Chapter6随机信号的相关和功率谱分析
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信号的功率谱分析1、功率谱密度函数的定义对于随机信号)(t x ,由于其任一样本函数都是时间的无限的函数,一般不能满足傅里叶变换的存在条件(即积分⎰∞∞-dt t x )(必须收敛)。
如果将样本函数取在一个有限区间]2,2[T T -内,如图所示,令在该区间以外的0)(=t x ,则积分⎰∞∞-dt t x )(收敛,满足傅里叶变换条件,变换后用功率谱密度函数表示。
2、功率谱密度函数(又称功率谱)的物理意义是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述。
功率谱表示振动能量在频率域的分解,其应用十分广泛。
功率谱的横坐标是频率,纵坐标是实部、虚部的模的平方。
功率谱密度函数作为随机信号在频域内描述的函数。
对于随机信号而言,它不存在频谱函数,只存在功率谱密度函数(功率大小在频谱中反映为频谱的面积)。
时域中的相关分析为在噪声背景下提取有用信息提供了途径。
功率谱分析则从频域提供相关技术所能提供的信息,它是研究平稳随机过程的重要方法。
3.功率谱密度函数的应用(1)结构各阶固有频率的测定 工程结构特别是大型结构(如高层楼房、桥梁、高塔和重要机械设备等)要防止共振引起的破坏,需要测定其固有频率。
如果对结构加以激励(或以大地的脉动信号作为激励信号),即可测定结构的响应(振动信号),再对响应信号作自功率谱分析,便可由谱图中谱峰确定结构的各阶固有频率。
(2)利用功率谱的数学特点求取信号传递系统的频率响应函数。
(3)作为工业设备工作状况的分析和故障诊断的依据 根据功率谱图的变化,可以判断机器设备的运转是否正常。
同时.还可根据机器设备正常工作和不正常工作时,振动加速度信号的功率谱的差别,查找不正常工作时,功率谱图中额外谱峰产生的原因以及排除故障的方法。
自功率谱密度函数定义及其物理意义假如)(t x 是零均值的随机过程,即0=x μ(如果原随机过程是非零均值的,可以进行适当处理使其均值为零)又假设)(t x 中没有周期分量,那么当∞→τ,0)(→τx R 。
三、功率谱分析字体[大][中][小]周期信号的功率谱为其双边幅值频谱的平方|c n|2;非周期信号的功率谱为其幅值谱密度的平方|X(ω)|2=X(ω)X*(ω)。
随机信号属于时域无限信号,其频率、幅值和相位为随机变量。
因而,采用具有统计特性的功率谱估计进行谱分析(一)自功率谱密度及其估计各态历经随机信号的功率谱密度S x(ω)与自相关函数R x(τ)为傅里叶变换偶对,即为了方便,也可用在非负频率范围内(ω>0)定义的单边功率谱密度G x(ω)代替双边功率谱密度S x(ω),两者之间的关系为自功率谱估计可分为线性估计法与非线性估计法。
前者以快速变换为基础,应用较早,也称为经典谱分析法; 后者是与时序模型结合的一种新方法,又称为现代谱分析方法。
1. 周期图各态历经随机信号的均方值ψx2为信号能量的时域描述。
巴什瓦定理表明,信号能量的时域计算与频域计算相等,即由此定义自功率谱密度及其估计为:式中表12-45 典型信号的自相关、频谱、概率密度(续)X(ω)为测试数据x(t)的傅里叶变换,X(k)为N个数据x(n)的离散傅里叶变换,由FFT 直接求出。
由于X(k)具有周期函数的性质,所以称由此获得的自功率谱估计为周期图。
自相关估计x′(r)的快速傅里叶变换可作为自功率谱估计的另一计算公式以上两种估计都是自功率谱S x(ω)的有偏估计,只是偏差大小不同。
两种估计在时域对数据或对自相关估计进行截断,相当于加窗处理,致使谱估计成为真实功率谱(或称为真功率谱)与窗谱W(ω)的卷积,即Ŝx(ω)=S x(ω)*W(ω)窗谱旁瓣的泄漏效应和卷积的作用使真功率谱的尖峰数值变化,邻近点的数值变大,造成谱估计的模糊与失真以上两种估计的方差较大; 相距2π/N的各点估计值互不相关,故数据点数N越大,这些点的估计值的随机起伏越严重。
为改善谱估计的估计质量,在增大数据点数的同时,采用平均化处理和窗处理方法减小谱估计的方差。
实验报告实验课程:数字信号处理实验开课时间:2020—2021 学年秋季学期实验名称:随机信号功率谱分析实验时间: 2020年9月30日星期三学院:物理与电子信息学院年级:大三班级:182 学号:1843202000234 姓名:武建璋一、实验预习实验目的要求深刻理解随机信号的特性,掌握随机信号功率谱估计的基本原理,灵活运用各种随机信号功率谱估计的基本方法。
实验仪器用具装有Matlab的计算机一台实验原理功率谱估计是随机信号处理中的一个重要的研究和应用领域.功率谱估计基本上可以非参数估计的经典方法和参数估计的近代方法.典型功率谱估计是基于FFT 算法的非参数估计,对足够长的记录数据效果较好。
在工程实际中,经典功率谱估计法获得广泛应用的是修正期图发。
该方法采取数据加窗处理再求平均的办法。
通过求各段功率谱平均,最后得到功率谱计P(m),即:式中:为窗口函数ω[k]的方差。
K表示有重叠的分数段。
由于采用分段加窗求功率谱平均,有效地减少了方差和偏差,提高了估计质量,使修正周期图法在经典法中得到普遍应用。
但在估计过程存在两个与实际不符的假设,即(1)利用有限的N个观察数据进行自相关估计,隐含着在已知N个数据之外的全部数据均为零的假设。
(2)假定数据是由N个观察数据以N为周期的周期性延拓。
同时在计算过程中采用加窗处理,使得估计的方差和功率泄露较大,频率分辨率较低,不适用于短系列的谱分析和对微弱信号的检测。
近代谱估计是建立在随机信号参数模型的基础上,通过信号参数模型或预测误差滤波器(一步预测器)参数的估计,实现功率谱估计。
由于既不需要加窗,又不需要对相关函数的估计进行如经典法那样的假设,从而减少公里泄露,提高了频谱分辨率。
常用的参数模型有自回归(AR)模型、滑动平均(MA)模型、自回归滑动平均(ARMA)模型。
其中AR模型是基本模型,求解AR模型的参数主要有L—D算法和Burg算法。
1.某随机信号由两余弦信号与噪声构成x(t)=cos(20*pi*t)+cos(40*pi*t)+s(t)式中:s(t)是均值为0、方差为1的高斯白噪声。