrarea de probleme acustice in

timpul zborurilor comerciale.


Aplicatii Industriale

Studii de caz masurate cu SCADAS XS

Inregistrare date pe teren

Se pot face diagnoze pe baza problemelor

detectate de clienti.

Se poate preconfigura un sistem SCADAS XS

pentru masuratori de zgomot si vibratii pe un

echipament. Se pot trimite senzori si SCADAS

XS catre client pentru a inregistra datele de pe

utilajele cu probleme. Dupa inregistrari, datele

pot fi procesate pentru analiza.


LMS Solutions

Prelucrari ingineresti pentru diverse domenii

Brushing around door seal, 200 Hz Interpolated plot, 200 Hz

http://www.lmsintl.com/download.asp?id=2AB7BBAC-192B-40D4-A9C8-0C353F410D71


LMS Solutions

Prelucrari ingineresti pentru diverse domenii

Testare Acustica

- Presiune Acustica

- Putere Acustica

- Intensitate Acustica

- Masuratori conforme cu Standardele ISO

- Masuratori de Zgomot de Fond

- Localizare de sunet (putere, intensitate) si surse de zgomot

- Comparatii intre diverse tipuri de zgomot: de combustie, mecanic, aerodynamic

- Evaluarea nivelului de zgomot conform limitelor legale

- Calcul de Putere Acustica

- Harti de Intensitate Acustica

- Standarde Pass-by Noise pentru autovehicule

dBA (Pa)

40.

100.


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

✓ Corelarea cu testele de vibratii la sol pentruimbunatatirea modelelor


LMS Test.Lab Signature Testing

Solutie completa

152.560.00 s

19.0018.00 s

17.00

-19.00

Pa

16.62

-18.70

C1 microfoon

2500.000.00 Hz

microfoon (CH1)

5374.14

244.22

rpmT1

110.00

10.00

dB

Pa2/H

z

1000.00 Hz , 0.97 order

1000.00 Hz , -0.97 order30.00

6.00

LM

S T

es

t.L

ab

Sig

na

ture

Te

sti

ng

Wo

rkb

oo

k a

nd

Ad

d-I

ns

• 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 Acquisition

Procese 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.

Dt = 1/fs T = N Dt

Timp

AmplitudineN = dimensiunea blocului,

numarul de esantioane

fs = frecventa de esantionare

T = timpul de achizitie,

timpul necesar pentru achizitie


Transformata Fourier

▪ Orice semnal digital poate fi exprimat ca o combinatie de

sinusoide – teorie Fourier

Frecventa

(Hz)Timp

(secunde)

Amplitudine

Amplitudine

AmplitudineS


Conversia din domeniul timp in domeniul frecventa

FFT

N/2 = numar de linii spectrale

∆f = Frequency resolution (rezolutie)

Df = 1/T

fs = frecventa de esantionare

N = # de sample-uri, block size

Dt = 1/fs

Dt = interval de

esantionarefbw = Bandwidth

timpT = N Dt

frecventa

fbw = N/2 Df


Fourier & Co

Joseph Fourier (1768 - 1830)

8

…

8

…

8

…

8

…

Semnal Analog Transformata Fourier (infinite integral)

Semnal esantionat Transformata Fourier discrete in timp (DTFT)

Lungime finita de observare Transformata Fourier discreta (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.

f = T

1D

Df frecventa Dffrecventa

Decreasing Df

Increasing T


DSP Parameters in Test.Lab

Timpul de achizitie?

Rezolutia?

D

fBW

N/2

Df


Semnale periodice

T T = N Dt

Ce inseamna un semnal periodic?

Limitele integralei Transformatei Fourier merg de la -

to + infinit.

Calculatorul digitalizeaza semnalul pentru o durata

limitata de timp, T.

Daca in masuratoarea finala atunci cand se ‘imbina’

de la – la + infinit, semnalul va arata ca semnalul

original atunci el va fi periodic.


Semnale Non-periodice

T T = N Dt

Ce inseamna un semnal non periodic?

Limitele integralei Transformatei Fourier merg de la - to + infinit.

Calculatorul digitalizeaza semnalul pentru o durata limitata de timp, T.

Daca in masuratoarea finala atunci cand se ‘imbina’ de la – la + infinit,

semnalul NU va arata ca semnalul original atunci el NU va fi periodic.

In exemplul dat se poate vedea clar faptul ca exista o discountinuitate

introdusa in date.


Ferestruire (windowing)

x

=

Functia de ferestruire

0

1

Semnalul original

Semnalul ferestruit


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.

• Utilizati un cursor de tip ‘harmonic’ pentru vizualizarea componentelor

armonice.



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



Identificarea frecventelor (Hz) notelor muzicale – pentru o gama larga de instrumente muzicale• Deschideti aplicatia LMS Test.Lab Desktop

• Vom utiliza un fisier ce reprezinta on inregistrare a unui instrument musical (chitara)

• Se va vizualiza in Navigator forma de unda masurata

• Se vor analiza datele in domeniul frecventa

• Se va identifica frecventa armonicei principale si nota muzicala corespunzatoare (*)

• Se repeta procedeul pentru alte tipuri de semnale• (*) https://www.seventhstring.com/resources/notefrequencies.html



Instrumentare si masurare motor electric cu ajutorul senzorilor de vibratii si al unui microfon• Se va utiliza aplicatia LMS Test.Lab Signature Acquisition

• Se vor instrumenta senzorii utilizati in worksheet-ul Channel Setup: unul, doi sau trei senzori pentru masurarea vibratiilor (accelerometre),

un microfon sau un ciocan de impact.

• Instrumentarea senzorilor se realizeaza utilizand fisa tehnica a fiecarui senzor (urmarind senzitivitatea acestora). In cazul accelerometrelor

sau al ciocanului de impact se utilizeaza grupul ‘Vibration’, in cazul microfonului grupui ‘Acoustic’. Toti senzorii sunt de tip ICP (integrated

circuit piezoelectric sensor).

• Se va prezenta echipamentul de masura (SCADAS XS).

• Se vor realiza masuratori asupra unui echipament ce produce zgomot si vibratii (de exemplu un motor electric de uz industrial/casnic), in

diferite puncte – carcasa, talpa.

• Se vor vizualiza rezultatele in worksheet-ul Navigator si se vor explica fenomenele ce apar in timpul masuratorilor.



Instrumentare si masurare motor electric cu ajutorul senzorilor de vibratii si al unui microfon• Se vor vizualiza rezultatele in worksheet-ul Navigator si se vor explica fenomenele ce apar in timpul masuratorilor.



Instrumentare si masurare vibratii motor cu ardere interna si zgomot habitaclu autoturism cu ajutorul

senzorilor de vibratii si al unui microfon• Se va utiliza aplicatia LMS Test.Lab Signature Acquisition

• Se vor instrumenta senzorii utilizati in worksheet-ul Channel Setup: unul, doi sau trei senzori pentru masurarea vibratiilor (accelerometre),

un microfon sau un ciocan de impact.

• Instrumentarea senzorilor se realizeaza utilizand fisa tehnica a fiecarui senzor (urmarind senzitivitatea acestora). In cazul accelerometrelor

sau al ciocanului de impact se utilizeaza grupul ‘Vibration’, in cazul microfonului grupui ‘Acoustic’. Toti senzorii sunt de tip ICP (integrated

circuit piezoelectric sensor).

• Se va prezenta echipamentul de masura (SCADAS XS).

• Se vor realiza masuratori de vibratii asupra carcasei motorului – vibratii ce se propaga in toata structura autovehiculului.

• Se vor realiza masuratori cu ajutorul microfonului)




senzorilor de vibratii si al unui microfon• Se vor realiza masuratori de vibratii asupra carcasei motorului – vibratii ce se propaga in toata structura autovehiculului.

• Se vor realiza masuratori (cu ajutorul microfonului) ale zgomotului in habitaclu.

• Masuratorile vor urmari fenomenul de run-up (accelerare progresiva a motorului, de la turatia de ralanti la turatia maxima in gol).




senzorilor de vibratii si al unui microfon• Se vor realiza masuratori de vibratii asupra carcasei motorului cu ajutorul ciocanului de impact– vibratii ce se propaga in toata structura

autovehiculului.

Smarter decisions, better products.

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

procesarea digitala a semnaleloretc.unitbv.ro/~csaba.kertesz/pds/test_lab_dsp.pdf · procesarea...

Documents