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1、441.1 1.1 信号的基本概念信号的基本概念信号的基本概念信号的基本概念441.2 1.2 信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类441.3 1.3 信号的获取信号的获取信号的获取信号的获取441.4 1.4 信号的描述信号的描述信号的描述信号的描述441.5 1.5 工程信号处理系统的基本组成和功能工程信号处理系统的基本组成和功能工程信号处理系统的基本组成和功能工程信号处理系统的基本组成和功能441.6 1.6 系统和系统分析方法系统和系统分析方法系统和系统分析方法系统和系统分析方法 信号和信号处理的基本概念信号和信号处理的基本概念一、测试、信息、信号一、测试、信息、信号44测试：具有
2、试验性质的测量测试：具有试验性质的测量测试：具有试验性质的测量测试：具有试验性质的测量 试验：对未知事物的探索认识过程试验：对未知事物的探索认识过程 测量：确定被测对象的量值进行的实验过程测量：确定被测对象的量值进行的实验过程44信息：消息、情报或知识，事物运动状态或方式信息：消息、情报或知识，事物运动状态或方式信息：消息、情报或知识，事物运动状态或方式信息：消息、情报或知识，事物运动状态或方式44信号：传输信息的载体信号：传输信息的载体信号：传输信息的载体信号：传输信息的载体44获取知识，需要借助信号的传播获取知识，需要借助信号的传播获取知识，需要借助信号的传播获取知识，需要借助信号的传播1
3、.1 1.1 信号的基本概念信号的基本概念44信号：传递物理系统状态或信息的函数信号：传递物理系统状态或信息的函数信号：传递物理系统状态或信息的函数信号：传递物理系统状态或信息的函数 随时间、空间变化随时间、空间变化 一维、二维、多维一维、二维、多维 单值、多值单值、多值44电信号：一般指随时间而变化的电压或电流，也可电信号：一般指随时间而变化的电压或电流，也可电信号：一般指随时间而变化的电压或电流，也可电信号：一般指随时间而变化的电压或电流，也可以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的电磁波等以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的电磁波等以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的电磁波等以是电容的电荷，
4、线圈的磁通以及空间的电磁波等等。等。等。等。 对于原始信号是非电量的物理量，如声波、机对于原始信号是非电量的物理量，如声波、机械振动的位移、速度和加速度、应力、力矩等，也械振动的位移、速度和加速度、应力、力矩等，也往往把其转换为电信号以便传输和处理。往往把其转换为电信号以便传输和处理。4特点：单值，一维，时间的函数，特点：单值，一维，时间的函数，动态（与频率有关，非恒值）动态（与频率有关，非恒值） 二、信号测试和处理系统的一般构成二、信号测试和处理系统的一般构成 传感器、信号调理、记录存储、信号处理、显示打印输出传感器、信号调理、记录存储、信号处理、显示打印输出传感器、信号调理、记录存储、信号
5、处理、显示打印输出传感器、信号调理、记录存储、信号处理、显示打印输出 三、动态信号分析的发展三、动态信号分析的发展44动态信号分析发展的三个阶段动态信号分析发展的三个阶段动态信号分析发展的三个阶段动态信号分析发展的三个阶段 时域分析时域分析-频域分析频域分析-时频分时频分析析44信号处理方法的改进与新信号处理方法信号处理方法的改进与新信号处理方法信号处理方法的改进与新信号处理方法信号处理方法的改进与新信号处理方法 频谱校正理论的发展频谱校正理论的发展 时频分析的各种分析方法时频分析的各种分析方法44多参量测量系统的开发多参量测量系统的开发多参量测量系统的开发多参量测量系统的开发44计算机辅助测
6、试分析系统的广泛开发和应用计算机辅助测试分析系统的广泛开发和应用计算机辅助测试分析系统的广泛开发和应用计算机辅助测试分析系统的广泛开发和应用信号分析与处理的三个阶段信号分析与处理的三个阶段时域分析频域分析时频分析单频率谐波信号分析单频率谐波信号分析 自自由由衰衰减减振振动动信信号号分分 析析 两两谐谐波波信信号号叠叠加加的的情情况况分分析析多自由度衰减振动信号多自由度衰减振动信号分析分析单单一一频频率率幅幅值值调调制制信信号号的的STFT单单一一频频率率幅幅值值调调制制信信号号的的Wigner-Ville分分布布4动态信号和静态信号动态信号和静态信号4确定性信号和随机信号确定性信号和随机信号4
7、能量信号和功率信号能量信号和功率信号4模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号1.2 1.2 信号的分类信号的分类动态信号和静态信号动态信号和静态信号 动态信号动态信号：随时间变化的信号，动态信号一随时间变化的信号，动态信号一般涉及到频率、幅值和相位等因素，可分为确般涉及到频率、幅值和相位等因素，可分为确定性信号和随机信号。定性信号和随机信号。 静态信号静态信号：不随时间变化的信号，静态信号不随时间变化的信号，静态信号一般是恒值。一般是恒值。 有时我们把随时间变化非常缓慢的信号有时我们把随时间变化非常缓慢的信号(例例如温度、压力等如温度、压力等)称为准稳态信号，准稳态信称为准稳态信号，准稳态信号变
8、化的频率非常低。号变化的频率非常低。 确定性信号和随机信号确定性信号和随机信号 动态信号分类动态信号分类确定性信号确定性信号随机信号随机信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号非平稳随机信号非平稳随机信号平稳随机信号平稳随机信号准周期信号准周期信号瞬态信号瞬态信号各态历经信号各态历经信号非各态历经信号非各态历经信号确定性信号确定性信号 若信号被表示为一确定的时间函数若信号被表示为一确定的时间函数x(t)=f(t)x(t)=f(t)，对于指定的某一时刻对于指定的某一时刻t t，可可确定一相应的函数值确定一相应的函数值 x(t)x(t)，这种信号这种信号称为确定性信号或规则信号。其实质是称为确定性
9、信号或规则信号。其实质是可以用确定的数学关系来描述，例如，可以用确定的数学关系来描述，例如，我们熟知的正弦、方波和三角波等信号。我们熟知的正弦、方波和三角波等信号。确定性信号可分为周期信号和非周期信确定性信号可分为周期信号和非周期信号。号。周期信号周期信号 经过一定时间可以重复出现的信号，周经过一定时间可以重复出现的信号，周期信号包含有单频率简谐信号和复杂周期信期信号包含有单频率简谐信号和复杂周期信号。满足条件：号。满足条件：机械系统中，回转体不平衡、不对中等机械系统中，回转体不平衡、不对中等引起的振动，齿轮的啮合引起的振动，往往引起的振动，齿轮的啮合引起的振动，往往是一种周期振动。是一种周期
10、振动。周期信号周期信号单频率周期信号曲线单频率周期信号曲线单频率周期信号曲线单频率周期信号曲线 多频率周期信号曲线多频率周期信号曲线多频率周期信号曲线多频率周期信号曲线非周期信号非周期信号 非周期信号在时间上不具有非周期信号在时间上不具有周而复始的特性。当周而复始的特性。当 T 趋于无穷趋于无穷大时，大时， 周期信号变成非周期信号。周期信号变成非周期信号。非周期信号又分为准周期信号和非周期信号又分为准周期信号和瞬变非周期信号。瞬变非周期信号。准周期信号准周期信号 准周期：周期与非周期的边缘情况，准周期：周期与非周期的边缘情况，是由有限个周期而又不成公倍数的信号混是由有限个周期而又不成公倍数的信
11、号混合产生的信号。有时人们把存在有规律的合产生的信号。有时人们把存在有规律的冲击衰减信号，但不存在严格的等式关系冲击衰减信号，但不存在严格的等式关系的信号也称为准周期信号，例如，机械系的信号也称为准周期信号，例如，机械系统中，齿轮断齿、滚动轴承疲劳剥落产生统中，齿轮断齿、滚动轴承疲劳剥落产生的振动信号、浇灌大型桥梁钢筋混凝土结的振动信号、浇灌大型桥梁钢筋混凝土结构时用以增加密实性的多台激振器不同步构时用以增加密实性的多台激振器不同步引起的振动信号都是这类信号。引起的振动信号都是这类信号。瞬态信号瞬态信号 对于爆炸、弹击、地震等出对于爆炸、弹击、地震等出现的能量急速释放；电视、雷达、现的能量急速
12、释放；电视、雷达、通讯中的突发脉冲信号；机械振通讯中的突发脉冲信号；机械振动中的冲击引起的自由衰减信号动中的冲击引起的自由衰减信号都是瞬态信号。旋转机械升降速都是瞬态信号。旋转机械升降速过程，机床喘振等信号也是瞬态过程，机床喘振等信号也是瞬态信号。信号。随机信号随机信号随机信号随机信号：不能用精确的数学表达关系式描不能用精确的数学表达关系式描述的信号，任何时间述的信号，任何时间t的幅值、的幅值、 频率和相位是频率和相位是不可事先预知。随机信号包含有平稳随机信号不可事先预知。随机信号包含有平稳随机信号和非平稳随机信号和非平稳随机信号。平稳随机信号平稳随机信号 平稳随机信号指任意时间平稳随机信号指
13、任意时间 t的幅值、频率和的幅值、频率和相位虽然事先不可预知，但具有统计规律，可相位虽然事先不可预知，但具有统计规律，可以用统计规律进行分析的信号。以用统计规律进行分析的信号。非平稳随机信号非平稳随机信号非平稳随机信号没有统计特征。非平稳随机信号没有统计特征。 如果任何一个时间样本的统计特征都能代表整如果任何一个时间样本的统计特征都能代表整个时间历程，这种信号是各态历经随机信号。个时间历程，这种信号是各态历经随机信号。各态历经随机信号各态历经随机信号非各态历经随机信号非各态历经随机信号 任何一个时间样本的统计特征都不能代表整个任何一个时间样本的统计特征都不能代表整个随机过程的统计特征，这种信号
14、是非各态历经信随机过程的统计特征，这种信号是非各态历经信号。号。能量信号和功率信号能量信号和功率信号能量信号能量信号：在分析区间：在分析区间(-，)，能量为有，能量为有限的信号称为能量信号。限的信号称为能量信号。 满足条件：满足条件： 矩形脉冲在区间矩形脉冲在区间(t1，t2)内，减幅正弦波内，减幅正弦波在区间在区间(0，)内，衰减指数在区间内，衰减指数在区间(0 ，)内内都是能量信号都是能量信号能量信号和功率信号能量信号和功率信号功率信号功率信号：在分析区间在分析区间(-，)能量不是有限值，能量不是有限值，信号具有无限大能量，信号具有无限大能量， 在这种情况下，研究信号的平在这种情况下，研究
15、信号的平均功率更有意义。功率信号满足条件：均功率更有意义。功率信号满足条件：在区间在区间(t1,t2)内，信号的平均功率为：内，信号的平均功率为： 显然，一个能量信号具有零平均功率，而一个功显然，一个能量信号具有零平均功率，而一个功率信号具有无限大能量。率信号具有无限大能量。模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号模拟信号：在连续时间范围内所定义的信号，而：在连续时间范围内所定义的信号，而信号的幅值可以取连续范围内任意数值，即时间信号的幅值可以取连续范围内任意数值，即时间连续，幅值也连续的信号称为模拟信号。这种信连续，幅值也连续的信号称为模拟信号。这种信号在数学上表示为连续变量的函数，此
16、类信号也号在数学上表示为连续变量的函数，此类信号也称连续时间信号。称连续时间信号。数字信号数字信号：在时间上和幅值上都是经过量化的信：在时间上和幅值上都是经过量化的信号。数字信号总是可以用一系列的数来表示，而号。数字信号总是可以用一系列的数来表示，而每一个数又是由有限位数码来表示。离散时间信每一个数又是由有限位数码来表示。离散时间信号就是一类典型的数字信号。号就是一类典型的数字信号。信号拾取系统要特别注意下面两个问题：信号拾取系统要特别注意下面两个问题：1.1.拾取信号不失真：不失真是保证信号处拾取信号不失真：不失真是保证信号处理能得到正确结果的先决条件。不失真一般是理能得到正确结果的先决条件
17、。不失真一般是指拾取的信号在指定的频率范围内，幅值具有指拾取的信号在指定的频率范围内，幅值具有合适的动态量程，既不能太小使信噪比过低，合适的动态量程，既不能太小使信噪比过低，也不能太大超过量程，相位不因测试系统而发也不能太大超过量程，相位不因测试系统而发生变化与原始信号不一致。生变化与原始信号不一致。 2. 2.一般情况下把物理量转变为电量处理，一般情况下把物理量转变为电量处理，最好以模拟或数字电压信号为最终形式，这样最好以模拟或数字电压信号为最终形式，这样有利于后续的信号处理。有利于后续的信号处理。1.3 1.3 信号的获取信号的获取信号的获取及处理过程框图信号的获取及处理过程框图观观测测对
18、对象象传感器传感器与二次与二次仪表仪表监测仪器监测仪器磁带记录仪磁带记录仪信号信号分析分析仪仪计计算算机机打印机打印机x-y记录仪记录仪A/D1.4 1.4 信号的描述信号的描述 信号的时域描述：以时间为独立变量的信号，信号的时域描述：以时间为独立变量的信号， 其幅值随时间变化的关系。不能明显揭示信号其幅值随时间变化的关系。不能明显揭示信号 的频率组成关系。的频率组成关系。 周期方波的时域描述周期方波的时域描述 信号的频域描述：用各频率成分的幅值和相信号的频域描述：用各频率成分的幅值和相位来描述信号。通过频谱分析进行。位来描述信号。通过频谱分析进行。 周期方波应用傅立叶级数展开有：周期方波应用
19、傅立叶级数展开有：周期方波的描述周期方波的描述 信号的时频域描述：对频率变化的瞬变信号，用不同信号的时频域描述：对频率变化的瞬变信号，用不同时刻的频谱构成三维谱图来描述信号时刻的频谱构成三维谱图来描述信号。调幅信号的时频域描述调幅信号的时频域描述调频信号的时频域描述（Wigner-Vells）1.5 工程信号处理工程信号处理系统的基本组成和功能系统的基本组成和功能信号信号预处预处理理信号信号采集采集数字信数字信号处理器号处理器显示显示记录记录信号信号X(t)数据数据信息信息工程信号处理系统的基本组成图工程信号处理系统的基本组成图解调器解调器输入放大器或衰减器输入放大器或衰减器抗混滤波器抗混滤波
20、器隔直装置隔直装置 预处理是在数字信号处理之前，对信号用模预处理是在数字信号处理之前，对信号用模拟方法进行处理，目的是把信号变换成适合于拟方法进行处理，目的是把信号变换成适合于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。预数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。预处理部分主要包括以下几种设备：处理部分主要包括以下几种设备：1.信号的预处理信号的预处理采样保持电路采样保持电路时基信号发生器时基信号发生器触发系统触发系统控制器控制器现代现代A/D板具有单独的板具有单独的CPU和内存和内存3.数字信号处理器数字信号处理器：整个系统的核心，完成规定：整个系统的核心，完成规定 的各种分析与计算。的各种分析与计算
21、。4.显示结果打印显示结果打印。2.2.信号采集信号采集：将预处理以后的模拟信号变为数：将预处理以后的模拟信号变为数字信号，其核心是模字信号，其核心是模/ /数（数（A/DA/D）转换器，还包转换器，还包含下列以个部分含下列以个部分：1.6 系统和系统分析方法系统和系统分析方法4系统的概念系统的概念4常用系统分析方法常用系统分析方法4其他系统分析方法其他系统分析方法一、系统的概念一、系统的概念 系统与信号之间密切相关。从信息的获取、变换、传系统与信号之间密切相关。从信息的获取、变换、传输和提取的角度，来处理信号分析和信号通过线性系统和输和提取的角度，来处理信号分析和信号通过线性系统和内容，将信
22、号分析与系统理论有机地结合在一起。内容，将信号分析与系统理论有机地结合在一起。 “系统系统”一词原义是一词原义是“同类事物按一定关系组合的整体同类事物按一定关系组合的整体”。这里定义为：由若干个相互作用、相互依赖的事物组合而这里定义为：由若干个相互作用、相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体，称为系统。成的具有特定功能的整体，称为系统。 系统具有三个要素系统具有三个要素: 输输 入入系统特性系统特性输出输出根据不同的标准，系统可以大致分为以根据不同的标准，系统可以大致分为以下几种类型下几种类型：连续时间系统与离散时间系统连续时间系统与离散时间系统线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统时变
23、系统与非时变系统时变系统与非时变系统连续时间系统与离散时间系统连续时间系统与离散时间系统连续时间系统：连续时间系统：输入和输出都是连续时间信号输入和输出都是连续时间信号的系统，数学模型可用微分方程表示。的系统，数学模型可用微分方程表示。离散时间系统：离散时间系统：输入和输出都是离散时间信号输入和输出都是离散时间信号的系统，数学模型可用差分方程表示。的系统，数学模型可用差分方程表示。实质上一般实际的物理系统都是连续时间系统，实质上一般实际的物理系统都是连续时间系统，但在采用计算机解系统问题，处理分析信号时但在采用计算机解系统问题，处理分析信号时都要把其离散化，从而使连续系统转变为离散都要把其离散
24、化，从而使连续系统转变为离散时间系统。时间系统。线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统线性系统：满足叠加性和齐次性的系统。线满足叠加性和齐次性的系统。线性系统具有叠加性、齐次性、频率保持性性系统具有叠加性、齐次性、频率保持性叠加性 齐次性齐次性X(t)y(t)N.x(t)N.y(t) 频率保持性频率保持性 输入为某一频率的简谐波，输出必是同一频率的简谐信号输入为某一频率的简谐波，输出必是同一频率的简谐信号证明：证明： y(t)的唯的唯一解一解时变系统和非时变系统时变系统和非时变系统 如果系统的参数不随时间而变化，如果系统的参数不随时间而变化，则是则是时不变系统时不变系统，如旋转机械稳
25、态工况，如旋转机械稳态工况时。反之系统的参数随时间变化，则是时。反之系统的参数随时间变化，则是时变系统时变系统。如旋转机械升降速过程，机。如旋转机械升降速过程，机床喘振等。床喘振等。二、常用系统分析方法二、常用系统分析方法4时域分析法时域分析法4频域分析法频域分析法4其它变换域分析法其它变换域分析法线性系统具有下列两个关系表达式线性系统具有下列两个关系表达式：(1) 时域时域：h(t) 线性系统的单位脉冲响应函数线性系统的单位脉冲响应函数（2 2）频域）频域: :H( ) 线性系统的传递函数线性系统的传递函数(频响函数频响函数)常系统分析方法常系统分析方法已知微分方程求传递函数的方法：已知微分
26、方程求传递函数的方法： 函数函数 对应的傅氏变换对应的傅氏变换 不论对于系统输入、还是输出，上述关系式不论对于系统输入、还是输出，上述关系式都成立。都成立。 多自由度线性系统存在有独立的多自由度线性系统存在有独立的n个微分方程个微分方程,具有具有1个输入和个输入和n个输出，按上面的原理先对方程个输出，按上面的原理先对方程左右同时进行傅氏变换，变成含有左右同时进行傅氏变换，变成含有1 个输入傅氏个输入傅氏变换和变换和n 个输出傅立叶变换的个输出傅立叶变换的n个线性方程，消去个线性方程，消去中间项输出傅立叶变换，可得出任一输出和输入中间项输出傅立叶变换，可得出任一输出和输入的传递函数的传递函数H()。 常用系统分析方法常用系统分析方法常用系统分析方法常用系统分析方法如图示系统：如图示系统：单自由度振动系统微分方程为单自由度振动系统微分方程为： 对方程两端进行傅氏变换有：对方程两端进行傅氏变换有： 显然传递函数一般为复数显然传递函数一般为复数 常用系统分析方法常用系统分析方法其他系统分析方法其他系统分析方法 除了上述两种系统分析方法以外，还有拉氏除了上述两种系统分析方法以外，还有拉氏变换，变换，Z变换等系统分析方法。由于篇幅原因变换等系统分析方法。由于篇幅原因这里不再介绍，请参考有关文献。这里不再介绍，请参考有关文献。、。
