信号时频分析课件

1、 信号时频分析 确定性或平稳随机信号的分析特点 基于DFT变换取样适当或长度足够可提高分析精度分析信号单独在时域或单独在变换域的特性 信号时频分析 确定性或平稳随机信号的分析特点 基于DFT增加取样长度提高分析精度的实例增加取样长度提高分析精度的实例时变信号的特点 信号特性随时间变化而变化 确定性时变信号系统 非平稳随机信号 非平稳信号的频谱与时间位置有着密切关系 非平稳信号的频谱随着取样长度的增加并不逐渐收敛时变信号的特点 信号特性随时间变化而变化 确定性时变信号系统增加采样长度对时变信号DFT分析的结果 增加采样长度对时变信号DFT分析的结果 时变信号的分析方法 需采用时频联合分析方法 短

2、时傅里叶变换STFT 戈勃（Gabor）变换 小波变换（Wavelet Transform，WT） WVD（WignerVille Distribution）分布 Cohen类时频分布 时变信号的分析方法 需采用时频联合分析方法 短时傅里叶变换S101时频分析中的基本概念 分析窗的局域化指标 非平稳信号的加窗取样：期望时域和频域窗同时最小 101时频分析中的基本概念 分析窗的局域化指标 非平稳时域局域化指标 分析窗关于能量的时间中心 信号的持续时间（等效时域宽度） 例高斯窗 时域局域化指标 分析窗关于能量的时间中心 信号的持续时间（等频域局域化指标 分析窗的平均频率 信号的带宽 例高斯窗 频域

3、局域化指标 分析窗的平均频率 信号的带宽 例高斯窗 不确定性原理 窄（短持续时间）的波形必然产生宽的频谱 宽（长持续时间）的波形必然产生窄的频谱 最小不确定性时间带宽乘积的分析窗是高斯型信号 不确定性原理 窄（短持续时间）的波形必然产生宽的频谱 宽（长谱密度的非相加性 谱密度的非相加性 瞬时频率和复信号瞬时频率的定义 复解析信号 实数信号频谱分析 关于X轴对称 平均频率等于零 频谱的负频率轴并没有新息 瞬时频率和复信号瞬时频率的定义 复解析信号 实数信号频谱分析解析信号 频谱在负频率轴的值等于零实数信号转换成解析信号的过程 求其傅里叶逆变换即可得解析信号解析信号 频谱在负频率轴的值等于零实数信

4、号转换成解析信号的过多分量信号 单分量信号在任一瞬间只有一个频率分量 多分量信号在某瞬间可同时存在二个或以上的频率成份 多分量信号 单分量信号在任一瞬间只有一个频率分量 多分量信号短时相关和时变谱 短时自相关 时变功率谱：Wiener-Khintchine定理 短时相关和时变谱 短时自相关 时变功率谱：Wiener-K102连续短时傅里叶变换 连续STFT变换的时域定义 分析信号 分析窗 STFT变换 102连续短时傅里叶变换 连续STFT变换的时域定义 分析STFT变换的图解过程 STFT变换的图解过程 连续STFT变换的频域定义 连续STFT变换的频域定义 连续STFT变换的时频分析过程

5、连续STFT变换的时频分析过程 连续STFT变换的特殊情形 短时傅里叶变换退化成一般傅里叶变换 短时傅里叶变换退化成时域信号 连续STFT变换的特殊情形 短时傅里叶变换退化成一般傅里叶变连续STFT逆变换 加窗 计算加窗短时傅里叶变换的傅里叶逆变换 完全重构信号的条件 连续STFT逆变换 加窗 计算加窗短时傅里叶变换的傅里叶逆变连续STFT变换分析傅里叶变换的绝大多数性质都适用于短时傅里叶变换 信号在矩形区域 内的瞬时功率等于 STFT变换结果 用色谱图（谱图Spectgram）或三维图形形式表示 连续STFT变换分析傅里叶变换的绝大多数性质都适用于短时傅里103序列信号的短时傅里叶变换 序列

6、信号STFT变换的定义 分析信号 分析窗 STFT变换 103序列信号的短时傅里叶变换 序列信号STFT变换的定义序列信号的STFT逆变换 n时刻 的傅里叶逆变换 当n=m,w(m)不等于0 序列信号的STFT逆变换 n时刻 的从滤波角度分析序列STFT变换 固定频率处STFT的滤波实现形式 从滤波角度分析序列STFT变换 固定频率处STFT的滤波实现不同频率处STFT的滤波实现形式 不同频率处STFT的滤波实现形式 STFT固定频率处的另一种滤波实现形式 STFT固定频率处的另一种滤波实现形式 第二种STFT滤波实现结构的完整结构 第二种STFT滤波实现结构的完整结构 STFT滤波实现结构中

7、频率点的选择保证扫描整个频率轴，频点间隔需小于分析窗带宽STFT滤波实现结构中频率点的选择保证扫描整个频率轴，频点间104离散短时傅里叶变换 离散STFT变换的定义 分析信号 分析窗 STFT变换 104离散短时傅里叶变换 离散STFT变换的定义 分析信号STFT频域采样的要求 是一个序列长度等于Nw的短时序列 离散STFT等效对短时序列周期延拓 据DFT理论，频域最小采样长度是Nw 逆离散STFT变换 STFT频域采样的要求 是一个序列长度等于N加窗区间的选择n0时刻的短时序列 n0时刻的离散短时傅里叶变换 当 时可由短时傅变重构短时序列 重建完整信号 分析窗滑动间隔R需满足：考虑分析窗滑动

8、间隔R后的STFT变换加窗区间的选择n0时刻的短时序列 n0时刻的离散短时傅里叶变离散STFT变换的二维分布 离散STFT变换的二维分布 Matlab用于离散STFT变换的分析函数 specgram（x，nfft，windows（Nw），overlap） Matlab用于离散STFT变换的分析函数 specgram例10-3-1 试用短时傅里叶变换分析线性调频信号的频谱图 fs = 10000;t = 0:1/fs:2;x = vco(sawtooth(2*pi*t,.75),0.1 0.4*fs,fs);specgram(x,512,fs,kaiser(256,5),220) 例10-3-1

9、 试用短时傅里叶变换分析线性调频信号的频谱分析窗长度的选择 时域分辨率低时域分辨率高频域分辨率低频域分辨率高(a)(b)分析窗长度的选择 时域分辨率低时域分辨率高频域分辨率低频域分105其它时频分析方法 戈勃（Gabor）变换 用窗函数对时频相平面直接进行分割 设窗函数g(t)时频局域化区间 窗函数对时频相平面的分割 105其它时频分析方法 戈勃（Gabor）变换 用窗函数对Gabor 变换窗函数时间方向移动n步，频率方向移动k步Gabor基：当 信号可按Gabor基唯一展开称Gabor变换系数 称时频欠采样Gabor 变换窗函数时间方向移动n步，频率方向移动k步Ga戈勃（Gabor）变换和STFT的关系 函数 满足完备性条件 STFT变换Gabor变换等效对连续STFT变换在时域和频域进行二维抽样 戈勃（Gabor）变换和STFT的关系 函数 满足完二次型时频分布 当信号具有很强的非平稳性时，采用短时傅里叶变换分析方法时，必须选用很短的分析窗。而短分析窗的频率分辨率很