第一章-信号及其频谱分析(课堂PPT).ppt

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1、第一章 信号及其频谱分析1-1信号及其分类1-2信号的时域及频域描述1-3周期信号的频谱分析1-4非周期信号的频谱分析1-5信号的相关分析1-6数字信号的处理与应用1-7三维DFT谱的概念及应用11-1信号及其分类测试：利用测量系统测出变化中的物理量。被测参量具有三个特征：物理特征：物理性质量值特征：量值大小时变特征：随时间变化的情况信号：只涉及被测参量的量值特征和时变特征，而不涉及其物理特征。信号分析 运用数学工具对信号加以分析研究，提取有用的信号，从中得到一些对工程有益的结论和方法。3信号的分类与描述信号的分类主要是依据信号波形特征波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念信

2、号波形：信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。程称为信号的波形。波形波形1-1信号及其分类4为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：1、从信号描述上分-确定性信号与非确定性信号；2、从分析域上-时域与频域；3、从信号波形的形态-连续时间信号与离散时间信号；1-1信号及其分类5连续信号和离散信号如果在某一时间间隔内，对任意时间值，除若干不连续点外，该函数都能给出确定的函数值，称为连续信号。和连续信号相对应的是离散信号。代表离散信号的时间函数只在某些不连续的时间值上给定函数值。1-1信号及其分类静态信号动

3、态信号信号离散信号连续信号6n 连续时间信号与离散时间信号 a)连续时间信号:在所有时间点上有定义 b)离散时间信号:在若干时间点上有定义采样信号1-1信号及其分类7动态信号和静态信号动态信号：信号的幅值、相位、周期等特征参 数随时间的变化而变化的信号。静态信号：信号的幅值、相位、周期等特征参 数不随时间变化的信号。如直流量 通常把一些缓变信号近似地看成静态信号1-1信号及其分类8确定性信号与随机信号可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。随机（非确定性）信号：具有随机的特点，每次的结果都不同，无法用精确地数学关系描述。1-1信号及其分类噪声信号噪声信号(平稳平稳)统计特性变异统计特性变

4、异噪声信号噪声信号(非平稳非平稳)9n周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号 x(t)=x(t+nT)n=1,2,3周期信号又可分为简谐信号(单一频率)和复杂周期信号(多个频率）。1-1信号及其分类按正弦或余弦规律变化的信号，工程称为按正弦或余弦规律变化的信号，工程称为简谐信号简谐信号；复杂周期信复杂周期信号号波形可看成是由若干个波形可看成是由若干个频率比为有理数频率比为有理数的正弦信号叠加而成。的正弦信号叠加而成。简谐信号（简单周期信号）简谐信号（简单周期信号）10复杂周期信号复杂周期信号1-1信号及其分类11非周期信号：再不会重复出现的信号。准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不

5、成公倍数。如：x(t)=sin(t)+sin(2.t)瞬态信号:持续时间有限的信号，如 x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t)1-1信号及其分类121-2信号的时域及频域描述n 时域描述：信号用幅值随时间的变化来表示，通常称为时域分析（波形分析）。最常用的时域描述方法是用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。13 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。图例：受噪声干扰的多频率成分信号图例：受噪声干扰的多频率成分信号 1-2信号的时域及频域描述14n为了研究信号的频率结构和各频率成分的幅值、相位

6、关系，应对信号进行频谱分析，把信号的时域描述通过适当方法变成信号的频域描述，以频率为独立变量来表示信号。n频域描述：以频率为横坐标描述信号的频率结构和频率成分的幅值、相位关系。n 频谱分析：对复杂时变信号按谐波进行展开研究其频率构成的过程。信号频谱信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。1-2信号的时域及频域描述15信号不同的描述方法不能改变信号的性质，只是分析问题的角度不同。时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析1-2信号的时域及频域描述161

7、-2信号的时域及频域描述324617eg:右图是一个方波的一种时域描述，而下式是其时域描述的另一种形式若该周期方波应用傅立叶级数展开，即得：1-2信号的时域及频域描述思思考考题题：一个复杂周期信号的基本形状一般由什么成分决定？方波的尖角理论上由什么成分构成？近似方波的叠加演示近似方波的叠加演示复频信号发生器复频信号发生器.exe.exe19周周期期方方波波的的 描描述述1-2信号的时域及频域描述20第三节第三节 周期信号的频谱分析周期信号的频谱分析信号的表示：信号的表示：时间域表示，例如 ，简称时域时域信号；频率域表示，例如，简称频域频域信号；它们的关系：它们的关系：IFT21 信号频谱分析是

8、采用傅立叶变换将时域信号信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)x(t)变换为频域信号变换为频域信号X(f)X(f)，从而帮助人们从另一个，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。角度来了解信号的特征。8563A8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHzSPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz傅里叶傅里叶变换变换X(t)=sin(2nft)0 t0 f1-3周期信号的频谱分析1-3周期信号的频谱分析22周期信号特点：一个周期内的就代表了信号的全部。周期信号的频谱三角形式傅里叶级数展开定义：在数学上，凡满足狄里赫利条件的周期函数都可

9、以展成三角形式的傅里叶级数。狄里赫利（Dirichlet）条件：设f(x)是周期为T的周期函数，如果它满足 函数在任意有限区间连续，或只有有限个第一类间断点(2)在一周期内，函数有有限个极大值或极小值。则f(x)的傅里叶级数收敛。且1-3周期信号的频谱分析测试技术中的周期信号，大都满足该条件。测试技术中的周期信号，大都满足该条件。23n对于任何一个周期为T、且定义在区间（-T/2,T/2）内的周周期期信信号号f(t)，都可以用上述区间内的三三角傅立叶级数角傅立叶级数表示：1-3周期信号的频谱分析（1）1-3周期信号的频谱分析nEg:方波信号：n周期信号可由幅值、相位不同的各次谐波合成。24a0

10、是频率为零的直流分量，式中系数值为（2）1-3周期信号的频谱分析一个周期内面积的均值a0=0T/2 T tx(t)Aa0=A/225将将同频项同频项合并合并，傅立叶级数展开还可以改写成：傅立叶级数展开还可以改写成：An-，n-分别称为分别称为幅值谱和相位谱，统幅值谱和相位谱，统称为频谱。称为频谱。1-3周期信号的频谱分析26频谱图的概念 工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn(n)为横坐标，An、为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；1-3周期信号的频谱分析图1-7复杂周期信号的频谱示意a)幅值谱b）相位谱谱线、包络线单边谱271-3周期信号的频谱分析思思考考题题：若若按按照照余余弦弦函函数数对

11、对该该方方波波信信号展开，其展开式有何变化？号展开，其展开式有何变化？281-3周期信号的频谱分析关于频率术语的思考：频率=2/秒的含义？和工程频率f（Hz）的关系；29周期信号的奇偶性与傅里叶系数的关系若周期信号为一奇函数，即x(t)=-x(-t)，则x(t)cosn0t也是奇函数，有a0=0，an=0，x(t)的傅里叶级数三角函数形式变为：若周期信号为一偶函数，即x(t)=x(-t)，则x(t)sin0t将是奇函数，有bn=0，x(t)的傅里叶级数三角函数形式变为：1-3周期信号的频谱分析30重点回顾三角形式的傅里叶级数同频项合并频谱图幅频图：An-相频图：n-31三、指数形式的傅里叶级数

12、。三、指数形式的傅里叶级数。三三角角傅傅里里叶叶级级数数与与指指数数傅傅里里叶叶级级数数并并不不是是两两种种不不同同类类型型的的级级数数，而而只只是是同同一一级级数数的的两两种种不不同同的的表表示示方方法法。指指数数级级数数形形式式比比三三角角级级数数形形式式更更简简化化更更便便于于计计算。算。根据欧拉公式根据欧拉公式1-3周期信号的频谱分析数学上一种用旋转数学上一种用旋转矢量表示正余弦的矢量表示正余弦的方法方法32将上式代入傅立叶级数展开式，则有将上式代入傅立叶级数展开式，则有:1-3周期信号的频谱分析331-3周期信号的频谱分析有傅立叶级数的复指数函数形式：341-3周期信号的频谱分析35

13、指数形式傅里叶级数的三个特点：频谱有正负频率项，频谱左右对称，称为双边谱；每条谱线代表分量幅值的一半；负频率的出现是数学运算的结果，没有物理意义。1-3周期信号的频谱分析双边谱37例1-2：1-3周期信号的频谱分析38复杂周期信号的频谱具有以下三个共同特点：复杂周期信号的频谱具有以下三个共同特点：频谱是一根根离散的谱线组成的；频谱是一根根离散的谱线组成的；每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，不存在每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，不存在非整数的频率分量；非整数的频率分量；各谐波分量的幅值随谐波次数或频率的增高而减各谐波分量的幅值随谐波次数或频率的增高而减小。小。概括：概括：离散性、谐波性和收

14、敛性离散性、谐波性和收敛性1-3周期信号的频谱分析39第四节第四节 非周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析准周期信号的各谐波成分的频率比不是有理数，例如：各谐波成分在合成后不可能经过某一段时间间隔后重演，其合成信号不是周期信号。但这种信号的频谱是离散谱。通常所说的非周期信号是指瞬变非周期信号。下面讨论这种非周期信号的频谱1-4非周期信号的频谱分析401-4非周期信号的频谱分析41一傅里叶变换一傅里叶变换 1 1.引出非周期信号可看作周期趋于无穷大的周期信号。：周期信号：周期信号非周期信号非周期信号连续谱，幅度无限小；连续谱，幅度无限小；离散谱离散谱0再用再用 X(n)表示频谱就不合适了，虽然

15、各频谱幅度表示频谱就不合适了，虽然各频谱幅度无限小，但相对大小仍有区别，引入频谱密度函数。无限小，但相对大小仍有区别，引入频谱密度函数。01-4非周期信号的频谱分析421-4非周期信号的频谱分析频谱密度函数频谱密度函数简称频谱函数简称频谱函数43频谱密度函数的表示频谱密度函数的表示1-4非周期信号的频谱分析傅里叶变换对X(t)45例1-3 求矩形窗函数的频谱。解：矩形窗函数的时域表达式为：其频谱密度函数为：1-4非周期信号的频谱分析根据欧拉公式46通常定义 ，曲线如图1-12所示，其函数值有专门的数学表可查，它以2为周期（不严格）并随的增加而作衰减振荡，sincx函数为偶函数，在 处其值为零。

16、图图1-12 1-12 波形波形1-4非周期信号的频谱分析47矩形窗函数的波形(a)幅频图(b)相频图矩形窗函数的频谱1-4非周期信号的频谱分析幅频谱：相频谱：48被测信号频率范围的确定信号的频率范围是0。任何一个测量系统或仪器都不可能在如此大的频率范围内正常工作。信号的频谱都具有收敛性,所以说信号的能量基本上是由低频段各谐波信号的能量组成或者说频率越高的谐波分量对信号构成的影响就越小。复杂周期信号时：0n/T，其中 n=710，T为周期;瞬态非周期信号时:频率范围为0n,其中n=45,为瞬态信号的持续时间;1-4非周期信号的频谱分析51一、信号的幅值表示均值、方差、均方值信号的均值是函数在整

17、个时间坐标上的积分平均。T观测时间。其物理含义是表达了信号变化的中心趋势。信号的方差是去除均值后的均方值，即：方差是信号幅值相对于均值分散程度的一种表示，其物理含义是偏离均值的波动分量的强度。1-5信号的相关分析直流分量的能量交变分量的强度53信号均方值是样本函数平方的均值，即：其物理含义是表达了信号的平均功率或能量。均值、方差和均方值之间的关系在信号分析中，常将信号电压（或电流）加到1电阻上所消耗的能量定义为归一化能量。1-5信号的相关分析U=I*RP=U*I54二、信号的相关分析1.相关应用极为广泛的一种时域分析方法信号相关性是指两信号之间相互关联的程度。信号相关性是指两信号之间相互关联的

18、程度。自相关函数的定义信号的自相关函数(或)定义为:与做时移后的函数的乘积后再做积分平均运算注：T表示信号长度。实际应用中总是取有限长度信号。基本功用能够捡出信号中的周期成分。1-5信号的相关分析软件演示552.信号的互相关函数互相关函数的定义信号、的互相关函数定义为相关分析可实现同频成分的检测，感官上就是波形相似性的度量，函数值的大小表示这些同频成分在信号中所占的功率大小。1-5信号的相关分析573.信号相关分析在工程中的应用信号相关分析在工程中的应用管道漏损位置探测1-5信号的相关分析 58相关测速1-5信号的相关分析相关值显示原理示意图输出反映钢板表面亮度的信号594.相关系数函数相关系

19、数函数互相关系数函数互相关系数函数取值区间是取值区间是-1，1。规律规律完全相关完全相关两信号变化规律相同，但相位相反；完全不相关完全不相关 部分相关部分相关1-5信号的相关分析归一化处理601-6数字信号的处理与应用信号处理在实际应用中一般是通过信号采集设备得到模拟信号的离散数据序列离散数据序列，然后根据具体的信号处理任务使用计算机对数字信号实施各种运算。1、离散傅立叶变换（DiscreteFourierTransform，简称DFT）连续信号条件下的FT式为：工程实际中，实测信号难以解析表达难以解析表达和长度无限性长度无限性使得该式不具备可操作性。相应的DFT为：x(n)长度为N的时域离散

20、信号；X(k)离散频域信号，称为信号x(n)的频谱。611-6数字信号的处理与应用简谐信号的频谱与泄漏简谐信号的频谱与泄漏设有一数字信号x(n)，每个周期的采样点数为100，幅值为1。621-6数字信号的处理与应用2、DFT应用641-6数字信号的处理与应用651-7三维DFT谱的概念及应用1、三维DFT谱的概念设简谐信号的离散序列为，周期T=100，表示一个周期内的数据个数。以下是该信号在3种不同截断长度时由获得的幅频谱：数据长度，包含周期数个周期；，；，。661-7三维DFT谱的概念及应用当数字频率K和数据长度N都是变量时，该式在KN平面上定义了一个三维三维DFT谱谱。近似方波的二维幅频谱

21、和三维DFT幅值谱671-7三维DFT谱的概念及应用强噪声信号的三维DFT幅值谱681-7三维DFT谱的概念及应用2 三维三维DFT谱的特点谱的特点(1)每个频率成分的无泄漏幅值将多次出现，并且排列在一条直线上。直线的高度表示该频率成分的幅值；(2)由局部极大值构成的连线代表一个频率成分，频率值可由该直线的方向角确定；(3)不受泄漏成分的干扰，避免对频率成分的误读误判。具有一定抗噪能力，在SNR低至-10dB时，仍然能够有效判断信号的频率结构；(4)需要处理的数据量成倍增加。三维DFT谱是二维DFT频谱的扩展，对信号的频率结构可以展示的更为准确和完整691-7三维DFT谱的概念及应用3、三维D

22、FT谱的应用基于三维DFT频谱技术的小客车内部噪声分析实例频谱图中A区主要是风噪频谱；而B区为发动机噪声区，其中有一个幅度最高的“山脊”是发动机燃烧过程引起的振动噪声；相对独立的C区是胎噪，由凹凸不平的路面和轮胎花纹的冲击形成。70不同速度下车内三大噪声功率变化规律1-7二维DFT谱的概念及应用71习题：1、x(t)=20cos(0t-/4)15cos(30t-/2)10cos(50t-3/4)为某个信号的傅立叶展开式，画出其幅频图和相频图。2.当时，请说明两信号的波形、频谱结构（频率成分的组成）有何特点。3.对于图1-28所示情况，如果应力波在钢管的传播速度为5200m/s，两信号的相关函数值在时移5ms时取得0.87的最大值,请确定管道破损位置。4.在DFT应用中，频谱误差为零的条件是什么？5.1-8723.信号相关分析在工程中的应用信号相关分析在工程中的应用管道漏损位置探测1-5信号的相关分析 73