信号分析处理.ppt

信号处理初步回主目录章章 节节 结结 构构一、数字信号处理的基本步骤二、信号数字化出现的问题三、相关分析及其应用四、功率谱分析及其应用回主目录第一节 数字信号处理的基本步骤1）电压幅值调理，以适宜采样2）滤波，以提高信噪比 3）隔离信号中的直流分量 4）调制解调模拟信号经采样、量化并转化为二进制第二节 信号数字化出现的问题一、概述 设模拟信号的傅立叶变换为，为了利用计算机来计算，必须使变换成有限长的离散时间序列对进行采样和截断 采样是用一个等时距的周期脉冲序列去乘时距称为采样间隔，称为采样频率本节以计算一个模拟信号的频谱为例来说明出现的相关问题第 二 节 周期信号与离散频谱1、时域采样2、时域截断3、频域采样步骤步骤步骤步骤 一一一一产生问题相应定理时域采样时域采样混叠混叠采样定理采样定理步骤步骤步骤步骤 二二二二时域采样 采样是把连续时间信号变成离散时间序列的过程，就是等间距地取点而从数学处理上看，则是用采样函数去乘连续信号依据依据 FT的卷积特性——时域相乘就等于频域做卷积 函数的卷积特性——频域作卷积就等于频 谱的周期延拓 长度为T的连续时间信号x(t),从t=0点开始采样，得到离散时间序列x(n)为目 录其中,n=0,1,2,3,……N-1重要参数其中采样间隔的选择是个重要的问题返 回目 录混 叠 在频域中，如果平移距离过小，平移后的频谱就会有一部分相互交叠，从而使新合成的频谱与原频谱不一致，因而无法准确地恢复原时域信号，这种现象称为混叠。

一、定义二、原因（1）、采样频率 太低（2）、原模拟信号不是有限带宽的信号，即目 录三、采取措施（1） 对非有限带宽的模拟信号，在采样之前先通过模拟低通滤波器滤去高频成分，使其成为带限信号这种处理称为抗混叠滤波预处理2）满足采样定理， 返 回目 录在实际工作中，考虑实际滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率 之后总有一定的过滤带，通常取采样定理采样定理 为了避免混叠以使采样处理后仍有可能准确地恢复其原信号，采样频率 必须大于最高频率 的两倍即 ，这就是采样定理返 回目 录步骤步骤步骤步骤 二二二二产生问题相应措施时域截断时域截断泄泄 漏漏窗窗函数函数步骤步骤步骤步骤 三三三三时 域 截 断 截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数，实际是取有限长的信号，从数学处理上看，就是乘以时域的有限宽矩形窗函数依据依据 FT的卷积特性——时域相乘就等于频域做卷积，作卷积时窗函数频谱的旁瓣会引起皱波 即在时域中乘矩形窗函数，经处理后其时域、频域的关系是目 录重要参数其中窗函数的合理选择是个重要的问题返 回目 录泄 漏一、定义 由于矩形窗函数的频谱是一个无限带宽的sinc函数。

所以即使x(t)是带限信号，在截断后也仍然成为无限带宽的信号，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏二、原因（1）、窗函数的频谱是无限带宽的目 录三、采取措施（1） 采用合适的窗函数窗函数来对所截取的时域信号进行加权处理目 录常常 用用 的的 窗窗 函函 数数采用不同形式的窗函数 为了减少或抑制泄漏目 录Ⅰ、矩形窗主瓣最窄（高T，宽2/T） 旁瓣则较高（主瓣的20% ，-13dB旁瓣的率减率为20dB/10倍频程公 式目 录Ⅱ、三角窗主瓣较宽（高T/2，宽4/T）旁瓣则较低不会出现负值公 式目 录Ⅲ、汉宁窗主瓣较宽（高T/2，宽4/T）旁瓣则较低（主瓣的2.4% ，-32dB旁瓣的率减率为60dB/10倍程公 式目 录Ⅳ、指数窗公 式主瓣很宽无旁瓣非对称窗，起抑制噪声的作用返 回目 录动态演示步骤步骤步骤步骤 三三三三产生问题频域采样频域采样栅栏效应栅栏效应量 化目 录频域采样 频域采样是使频率离散化，在频率轴上等间距地取点的过程而从数学处理上看，则是用采样函数去乘连续频谱。

依据依据 FT的卷积特性——频域相乘就等于时域做卷积 函数的卷积特性——时域作卷积就等于时域波形的周期延拓 频域采样和时域采样相似，在频域中用脉冲序列乘信号的频谱函数目 录重要参数返 回目 录栅栏效应一、定义 采样的实质就是摘取采样点上对应的函数值，其效果有如透过栅栏的缝观看外景一样，只有落在缝隙 前的少数景象被看到，其余景象都被栅栏挡住，视为零这种现象称为栅栏效应二、影响（不管是时域采样还是频域采样，都有相应的栅栏效应不过时域采样对比起来时域采样如满足采样定理要求，栅栏效应不会有什么影响而频域采样的栅栏效应则影响很大，“挡住”或丢失的频率成分有可能是重要的或具有特征的成分，以致于整个处理失去意义目 录三、采取措施（1） 提高频率采样间隔，即提高频率分辨力，则栅栏效应中被挡住的频率成分越少但同时Δf=1/T是DFT算法固有的特征，在满足满足采样定理的情况下，这往往加剧频率分辨力和计算工作量的矛盾2）对周期信号实行整周期截断 返 回目 录另另另另 四四四四——有关量化和量化误差 时域采样只是把连续信号的时间离散化了。

而对于幅值如果用二进制数码组来表示，就是离散信号变成数字信号这一过程称为量化量化一般是由A/D转换器来实现的1、定义、定义2、量化误差分析、量化误差分析 设A/D转换器的位数为b,允许的动态工作范围为D，则相邻量化电平之差 （由于实际上字长的第一位常用作符号位），每个量化电平对应一个二进制目 录数码若采样点的电平落在两相邻量化之间，就必须含入到相近的一个量化电平上 一般认为，量化误差ε(n) 为在之间等概率分布 则目 录三、采取措施（1） 提高A/D转换的为数，既降低了量化误差，但A/D转换的位数选择应视信号的具体情况和量化的精度要求而定，位数增多后，成本显著增加，转换速率下降2）实际上，和信号获取、处理的其他误差相比，量化误差通常不大，所以一般可忽略其影响下 节返 回目 录一、相关系数二、自相关函数三、互相关函数第 三 节相关分析及其应用一、两随机变量的相关系数对于变量之间的相关程度常用相关系数表示之意 义目 录又利用柯西-许瓦兹不等式目 录又利用柯西-许瓦兹不等式目 录二、信号的自相关函数1、自相关函数定义过程设x(t)是某各态历经随机过程的一个样本记录， 是 x(t) 时移后的样本，在任何时刻 ，从两个样本得到两个量值 和 ，而且它们具有相同的均值和标准差。

同时把简写作，那么有目 录将分子展开并由于有对各态历经随机信号及功率信号定义自相关函数 为目 录 通过公式可知，和均随而变化，且两者成线性关系 2、 自相关函数具有的性质：1）由上是式有 又由于 所以2）自相关函数在 时为最大值，等于信号的均方值目 录3）当足够大时或时，随机变量和之间不存在内在联系，彼此无关4）自相关函数为偶函数5）周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数其幅值与原周期函数的幅值有关，但丢失相位信息例题分析例5-1求正弦函数的自相关函数，初始相角φ为一随机变量目 录解：该正弦函数的自相关函数为式中令 ，则 于是目 录 正弦函数的自相关函数是一个余弦函数，在τ=0时具有最大值，但它不随τ的增加而衰减至零它保留了原正弦信号的幅值和频率信息，而丢失了初始相位信息以下有四种典型信号的自相关函数 分析一个实例-关于某一机械加工表面粗糙度的波形。

3、工程应用 ①区别信号类型 ②检测混杂在随机信号中的周期成分返 回目 录三、信号的互相关函数1、互相关函数定义过程两个各态历经过程的随机信号x(t)和y (t)的互相关函数 定义为当时移τ足够大或τ趋于无穷时， x(t)和y (t)互不相关， 而 的最大变动范围在 之间，即目 录 如果x(t)和y (t)两信号是同频率的周期信号或者包含有同频率的成分，那么即使τ趋于无穷，互相关函数也不收敛并会出现该频率的周期成分如两信号含频率不等的周期成分，则两者不相关就是说同频相关，不同频不相关2、性 质Ⅰ、不是偶函数Ⅱ、在τ时刻取得最大值Ⅲ、若不含同频周期分量，Ⅳ、若含同频周期分量，目 录例题5-2设有两个周期信号x(t)和y (t)试求其互相关函数目 录解： 因为函数是周期信号，可以用一个共同周期内的平均值代替其整个历程的平均值，故此例可知，两个均值为0且同频率的信号，其互相关函数保留了圆频率、幅值、及相位差值信息目 录例5-3若两个周期信号的圆频率不等试求其互相关函数解：因为两信号不具有共同的周期，所以有根据正余弦函数的正交性，可知目 录例题完例题完互相关函数的性质目 录（1）、相关滤波器（2）、测速（3）、测距3、应 用4、相关函数估计目 录三节完第四节 功率谱分析及其应用 功率谱分析从频域 提供相关技术所能提供的信息。

是研究平稳随机过程的重要方法一、自功率谱密度函数二、互功率谱密度函数第四节 功率谱分析及其应用一、自功率谱密度函数1、定义及其物理意义 假定x(t)是零均值的随机过程，又假定中没有周期分量，那么当τ趋于无穷，自 相关趋于0，则自相关函数 满足傅立叶变换的条件 ，有自相关函数 的傅立叶变换和其逆变换 定义 为的自功率谱密度函数，简称自谱或自功率谱 包含着 的全部的信息因为 为实偶函数 也为实偶函数由此常用在目 录范围内 来表示信号的全部功率谱，并把称为信号x(t)的单边 功率谱， 若τ=0，则根据自相关函数和自功率谱密度函数的定义，可得到 可见，自功率谱密度函数的曲线下和频率轴所包围的面积就是信号的平均功率2、物理意义目 录3、巴塞伐尔定理 在频域中计算的信号总能量，等于在频域中计算的总能量，这就是巴塞伐尔定理即推论：目 录4、功率谱估计单边谱计算方法目 录5、工程应用 （1）分析信号的频域结构FT:X(f)功率谱：（2）可分析系统的返 回目 录二、互谱密度函数1、定义 如果自相关函数 满足傅立叶变换的条件 ，则定义称为信号和的互谱密度函数，简称互谱。

根据傅立叶逆变换，有2、互谱分析的估计对于模拟信号对于数字信号目 录3、工程应用 （1）可利用互谱求系统的 （2）可在强噪声背景下分析系统的传输特性目 录互相关目 录4、相干函数目 录结 束 正弦波的自相关函数正弦波 余弦波正弦波加随机噪声的自相关函数正弦加随机随机信号窄带随机噪声宽带随机噪声返 回。