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信号处理何正嘉
信号的时域分析
信号的预处理
传感器获取的信号往往比较微弱,并伴随着各种噪声。
不同类型的传感器,其输出信号的形式也不尽相同。
为了抑制信号中的噪声,提高检测信号的信噪比,便于信息提取,须对传感器检测到的信号进行预处理。
所谓信号预处理,是指在对信号进行变换、提取、识别或评估之前,对检测信号进行的转换、滤波、放大等处理。
常用的信号预处理方法
信号类型转换
信号放大
信号滤波
去除均值
去除趋势项
理想低通滤波器具有矩形幅频特性和线性相位特性。
经典滤波器
定义:当噪声和有用信号处于不同的频带时,噪声通过滤波器将被衰减或消除,而有用信号得以保留
现代滤波器
当噪声频带和有用信号频带相互重叠时,经典滤波器就无法实现滤波功能
现代滤波器也称统计滤波器,从统计的概念出发对信号在时域进行估计,在统计指标最优的意义下,用估计值去逼近有用信号,相应的噪声也在统计最优的意义下得以减弱或消除
将连续信号转换成离散的数字序列过程就是信号的采样,它包含了离散和量化两个主要步骤
采样定理:为避免混叠,采样频率(s 必须不小于信号中最高频率(max 的两倍,一般选取采样频率(s为处理信号中最高频率的2.5~4倍
量化是对信号采样点取值进行数字化转换的过程。量化结果以一定位数的数字近似表示信号在采样点的取值。
信号采样过程须使用窗函数,将无限长信号截断成为有限长度的信号。
从理论上看,截断过程就是在时域将无限长信号乘以有限时间宽度的窗函数
数字信号的分辨率包括时间分辨率和频率分辨率
数字信号的时间分辨率即采样间隔(t ,它反映了数字信号在时域中取值点之间的细密程度
数字信号的频率分辨率为((=2(/T
频率分辨率表示了数字信号的频谱在频域中取值点之间的细密程度
常用的时域参数和指标
1) 均值;2) 均方值;3) 均方根值;4) 方差;
5) 标准差;6) 概率密度函数;7) 概率分布函数;
8) 联合概率密度函数等
有量纲参数指标包括方根幅值、平均幅值、均方幅值和峰值四种
无量纲参数指标包括了波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕度指标
有量纲参数指标不但与机器的状态有关,且与机器的运动参数如转速、载荷等有关。
而无量纲参数指标具有对信号幅值和频率变化均不敏感的特点。这就意味着理论上它们与机器的运动条件无关,只依赖于概率密率函数的形状。
所谓相关,就是指变量之间的线性联系或相互依赖关系。
如果信号随自变量时间的取值相似,内积结果就大。反之亦然。可定义信号的相关性度量指标。
信号x(t)的自相关函数和自相关系数定义为
自相关分析的应用
信号中的周期性分量在相应的自相关函数中不会衰减,且保持了原来的周期。因此,自相关函数可从被噪声干扰的信号中找出周期成分
在用噪声诊断机器运行状态时,正常机器噪声是由大量、无序、大小近似相等的随机成分叠加的结果,因此正常机器噪声具有较宽而均匀的频谱。当机器状态异常时,随机噪声中将出现有规则、周期性的信号,其幅度要比正常噪声的幅度大得多。用噪声诊断机器故障时,依靠自相关函数 就可在噪声中发现隐藏的周期分量,确定机器的缺陷所在
互相关函数可定义为
互相关函数 的性质如下
信号的频域分析
傅里叶变换
傅里叶逆变换
可写成
| |为信号的连续幅值谱, 为信号的连续相位谱
非周期信号的幅值谱| X(w)|和周期信号的幅值谱
Cn很相似,但两者是有差别的
Cn|的量纲与信号幅值的量纲一样;
| X(w)|的量纲与信号幅值的量纲不一样,它是单位频带dw上的幅值。
傅里叶变换的性质
相干函数的工程应用
(1) 判断系统输出与某特定输入的相关程度。
利用相干函数可发现系统是否还有其它输入干扰及系统的线性程度。
(2)谱估计和系统动态特性的测量精度估计。
在计算传递函数的幅频特性及相频特性时,辅以相干函数分析,可以分析出机械系统和基础振动的传递特性,为结构动态分析提供依据。
得到新的长度为N的复序列{ Rn}
对序列 {Rn}进行FFT变换,得到中心频率为Wk 带宽W2-W1的细化谱
信号调制与解调分析
当机械出现故障时,信号中包含的故障信息往往以调制的形式出现,提取调制信号的过程就是信号的解调。
由于经典的频谱分辨率低,方差性不好,频谱能量泄露,需要较长的原始数据等不足,需要建立参数模型频谱估计
随机信号Xt的参数模型频谱估计的步骤可以分为以下三步:
(1) 对给定的随机信号确定合理的参数模型;
(2) 根据信号的自相关函数估计所确定的模型的参数;
(3) 用估计出的模型参数计算信号的功率谱密度函数。
自回归(Auto-regressi
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