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信号频域分析方法的理解(频谱、能量谱、功率谱)

频谱频谱:周期信号分解后,各分量的幅度和相位对于频率的变化,分别为幅度谱和相位谱。频谱图:将幅度和相位分量用一定高度的直线表示; 其中幅度谱图反映了信号不同频率分量的大小。 的频谱图如下f(t)的频谱图根 ......

频谱

频谱:周期信号分解后,各分量的幅度和相位对于频率的变化,分别为幅度谱和相位谱。

频谱图:将幅度和相位分量用一定高度的直线表示; 其中幅度谱图反映了信号不同频率分量的大小。


的频谱图如下




f(t)的频谱图



根据傅里叶展开形式不同,分为单边谱和双边谱

注意 要化为标准形式,即余弦形式,再求得周期即可绘图。如果转化为双边的话,振幅为偶函数,相位为偶函数。




双边频谱

能量谱

信号能量:信号(电压或电流) 在1Ω电阻上的瞬时功率为 , 在区间 的能量为 。

如果信号能量有限,即 称为能量有限信号, 简称能量信号。例如门函数,三角形脉冲,单边或双边指数衰减信号等。

帕斯瓦尔方程(能量方程)

能量密度谱:单位频率的信号能量。为了表征能量在频域中的分布情况而定义的能量密度函数 ,简称为能量频谱或能量谱。

在频带 内信号的能量为 ,因而信号在整个频率区间 的总能量为:


通过和帕斯瓦尔能量方程比较可以得出:

分析可知:能量有限信号的能量谱 与自相关函数 是一对傅里叶变换,即 。

其中 。




右边为门函数的能量谱

信号的能量谱 是 的偶函数,它只取决于频谱函数的模量,而与相位无关。单位:J·s。

功率谱

信号功率:时间 区间上信号 的平均功率,即:


功率谱:又称功率密度谱,单位频率的信号功率, 。信号的功率谱 是 的偶函数,它只取决于频谱函数的模量,而与相位无关。单位:W·s

维纳-辛钦(Wiener-Khintchine) 关系

功率有限信号的功率谱P (ω)与自相关函数R(τ) 是一对傅里叶变换,即 。

注意此时的自相关函数为

频带宽度

在满足一定失真条件下,信号可以用某段频率范围的信号来表示,此频率范围称为频带宽度

(1) 周期矩形脉冲信号,频带宽度为第一个零点,频带宽度为 ,约占总能量的90.3%。
(2) 对于一般周期信号,将幅度下降为 的频率区间定义为频带宽度。
(3) 系统的通频带>信号的带宽,才能不失真。

周期信号的频谱




周期矩阵脉冲函数

周期矩阵脉冲函数,指数形式傅里叶级数的系数为: ,




周期矩阵脉冲函数

注. ,基频: ,幅度: ,两零点间谱线数:

周期信号频谱的特点

(1) 离散性:以基频 为间隔的若干离散谱线组成;
(2) 谐波性:谱线仅含有基频 的整数倍分量;
(3) 收敛性:整体趋势减小。



脉冲函数变窄,谱线密度不变。时域压缩,频域展宽



脉冲函数周期变长,谱线变密。周期变为无穷时,过渡为非周期信号的连续频谱

频谱的收敛性

(1) 振幅是收敛的:信号的能量主要集中在低频分量中。
(2) 收敛具有不同速度: 信号连续光滑,幅度谱快速衰减。



低频反映信号的主要信息,高频表现细节。

非周期信号的频谱

当 时,周期信号非周期信号




傅里叶变换是一个周期内的频谱密度

为什么要有功率谱

既然我们可以利用傅里叶变换将时域的信号转化为频域信息,最终也能还原回时域,为什么还需要功率谱?

因为在信号的传输过程中,会加入一些噪声,而噪声是没有对应的频谱信息的,例如白噪声的频谱是一条直线。

而且在信号传输过程中,接收端收到的信号不可能和发送端一模一样,是一个随机信号。而傅里叶变换是针对确定信号的。即随机信号的频谱是不存在的。但大部分随机信号是平稳的,而平稳随机信号的功率谱是存在的。[1]


【参考文献】

信号频域分析方法的理解(频谱、能量谱、功率谱、倒频谱、小波分析)

参考

  1. ^通信原理中,为什么研究一个信号不用频谱而是用功率谱?https://www.zhihu.com/question/46719790
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