2.1信号的分类2.2信号的时域波形分析

1、 信号分析基础信号分析基础 主讲主讲： 刘爱华刘爱华能源与动力工程学院油气储运工程系能源与动力工程学院油气储运工程系第二章、信号分析基础第二章、信号分析基础本章学习内容：本章学习内容：1.1.了解信号及其分类方法了解信号及其分类方法 2.2.掌握信号时域波形分析方法掌握信号时域波形分析方法3.3.掌握信号时差域相关分析方法掌握信号时差域相关分析方法4.4.掌握信号频域频谱分析方法掌握信号频域频谱分析方法5.5.了解其它信号分析方法了解其它信号分析方法【知识点知识点】信号及其分类方法【重点重点】信号及其分类方法信号时域分析方法（相关分析方法）信号频域分析方法（傅里叶变换）数字信号处理方法（离散傅

2、里叶变换）信号时域分析方法信号频域分析方法数字信号处理方法 一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。信息转换信息转换信息提取信息提取概述概述 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 概述概述简谐振动信号测试系统结构框图 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 概述概述对于不同的被测参量，测试系统的构成及作用原理可以不同；根据测试任务的复杂程度，一个测试系统也可以有简单和复杂之分；根据不同的作用原理，测试系统可以是机械的、电的、液压的等等。2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 概述概述在对待属性各异的各类测试系统中，常常略去系统具体的物理

3、上的含义，而将其抽象为一个理想化的模型，目的是为了得到一类系统共性的规律。将系统中变化着的各种物理量，如力、位移、加速度、电压、电流、光强等称为信号。2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 概述概述 因此，信号与系统是紧密相关的。信号按一定的规律作用于系统，而系统在输入信号的作用下，对它进行“加工”，并将该“加工”后的信号进行输出。通常将输入信号称为系统的激励，而将输出信号称为系统的响应。 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 概述概述 例如：质量弹簧系统在受到一个激励后的运动状况，可以通过系统质量块的位移时间关系来描述。反映质量块位移的时间变化过程的信号则包含了该系统的

4、固有频率和阻尼比的信息。 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 概述概述 噪声的概念：噪声也是一种信号 ；任何干扰对信号的感知和解释的现象称为噪声。 信号与噪声的区别纯粹是人为的，且取决于使用者对两者的评价标准。 例：齿轮噪声 信号理论必须包括噪声理论。 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 信号的分类主要是依据信号的分类主要是依据信号波形特征信号波形特征来划分的，在介绍信来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。号分类前，先建立信号波形的概念。信号波形：信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号被测信号

5、信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。的波形。波形波形2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 2.1 2.1 信号的分类信号的分类0At信号波形图：信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究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：是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为： 1 1 从信号描述上分从信号描述上分-确定性信号与非

6、确定性信号；确定性信号与非确定性信号；2 2 从信号的幅值和能量上（能量特征）从信号的幅值和能量上（能量特征）-能量信号与功率信号；能量信号与功率信号；3 3 从分析域上从分析域上-时域与频域；时域与频域；2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 4 4 从连续性从连续性-连续时间信号与离散时间信号；连续时间信号与离散时间信号；5 5 从可实现性从可实现性 -物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号与物理不可实现信号。2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 1 1 确定性信号与非确定性信号确定性信号与非确定性信号 可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。可以用明确

7、数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。信号沿信号沿时间轴演变的特性所作的一种分类时间轴演变的特性所作的一种分类2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号 x ( t )x ( t ) = = x ( t + nT )x ( t + nT )mkAx(t) 00sintmkxtx复杂周期信号复杂周期信号简单周期信号简单周期信号2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 b) b) 非周期信号：不会重复出现的信号。非周期

8、信号：不会重复出现的信号。 准周期信号准周期信号: :由多个周期信号合成，其中至少有一对频率比由多个周期信号合成，其中至少有一对频率比不是有理数。如：不是有理数。如：瞬态信号瞬态信号: :持续时间有限的信号，如持续时间有限的信号，如mAx(t )ck 00sintmkxetxt 00sinsin2x ttt2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 c)c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。 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

9、信号噪声信号(非平稳非平稳)2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 2 能量信号与功率信号能量信号与功率信号 a)a)能量信号能量信号 在所分析的区间（在所分析的区间（-，），能量为有限值），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：的信号称为能量信号，满足条件： dttx)(2一般一般持续时间有限的持续时间有限的瞬态信号是能量信号。瞬态信号是能量信号。2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 b)b)功率信号功率信号 在所分析的区间（在所分析的区间（-，），能量不是有），能量不是有限值此时，研究信号的平均功率更为合适。限值此时，研究信号的平均功率更为合适。 一般一般持续时间

10、无限持续时间无限的信号都属于功率信号的信号都属于功率信号: :TTTTdttx)(lim2212.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 3 时限与频限信号时限与频限信号 a) a) 时域有限信号时域有限信号在时间段在时间段 (t1(t1，t2)t2)内有定义，其外恒等于零内有定义，其外恒等于零 b) b) 频域有限信号频域有限信号在频率区间在频率区间(f1(f1，f2 )f2 )内有定义，其外恒等于零内有定义，其外恒等于零 三角脉冲信号三角脉冲信号正弦波幅值谱正弦波幅值谱2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 4 连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号 a) a

11、) 连续时间信号连续时间信号: :在所有时间点上有定义在所有时间点上有定义 b)b)离散时间信号离散时间信号: :在若干时间点上有定义在若干时间点上有定义2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 4 连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号 2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 5 物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件：物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件： t t0 0时，时，x(t) = 0 x(t) = 0， 即在时刻小于零的一侧全为零。即在时刻小于零的一侧全为零。2.1 2.1 信号

12、的分类与描述信号的分类与描述 b) b) 物理不可实现信号：在事件发生前物理不可实现信号：在事件发生前(t0)(t0)就预制就预制知信号。知信号。5 物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号与物理不可实现信号2.1 2.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 时域分析法 ：主要反映信号的幅值随时间变化的特征。 分析系统时，除采用经典的微分或差分方程外，还引入单位脉冲响应和单位序列响应的概念，借助于卷积积分的方法。 频域分析法：将信号和系统的时间变量函数或序列变换成对应频率域中的某个变量的函数，来研究信号和系统的频域特性 。对于连续系统和信号来说，常采用傅里叶变换和拉普拉斯变换；对于离散系统

13、和信号则采用Z变换。频域分析法将时域分析法中的微分或差分方程转换为代数方程，给问题的分析带来了方便。信号的分析方法信号的分析方法 2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 实际信号的形式常常是比较复杂的。因此常常将复杂的信号分解成某些特定类型（易于实现和分析 ）的基本信号之和 ，如正弦信号、复指数型信号、阶跃信号、冲激信号等等 。信号的频域描述即是将一个时域信号变换为一个频域信号，将该信号分解成一系列基本信号的频域表达形式之和，从频率分布的角度出发研究信号的结构及各种频率成分的幅值和相位关系。信号的分析方法信号的分析方法2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 时域描述

14、直观地反映信号随时间变化的情况频域描述侧重描述信号的组成成分无论采用哪一种描述法,同一信号均含有相同的信息量,不会因采取不同的方法而增加或减少原信号的信息量.信号的分析方法信号的分析方法2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，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。读取特征参数。 2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 一、信号波形图一、信号波形图 1 1 、周期周期T T，频率，频率f=1/Tf=1/T2 2、峰值、峰值

15、P P：信号在时间信号在时间T T内的最大值内的最大值AtT PPp-p3 3、双峰值、双峰值Pp-pPp-p：信号在时间信号在时间T T内的最大值与最小值之差内的最大值与最小值之差2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 4、均值、均值TTTxdttxtxE01)(lim)( 均值均值Ex(t)Ex(t)表示集合平均值或数学期望值。表示集合平均值或数学期望值。均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。直流分量。x2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 5、均方值、均方值 信号的均方值信号的均方值Ex2(t)Ex2(t)

16、，表达了信号的强度；，表达了信号的强度；其正平方根值，又称为有效值其正平方根值，又称为有效值(RMS)(RMS)，也是信号，也是信号平均能量的一种表达。平均能量的一种表达。 22120 xTTTE xtxt dt ( )lim( )2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 6、方差、方差方差：反映了信号绕均值的波动程度。方差：反映了信号绕均值的波动程度。 信号信号x(t)x(t)的方差定义为：的方差定义为： 22120 xTTxTE x tE x tx tdt ( ( ) ( ) lim( ( )大方差大方差 小方差小方差 222xxx 2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 2.2 2.2 信号的时域波形分析信号的时