信号的频谱分析_精品文档PPT资料.ppt

1、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态信号信号离散信号连续信号n 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

2、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异噪声信号噪声信号（非平稳非平稳）n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

3、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）复杂周期信号复杂周期信号1-1信号及其分类非周期信号：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1-2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

4、表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。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n为了研究信号的频率结构和各频率成分的幅值、相位关系，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

5、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1-2信号的时域及频域描述3246eg: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

6、发生器.exe.exe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：IFT 信号频谱分析是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。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz傅里叶傅里叶变换变换X（t）=sin（2nft）0 t0

7、 f1-3周期信号的频谱分析1-3周期信号的频谱分析周期信号特点：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。n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），

8、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。a0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/2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

9、；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1-3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？1-3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；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

10、傅里叶级数三角函数形式变为：1-3周期信号的频谱分析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-三、指数形式的傅里叶级数。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将上式代入傅立叶级数展开式，则有将上式

11、代入傅立叶级数展开式，则有:1-3周期信号的频谱分析1-3周期信号的频谱分析有傅立叶级数的复指数函数形式：1-3周期信号的频谱分析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例1-2：1-3周期信号的频谱分析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；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

12、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：离散性、谐波性和收敛性离散性、谐波性和收敛性1-3周期信号的频谱分析第四节第四节 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1-4非周期信号的频谱分析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

13、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1-4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）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

14、增加而作衰减振荡，sincx函数为偶函数，在 处其值为零。图图1-12 1-12 波形波形1-4非周期信号的频谱分析矩形窗函数的波形（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：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一、信号的

15、幅值表示均值、方差、均方值信号的均值是函数在整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*I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