工程测量技术-第4章-信号分析.ppt

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1、信号分析的基本思路、方法n一、工程中的动态信号：n(1)确定性信号确定性信号：1）周期信号：简谐周期信号、复杂周期信号n 2）非周期信号：准周期信号、瞬变信号n(2)随机信号随机信号：1）平稳随机过程：各态历经过程 非各态历经过程n 2）非平稳随机过程n二、描述方法n1、域及转换（1）幅值域：概率密度函数（2）时间域：时间历程、相关函数等（3）频率域：功率谱密度1 2、随机信号的统计描述1）随机过程 2）数据处理（1）总体 1）平均值、均方值、均方根值、方差（2）样本 2）概率密度函数（3）随机变量 3）自相关函数与功率谱密度函数（4）平稳过程 （4）互相关函数与互功率谱密度函数（5）各态历经

2、过程24.1 基本概念n 信号的分类n一般信号都是随时间变化的时间函数，因此，可以根据信号随时间变化的规律将信号分为确定性信号确定性信号和随机信号随机信号。n一、确定性信号确定性信号n确定性信号是指可以用精确的数学关系式来表达的信号。给定一个时间值就可以得到一个确定的相应函数值。确定性信号根据它的波形是否有规律地重复可分为周期性信号和非周期性信号。周期性信号是按一定周期T重复的信号。简谐信号是最简单的周期信号，任何周期信号都可以看作是简谐信号的合成。非周期信号没有重复周期。它包括准周期信号和瞬态信号两类。34.1 基本概念n严格数学意义上的周期信号，是无始无终地重复着某一变化规律的信号。实际应

3、用中，周期信号只是指在较长时间内按照某一规律重复变化的信号。n实际上周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号之间没有绝对的差别没有绝对的差别，当周期信号fT(t)的周期T 无限增大时，则此信号就转化为非周期信号f(t)。即44.1 基本概念n确定性信号确定性信号也可以按照它的取值情况分为连续信号和离散信号。连续信号：在某一时间间隔内，信号的幅值可以取连续范围内的任意数值。这样的连续时间函数所表示的信号就是连续信号。常见的信号大都属于这一类。离散信号的离散性可以表现在时间或幅值上，例如每天中午测量一次室温，则测量记录的温度信号就是离散信号，而经过测试系统量化后在时间和幅值上都是离散的信号，称为数

4、字信号。n二、随机信号（非确定性信号）随机信号（非确定性信号）n随机信号不能用精确的数学关系式来表达，也无法确切地预测未来任何瞬间的精确值的信号，称为随机信号。54.1 基本概念n对于随机信号虽然也可以建立某些数学模型进行分析和预测，但只能是在概率统计意义上的近似描述，这种数学模型称为统计模型。64.1 基本概念74.1 基本概念n信号的描述n任何一个信号都可以用时域时域和频域频域进行描述。n信号的时域描述表征信号的幅值随时间的变化规律。n信号的频域描述是研究信号的频率结构，即组成信号的各频率分量的幅值及相位的信息，例如周期性方波可以看成是由一系列频率不同的正弦波叠加而成。n从时域图形中可以知

5、道信号的周期、峰值和平均值等，可以反映信号变化的快慢和波动情况。用时域描述比较直观、形象，便于观察和记录。n由频域描述的图形频谱图中可以研究其频率结构。例如对振动信号进行频谱分析，可以从频谱图中看出该振动是由哪些不同的频率分量组成的，各频率分量所占的比例，以及哪些频率分量是主要的，从而找出振动源，以便排除或减小有害振动。84.2 周期信号的谱分析n周期信号的分解n正弦信号是简谐信号，而锯齿波、三角波、方波等都是非简谐信号。简谐信号简谐信号是最简单的和最重要最简单的和最重要的周期信号。任意一个周期信号可以用简谐信号来表达，两者之间联系的桥梁是付里叶付里叶级数级数，所以付里叶级数是周期信号分析的理

6、论基础。n简谐周期信号的时变函数表达式n复杂周期信号的时变函数表达式nA最大振幅，最大振幅，f0频率，频率，T周期，周期，T=1/f0，0圆频率，圆频率，0=2f0n初始相角，n任意整数（n=1，2，3）。n任何一个周期信号在满足狄里赫利条件时，都可以展开成付里叶级数。94.2 周期信号的谱分析n一、三角付里叶级数n周期信号x(t)的三角付里叶级数表达式为 n付里叶系数为n上式正弦、余弦项合并，得n式中104.2 周期信号的谱分析n上式表明周期信号可以用一个常值分量和无穷多个谐波分量之和表示。一次谐波分量n=1称为基波。基波的频率与信号的频率相同，高次谐波的频率为基频的整数倍。高次谐波又可分为

7、奇次谐波（n为奇数）和偶次谐波（n为偶数）。这种把一个周期信号分解为一个直流和无数个谐波分量之和的方法称为谐波谐波分析法或付里叶分析法分析法或付里叶分析法。114.2 周期信号的谱分析n二、复数付里叶级数n付里叶级数也可以写成复指数函数形式。根据欧拉公式n得付里叶级数的复数形式：n该式表明：周期信号可分解成无数多个指数分量之和。由欧拉公式可知，简谐信号可以用两项分别具有正负指数的项相加表示。因此，在复指数函数表示法中周期信号就由一组具有正负指数的函数组成。124.2 周期信号的谱分析n复数形式的付里叶系数n它的模和相角表示n次谐波的振幅和相位，即n由于以上公式中谐波次数n值可正可负，因此势必会

8、有（-）出现，这是因为从实数形式的付里叶级数过渡到复数形式的付里叶级数，用复数表示正弦和余弦，所以（-）完全是由于用复数表示所引起的，无实际意义。134.2 周期信号的谱分析n 周期信号的频谱n由上述可知，利用付里叶级数能确切地表达信号分解的结果，但不直观。为了既简单又明了地表示一个信号中包含了哪些频率分量及各分量占的比例大小，通常用频谱图来表示。n以频率（或圆频率）为横坐标，幅值A或相角为纵坐标所作的图称为频谱图。频谱图通常包括幅频谱图、相频谱图两部分。n时域描述和频域描述是一个信号在不同域中的两种表示方法。144.2 周期信号的谱分析n例题：如图所示的周期n方波的函数表达式为n试将其分解为

9、付里叶n级数。154.2 周期信号的谱分析n解：因x(t)为偶函数，则bn=0，164.2 周期信号的谱分析n由频谱图可以看出周期信号的频谱具有如下几个特点：n频谱是由不连续的谱线组成，每条谱线代表一个谐波分量。这种频谱称为离散频谱。n信号重复周期的倒数就是基波频率，即1/T=f0。谱线之间的间隔等于基波频率的整数倍。即频谱中的每一条谱线只能出现在基波频率的整数倍上，各谐波的频率都是基波频率的整数倍。n工程中常见的周期信号，其工程中常见的周期信号，其谐波幅度总的谐波幅度总的趋势趋势是随是随谐波次数的增高而减小谐波次数的增高而减小的。的。n相位谱由一组等高的谱线组成。此方波的各谐波相位角是零，所

10、以相位谱由一组为零的谱线组成。174.2 周期信号的谱分析n从理论上讲，一个周期信号周期信号可以利用付里叶级数付里叶级数分解成无穷多个或有限个谐波分量。但实际应用中不可能取无穷多项，只能取有限项近似有限项近似地表示，这就不可避免地带来误差带来误差。n例如，方波的付里叶展开式，n图示为谐波项数的多少与n方波近似程度示意图。图n中阴影线部分为误差部分阴影线部分为误差部分，n可以看出谐波分量越多谐波分量越多，n叠加后的波形越接近实波形越接近实n际信号际信号的波形。184.2 周期信号的谱分析n 周期信号的强度强度n周期信号的强度用峰值、均值、有效值和平均功率来表述。n峰值 即信号的最大瞬时值。n均值

11、 为信号的常值分量，表示信号的静态分量，反映了信号在一个周期内的平均值。n有效值有效值（或均方根值）为信号的有效值（均方根值），它反映了信号的功率大小反映了信号的功率大小。n平均功率（或均方值）为信号的均方值，表示信号能量的大小。194.3 非周期信号的谱分析n非周期信号非周期信号包括包括准周期信号准周期信号和和瞬态信号瞬态信号两类。两类。n准周期信号是由有限个简谐信号合成的一种非周期信号。这些简谐信号的角频率的比值为无理数角频率的比值为无理数，它们之间没有一个共同的基本周期，所以信号是非周期的，但它又是由简谐信号合成的，故称为准周期信号准周期信号。如n函数表达式 n在任何情况下都不等于有理数

12、.n准周期信号的幅值频谱为离散谱，其处理方法与处理复杂周期信号一样，差别差别只在于各分量的频率不再是有理数关系频率不再是有理数关系。n除准周期信号准周期信号以外的非周期信号都称为瞬态信号瞬态信号。n下面讨论的非周期信号就是指瞬态信号。204.3 非周期信号的谱分析n 频谱密度函数n当周期信号的周期趋于无限大周期趋于无限大时，周期信号将演变成非周期信号。因此，非周期信号的频谱也可由周期信号的频谱导出。n如前所述，周期信号的指数函数表达式中n当周期 时，为无穷小量，即 的取值间隔为无穷小，所以 由离散量变成连续量，周期信号变为非周期信号非周期信号。214.3 非周期信号的谱分析n现用代替 ，则周期

13、信号的指数函数表达式可写成n式中n周期信号的频谱是离散的，谱线间的间隔为 。当信号周期趋于无限大时，周期信号就演变为非周期信号，谱线间的间隔趋于无限小量d，非连续变量 变成连续变量，T用2/d代替，求和运算变成求积分运算。224.3 非周期信号的谱分析nX()为信号x(t)的付里叶变换，x(t)为X()的付里叶反变换，二者合称为付里叶变换对付里叶变换对。付里叶变换是将时域函数变换为频域函数。X()表示角频率为处的单位频带宽度内频率分量的幅值与相位，称为函数x(t)的频谱密度函数频谱密度函数（或简称频谱函数频谱函数）。n频谱密度函数为复数，即n 幅频谱幅频谱函数，相频谱相频谱函数，Re()和Im

14、()分别为频谱密度函数X()的实部和虚部。234.3 非周期信号的谱分析n综上所述，综上所述，非周期信号非周期信号和和周期信号周期信号虽然都可用虽然都可用无限个简无限个简谐信号之和谐信号之和来表示，但来表示，但周期信号周期信号用用付里叶级数付里叶级数来描述，来描述，各各频率分量频率分量的频率取的频率取离散值离散值，相邻分量的，相邻分量的频率相差一个频率相差一个或几个基频数或几个基频数，而，而非周期信号非周期信号用用付里叶积分付里叶积分来描述，其来描述，其频率分量的频率分量的频率取连续值频率取连续值，非周期信号包含一切频率，非周期信号包含一切频率，故频谱为故频谱为连续谱连续谱。n4.3.2 非周

15、期函数的能量密度n信号总能量可表示为Parsevaln它表明总能量是各个频率分量的能量 之和。n 具有“单位频率中所具有的能量单位频率中所具有的能量”的含义，故称为能量谱密度能量谱密度.2425信号的分类264.4 随机信号描述及其谱分析n随机信号随机信号是不能用精确的数学关系式描述的信号，但它的变动服从统计规律服从统计规律，可以用概率统计特性来描述。n4.4.1 随机信号的描述n对随机信号按时间历程所作的各次长时间观测记录称为样本函数样本函数，记作xi(t)。在同样条件下，对该过程重复观测，得到互不相同的可能发生的许多样本函数的集合称为总体总体，记作n 表示一个随机过程。如果随机信号的统计参

16、数不随时间变化，则称为平稳随机过程平稳随机过程，反之称为非平稳随机过程。274.4 随机信号描述及其谱分析n在平稳随机过程中，若任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征，这样的平稳随机过程叫各态历经随机过程各态历经随机过程。工程上遇到的随机信号大都可以当作各态历经随机过程来处理。n4.4.2 随机信号的数据处理和谱分析n一、随机信号的数据处理n各态历经过程的统计参数都可以采用单个样本函数的时间平均来定义，并且对任何一个样本函数来定义都将是一样的。通常用来描述各态历经随机信号的主要统计参数有下列四个：n均方值均方值、概率密度函数概率密度函数、自相关函数自相关函数和和功率谱密

17、度函功率谱密度函数数。284.4 随机信号描述及其谱分析n均方均方值值描述信号强度信号强度方面的特性，而后三者后三者分别描述信号在幅值域、时间域和频率域幅值域、时间域和频率域中的特性。n1、平均值、均方值、均方根值和方差值平均值、均方值、均方根值和方差值n工程上常把随机信号（各态历经的）看成是由一个不随时间变化的静态分量（即直流分量直流分量）和随时间变化的动动态分量态分量两部分两部分组成的。静态分量可用均值表示，动态分量可用方差表示，即方差的平方根叫标准差均方值均方值描述随机信号的强度描述随机信号的强度，即 294.4 随机信号描述及其谱分析在实际测试工作中，要获得观察时间T为无限长为无限长的

18、样本函数是不可能实现不可能实现的。因此以有限长度样本有限长度样本记录代之，这样计算的均值、方差和均方值都是估计值都是估计值。n2、概率密度函数概率密度函数随机信号的概率函数是表示信号落在某指定范围内的概率，用来表征随机信号幅值的统计特性。假设在观测记录时间T内，各态历经信号的某一样本函数x(t)的幅值落在区间（x,x+x）内的时间长度时间长度分别t1,t2,t3,如图所示，那么信号在该区间的概率概率为 304.4 随机信号描述及其谱分析n概率密度函数为n不同的随机信号，其概率n密度函数的图形不同，借n此可以认识和区分各种不n同的信号。图示为常见随n机信号及其概率密度函数n图形。314.4 随机

19、信号描述及其谱分析n3、自相关函数自相关函数n自相关函数是信号在时域中特性的平均度量，它用来描述各态历经信号在一个时刻的取值与另一个时刻取值的依赖依赖关系关系，可以用下式表示n自相关函数就是信号x(t)和它的时移信号x(t+)乘积的平均值，它是时移变量时移变量的函数的函数。自相关函数不仅可以用于分析随机信号，也可以用于分析确定性信号。n n例如信号 的自相关函数为324.4 随机信号描述及其谱分析自相关函数保留了原信号的频率成分频率成分，其频率不变，幅值幅值等于原幅值平方的一半，即等于该频率分量的平均功率，但丢失了相角的信息。自相关函数具有如下主要性质：1，自相关函数为偶函数，2，其图形对称于

20、纵轴。因此，不论时移方向是导前还是滞后（为正为正或负或负），函数值不变。334.4 随机信号描述及其谱分析n当=0时，自相关函数具有最大最大值，且等于信号的均方值，即n周期信号的自相关函数周期信号的自相关函数仍为周期信号周期信号。n实际工程应用中，常采用自相关系数来度量其相关程度，定义n当=0时，说明相关程度最大，当=时，说明信号x(t)与x(t+）之间彼此无关。由于 ，所以有 。n 值的大小表示信号相关性的强弱相关性的强弱。344.4 随机信号描述及其谱分析n自相关函数具有如下应用：n检测信号回声（反射）。若在宽带信号中存在着带时间延迟0的回声，那么该信号的自相关函数将在=0处也达到峰值（另

21、一峰值在=0处），则可以根据0确定反射体的位置，同时自相关系数在0处的值 将给出反射信号相对强度的度量。n检测淹没在随机噪声中的周期信号。检测淹没在随机噪声中的周期信号。由于周期信号的自相关函数仍是周期性的，而随机噪声信号随着延迟增加，它的自相关函数将减到零。因此在一定延迟时间后，被干扰信号的自相关函数中就只保留了周期信号的信息，而排除了随机信号的干扰。354.4 随机信号描述及其谱分析n4、（自）功率谱密度函数功率谱密度函数n任何一个时域信号都可以用频域函数表达。自相关函数是一个时域函数，它的付里叶变换称（自）功率谱密度函数，简称自功率谱或自谱，用符号Sx()表示。n它表示单位频带宽度上的平

22、均功率单位频带宽度上的平均功率。n随机信号的自相关函数与功率谱密度函数组成付里叶变换对，即n由于 为实偶函数实偶函数，所以 也是实偶函数实偶函数，因此上式又可写成 364.4 随机信号描述及其谱分析 若注意到前述自相关函数的特性（2），令=0，则可得这表示自功率谱 与频率轴所包围的面积就是信号的平均平均功率功率。因此 给出了信号中各频率分量的功率沿频率轴的分布，所以称 为功率谱密度功率谱密度。是在（是在（-+）频率范围内的功）频率范围内的功 率谱，所以又称为率谱，所以又称为双边谱双边谱。但在实。但在实 际应用中频率是在（际应用中频率是在（0+）范围）范围 变化，考虑到能量等效，用变化，考虑到能

23、量等效，用单边功单边功 率谱率谱 代替双边功率谱代替双边功率谱 时，则有时，则有 374.4 随机信号描述及其谱分析n综上所述，随机信号的时域和频域特性可以用统计方法进行研究，其幅值特性用信号的均值、均方值和概均值、均方值和概率密度函数率密度函数描述。信号的时域特性也可以用自相关函数描述，频域特性用功率谱密度描述。n 5、互相关函数互相关函数与与互谱密度函数互谱密度函数n以上介绍的是随机信号的统计特性。在实际中常常需要描述两个两个随机信号之间的依赖关系，即联合统计特联合统计特性性，互相关函数互相关函数和互谱密度函数互谱密度函数给出了时延域和频域上的联合特性。n互相关函数与自相关函数都是研究信号

24、相似性的工具，但自相关函数是处理信号和它自身的时移信号的相似性问题，而互相关函数是处理两个信号之间的相似性问题。384.4 随机信号描述及其谱分析n随机信号x(t)和y(t)的互相关函数互相关函数Rxy()定义为n互相关函数有如下性质：n互相关函数不是偶函数，是不对称的。n如Rxy()在=d位置达到最大值，则说明y(t)导前d时间后，x(t)与y(t)最相似。nRxy()=Ryx(-)，即x(t)与y(t)互换后，它们的互相关函数对称于纵轴，该式说明使信号说明使信号y(t)在时间上在时间上导前导前，与使另一信号与使另一信号x(t)滞后滞后，其结果是一样的，其结果是一样的。394.4 随机信号描

25、述及其谱分析n定义互相关系数系数为n互相关系数反映了两个随机信号之间的相关性。且 若x(t)和y(t)之间没有同频的周期成分，那么当很大时就彼此无关，即 。n频率相同的两个周期信号的互相关函数仍是周期函数，其周期与原信号相同。n例如设两个周期信号为 和 ，则其互相关函数为404.4 随机信号描述及其谱分析由此可见，互相关函数保留了两个信号的共同频率分量的频率、幅值和相位差的信息。由于互相关函数有上述性质，因此在检测技术中得到了广泛的应用，最常见的应用有以下几种：1，确定时间延迟。假如某信号从A点传播到另一点B，那么在两点拾取的信号之间的互相关函数，将在相当于两点之间时间延迟的位置上出出现一个峰值现一个峰值。41