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测试信号处理-谱分析基础知识

时间:2023-07-22 01:07:00 传感器fsn04

测试信号处理 - 谱分析基础知识

简介

信号

  • 定义:信息的表达形式
  • 分类:
    • 随机确定:只能通过统计特征进行描述或分析
    • 连续性和离散性:根据信号的自变量(通常是时间)是否离散
    • 能量型号、功率信号-看看它是否绝对可积累
      e n e r g y : ∫ ∣ x ( t ) ∣ 2 d t < ∞ energy: \int |x(t)|^2dt < \infty energy:x(t)2dt<
      e n e r g y : ∑ ∣ x ( n ) ∣ 2 < ∞ energy: \sum |x(n)|^2 < \infty energy:x(n)2<
      p o w e r : 1 T ∫ 0 T ∣ x ( t ) ∣ 2 d t < ∞ power: \frac{1}{T}\int _0^T |x(t)|^2dt < \infty power:T10Tx(t)2dt<
      p o w e r : 1 N ∑ ∣ x ( n ) ∣ 2 < ∞ power: \frac{1}{N}\sum |x(n)|^2 < \infty power:N1x(n)2<
  • 离散时间傅里叶变换:运用在离散确定信号。之后本门课主要接触离散随机信号

信号与测试系统

测试

测试信号分析任务

  • 软件处理的功能:
    • 信号采集、显示、存储
    • 去噪:微小运动产生基线漂移的低频干扰,还有高频和工频
    • 波形检测(参数提取):模式识别
    • 实际应用

测试信号分析与处理的理论

  1. 信号与系统

    • 信号采集(AD、抽样定理、多抽样率)
    • 系统分析(系统描述、传递函数、转移函数、单位冲击响应)
    • 线性系统理论(系统激励和响应的关系)
  2. 测试信号分析

    • 信号分析(变换技术、时频域分析)
    • 信号的估计(针对随机信号、估计理论、相关函数和谱功率估计)
    • 信号建模(AR、MA、ARMA)
    • 快速算法(FFT、FC、R)
  3. 测试信号处理

    • 滤波技术
    • 特殊算法——抽取、差值、信号重建

测试信号分析与处理的实现

  1. 流程:信号-传感器-放大器-AD-DSP(数字信号处理装置)-DA
  2. 应用:略

离散傅里叶变化(DFT)

一个很好的参考,对FT、DFT的讲解

基础公式

对于有限长度序列(一维信号),傅里叶变换,拉普拉斯变换,Z变换与离散傅里叶变换分别用以下三个关系式表示

X ( e j ω ) = ∑ 0 n = N − 1 x ( n ) e j − ω n X(e^jω)= ∑^{n=N-1}_0 x(n) e^{j-ωn} X(ejω)=0n=N1x(n)ejωn
X ( z ) = ∑ 0 n = N − 1 x ( n ) z − n X(z)= ∑^{n=N-1}_0 x(n)z^{-n} X(z)=0n=N1x(n)zn
X ( k ) = ∑ 0 n = N − 1 x ( n ) e − j k 2 π n N X(k)= ∑^{n=N-1}_0 x(n) e^{-jk\frac{2πn}{N}} X(k)=0n=N1x(n)ejkN2πn

离散傅里叶变换逆变换是
x ( n ) = 1 N ∑ 0 k = N − 1 X ( k ) e j k 2 π n N x(n)= \frac{1}{N}∑^{k=N-1}_0 X(k) e^{jk\frac{2πn}{N}} x(n)=N10k=N1X(k)ejkN2πn
核函数多个负号,多一个参数 1 N \frac{1}{N} N1,也有更一致的形式(都乘 1 N \frac{1}{\sqrt{N}} N 1)

Z变换注记:z域是s域的进一步映射,z变换和拉普拉斯变换通过某种映射连接在一起

欧拉公式: e i x = c o s x + i s i n x e^{ix}=cosx+isinx eix=cosx+isinx

奇异函数: δ ( 0 ) = ∞ \delta(0)=\infty δ(0)=(1/dt)

∫ ∞ ∞ e ± j Ω t = 2 π δ Ω \int^{\infty}_{\infty}e^{\pm j\Omega t}=2\pi\delta{\Omega} e±jΩt=2πδΩ
∫ δ ( t ) x ( t ) = x ( 0 ) \int \delta(t)x(t)=x(0) δ(t)x(t)=x(0)


四种傅里叶变换

FS 傅里叶级数 连续+周期

X ( K Ω 0 ) = 1 T ∫ − T 2 T 2 x ( t ) e − j k Ω 0 t d t X(K\Omega_0)= \frac{1}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}} x(t) e^{-jk\Omega_0 t}dt X(KΩ0)=T12T2Tx(t)ejkΩ0tdt
x ( t ) = ∑ k = − ∞ ∞ X ( k Ω 0 ) e j k Ω 0 t x(t)= \sum^{\infty}_{k=-\infty} X(k\Omega_0) e^{jk\Omega_0 t} x(t)=k=X(kΩ0)ejkΩ0t

频谱是离散的谱,所以不能使用积分进行反变换,换言之是通过 δ \delta δ函数将其梳开。
频谱间隔是 Ω 0 = 2 π T \Omega_0=\frac{2\pi}{T} Ω0=T2π,如果周期趋近于无限大就会变成连续谱

exp:周期方波函数的傅里叶级数: X ( k Ω 0 ) = A τ T s i n ( k Ω 0 τ / 2 ) k Ω 0 τ / 2 X(k\Omega_0)=\frac{A\tau}{T}\frac{sin(k\Omega_0\tau/2)}{k\Omega_0\tau/2} X(kΩ0)=TAτkΩ0τ/2sin(kΩ0τ/2),其中 τ \tau τ是窗宽,A是幅值

规律:时域连续周期、频域离散非周期。

存在条件: p o w e r : 1 T ∫ 0 T ∣ x ( t ) ∣ 2 d t < ∞ power: \frac{1}{T}\int _0^T |x(t)|^2dt < \infty power:T10Tx(t)2dt<

FT 傅里叶变换 连续+非周期

X ( j Ω ) = ∫ − ∞ ∞ x ( t ) e − j Ω t d t X(j\Omega)= \int^{\infty}_{-\infty}x(t) e^{-j\Omega t}dt X(jΩ)=元器件数据手册IC替代型号,打造电子元器件IC百科大全!

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