现代信号处理第1章-绪论课件.ppt
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- 现代 信号 处理 绪论 课件
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1、2022年12月15日机械工程学院机自所动态室1内内 容容 简简 介介 介绍现代信号处理技术的基本原理和工程实介绍现代信号处理技术的基本原理和工程实用技术。阐述平稳和非平稳信号的特点,信号用技术。阐述平稳和非平稳信号的特点,信号数学变换的本质,信号正交分解的物理意义和数学变换的本质,信号正交分解的物理意义和工程背景。工程背景。内容包括内容包括信号的时域分析、频域分信号的时域分析、频域分析、循环平稳信号分析、时频分析、小波变换析、循环平稳信号分析、时频分析、小波变换及第二代小波变换、经验模式分解等。列举了及第二代小波变换、经验模式分解等。列举了所介绍的方法和技术在工矿企业中机电设备动所介绍的方法
2、和技术在工矿企业中机电设备动态分析与监测诊断方面的应用实例。态分析与监测诊断方面的应用实例。2022年12月15日机械工程学院机自所动态室2第一章第一章 绪论绪论 1.1 现代信号处理的内容和意义现代信号处理的内容和意义1.2 信号的分类信号的分类1.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解1.4 信号处理的内积与基函数信号处理的内积与基函数 1.5 现代信号处理的应用现状与进展现代信号处理的应用现状与进展2022年12月15日机械工程学院机自所动态室3第一章第一章 绪论绪论 1.1 现代信号处理的内容和意义现代信号处理的内容和意义1.2 信号的分类信号的分类1.3 非
3、平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解1.4 信号处理的内积与基函数信号处理的内积与基函数 1.5 现代信号处理的应用现状与进展现代信号处理的应用现状与进展2022年12月15日机械工程学院机自所动态室41.1 现代信号处理的内容和意义现代信号处理的内容和意义信息反映了一个物理系统的状态或特性,是自然界、信息反映了一个物理系统的状态或特性,是自然界、人类社会和人类思维活动中普遍存在的物质和事物的人类社会和人类思维活动中普遍存在的物质和事物的属性。属性。信号处理的本质是信息的变换和提取信号处理的本质是信息的变换和提取。信息的提取就要借助各种信号获取方法以及信号处理信息的提取就
4、要借助各种信号获取方法以及信号处理技术。技术。信号测量系统和信号处理的工作内容的成本已达到装信号测量系统和信号处理的工作内容的成本已达到装备系统总成本的备系统总成本的50%-70%50%-70%。2022年12月15日机械工程学院机自所动态室51.1 现代信号处理的内容和意义现代信号处理的内容和意义信号处理技术的应用领域信号处理技术的应用领域:w 电子通讯;电子通讯;w 机械振动信号的分析与处理;机械振动信号的分析与处理;w 自动测量与控制工程领域自动测量与控制工程领域;w 语音分析、图像处理与声纳探测语音分析、图像处理与声纳探测;w 生物医学工程。生物医学工程。2022年12月15日机械工程
5、学院机自所动态室6第一章第一章 绪论绪论 1.1 现代信号处理的内容和意义现代信号处理的内容和意义1.2 信号的分类信号的分类1.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解1.4 信号处理的内积与基函数信号处理的内积与基函数 1.5 现代信号处理的应用现状与进展现代信号处理的应用现状与进展2022年12月15日机械工程学院机自所动态室71.2 信号的分类信号的分类按照信号随自变量时间的取值特点,信号可分按照信号随自变量时间的取值特点,信号可分为连续时间信号和离散时间信号:为连续时间信号和离散时间信号:1 1、连续时间信号、连续时间信号任意时间都有信号值。任意时间都有信号值
6、。2 2、离散时间信号、离散时间信号在离散的时间点上有信号值。在离散的时间点上有信号值。按照信号取值随时间变化的特点,信号可以分按照信号取值随时间变化的特点,信号可以分为确定性信号和随机信号:为确定性信号和随机信号:1 1、确定性信号、确定性信号所有参数都已经确定。所有参数都已经确定。2 2、随机性信号、随机性信号在取值时刻以前不可准确预知。在取值时刻以前不可准确预知。2022年12月15日机械工程学院机自所动态室81.2 信号的分类信号的分类1.2.1 确定性信号确定性信号 确定性信号周期信号非周期信号正弦周期信复杂周期信号准周期信号瞬态信号图图1.2.1 确定性信号的分类确定性信号的分类
7、2022年12月15日机械工程学院机自所动态室91.2 信号的分类信号的分类1.2.2 随机信号随机信号 随机信号描述的物理过程具有不可重复性和不可预测性,具有有一定随机信号描述的物理过程具有不可重复性和不可预测性,具有有一定的统计规律性。统计特征是随机信号的基本特征,常用概率分布函数和概的统计规律性。统计特征是随机信号的基本特征,常用概率分布函数和概率密度函数来描述。率密度函数来描述。图中图中t t表示时间,表示第表示时间,表示第k k次行驶所测得的加速度值,次行驶所测得的加速度值,k k=1=1,2 2,N N。t t t t2 t1 x1 x2 xN 图图1.2.2 随机振动波形记录随机
8、振动波形记录 2022年12月15日机械工程学院机自所动态室101.2 信号的分类信号的分类随机信号的分类随机信号的分类 强平稳随机信号:统计特征参数均不随时间变化;强平稳随机信号:统计特征参数均不随时间变化;弱平稳随机信号:平均值和方差不随时间变化;弱平稳随机信号:平均值和方差不随时间变化;各态历经随机信号:样本函数的所有统计特征参数等于样本集的相应各态历经随机信号:样本函数的所有统计特征参数等于样本集的相应统计特征参数(平稳随机信号)。每个样本函数在概率意义上代表了统计特征参数(平稳随机信号)。每个样本函数在概率意义上代表了所有其它的样本函数。所有其它的样本函数。图图1.2.3 随机过程的
9、分类随机过程的分类 各态历经信号 随机信号 平稳信号 非平稳信号 非各态历经信号 2022年12月15日机械工程学院机自所动态室11第一章第一章 绪论绪论 1.1 现代信号处理的内容和意义现代信号处理的内容和意义1.2 信号的分类信号的分类1.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解1.4 信号处理的内积与基函数信号处理的内积与基函数 1.5 现代信号处理的应用现状与进展现代信号处理的应用现状与进展2022年12月15日机械工程学院机自所动态室121.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 1.3.1 非平稳信号处理非平稳信号处理所谓非平稳性,
10、是指信号的统计特性与时间变化有关;所谓非平稳性,是指信号的统计特性与时间变化有关;信号的统计特性包括时域统计特性和频域统计特性信号的统计特性包括时域统计特性和频域统计特性 设备运行过程产生大量的非平稳动态信号:设备运行过程产生大量的非平稳动态信号:1 1、故障发生或发展时将导致动态信号非平稳性的出现;、故障发生或发展时将导致动态信号非平稳性的出现;2 2、变工况机电设备,其运行状态具有非平稳性;、变工况机电设备,其运行状态具有非平稳性;3 3、机电设备在运行状态的非线性及动态响应的非线性。、机电设备在运行状态的非线性及动态响应的非线性。工程中获得的动态信号,它们的平稳性是相对的、局部的,工程中
11、获得的动态信号,它们的平稳性是相对的、局部的,而非平稳性是绝对的、广泛的。而非平稳性是绝对的、广泛的。2022年12月15日机械工程学院机自所动态室131.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 1.3.1 非平稳信号处理非平稳信号处理 正因为非平稳动态信号的统计特性与时间有关,所以正因为非平稳动态信号的统计特性与时间有关,所以对非平稳信号的处理必须同时进行时域、频域分析。对非平稳信号的处理必须同时进行时域、频域分析。D.Gabor在著名的在著名的“通信理论通信理论”论文中生动形象地指论文中生动形象地指出:出:“迄今为止,通信理论的基础一直是由信号分析的两种方法组成迄
12、今为止,通信理论的基础一直是由信号分析的两种方法组成的:一种将信号描述成时间的函数,另一种将信号描述成频率的函数的:一种将信号描述成时间的函数,另一种将信号描述成频率的函数(Fourier(Fourier分析分析)。这两种方法都是理想化的。这两种方法都是理想化的。然而,我们每一天的。然而,我们每一天的经历经历特别是我们的听觉特别是我们的听觉却一直是用时间和频率两者来描述信却一直是用时间和频率两者来描述信号的。号的。”2022年12月15日机械工程学院机自所动态室141.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 历史回顾历史回顾1807年法国的热学工程师年法国的热学工程师
13、Fourier根据他的实践,提出任根据他的实践,提出任一函数都能够展成三角函数的无穷级数的思想;一函数都能够展成三角函数的无穷级数的思想;1946年年D.Gabor在傅里叶变换的基础上在傅里叶变换的基础上,提出短时傅里叶提出短时傅里叶变换的时频分析方法;变换的时频分析方法;1984年法国从事石油信号处理的工程师年法国从事石油信号处理的工程师J.Morlet为了克为了克服短时傅里叶变换的服短时傅里叶变换的时窗选择问题,时窗选择问题,首先提出非平稳信首先提出非平稳信号处理的小波变换思想。号处理的小波变换思想。我们惊奇地看到这些创新的概念都是由工程科技工作者提出的,我们惊奇地看到这些创新的概念都是由
14、工程科技工作者提出的,这是因为他们始终置身于探索自然奥秘的最前沿,能准确地探测到这是因为他们始终置身于探索自然奥秘的最前沿,能准确地探测到自然规律的脉搏。自然规律的脉搏。2022年12月15日机械工程学院机自所动态室151.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 非平稳信号处理的主要方法非平稳信号处理的主要方法短时傅里叶变换短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform)小波变换小波变换(Wavelet Transform)小波包分析小波包分析(Wavelet Package Analysis)循环平稳信号分析循环平稳信号分析(Cyclost
15、ationary Signal Analysis)经验模式分解经验模式分解(Empirical Mode Decomposition)和希和希尔伯特尔伯特-黄变换黄变换(Hilbert-Huang Transform)2022年12月15日机械工程学院机自所动态室161.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 1.3.2 信号的正交分解信号的正交分解定义定义:函数正交是指一个函数系:函数正交是指一个函数系:,其中每个函数都定义在区间其中每个函数都定义在区间a,b上的实函数或实变量的复上的实函数或实变量的复值函数,如果满足值函数,如果满足称该函数系为区间称该函数系为区间
16、a,b上的正交函数系,式中上的正交函数系,式中*表示共轭。表示共轭。如果还满足如果还满足就称该函数系为区间就称该函数系为区间a,b上的标准上的标准(规范规范)正交函数系。正交函数系。)(0t)(1t,)(tn,banmtttab0d)()(1nm(1.3.1)211()()d()d1bbmmmaatttttbaba(1.3.2)2022年12月15日机械工程学院机自所动态室171.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 1.3.2 信号的正交分解信号的正交分解函数系函数系 ,是区间是区间 上的标准正交函数系,。上的标准正交函数系,。函数在区间函数在区间 满足满足Dir
17、ichlet条件且平方可积,都具条件且平方可积,都具有有Fourier级数表达式级数表达式 常数常数 称为傅里叶系数,定义为称为傅里叶系数,定义为 tnie ,2 ,1 ,0 ,/2nT/2 ,2/TT/2 ,2/TTntninectx )(nc2/2/d)(1TTtnintetxTc(1.3.5)(1.3.6)2022年12月15日机械工程学院机自所动态室181.3 非平稳信号处理和信号的正交分解非平稳信号处理和信号的正交分解 1.3.2 信号的正交分解信号的正交分解傅里叶级数具有两个独特的性质:傅里叶级数具有两个独特的性质:1 1、函数函数 可分解为无限多个互相正交的分量可分解为无限多个互
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