功率谱密度(功率信号)、能量谱密度(能量信号)详解

功率密度(功率信号)、能量谱密度(能量信号)详解⼀、能量信号和功率信号
根据信号可以⽤能量式或功率式表⽰可分为能量信号和功率信号。
能量信号,如各类瞬变信号。
在⾮电量测量中,常将被测信号转换为电压或电流信号来处理。显然,电压信号加在单位电阻(R=1时)上的瞬时功率
为P(t)= 。瞬时功率对时间积分即是信号在该时间内的能量。通常不考虑量纲,⽽直接把信号的平⽅及其对时间的积分分别称为信号的功率和能量。当x(t)满⾜
gg-238功率信号,如各种周期信号、常值信号、阶跃信号等。
若x(t)在区间(-, )的能量⽆限,不满⾜(1.3)式条件,但在有限区间(-T/2,T/2)满⾜平均功率有限的条件
⼆、频谱和频谱密度
频谱密度:设⼀个能量信号为s(t),则它的频谱密度S (w )可以由付⽒变换求得。
S(w)=F(s(t))曹冲智救库吏
能量信号的频谱密度S (f )和功率信号C (jnw )(⽐如⼀个周期信号)的频谱主要区别有:
(1)S (f )是连续谱,⽽C (jnw )是离散谱;
(2)S (f )单位是幅度/频率,⽽C (jnw )单位是幅度;(这⾥都是指其频谱幅度)
(3)能量信号的能量有限,并连续的分布在频率轴上,每个频率点上的信号幅度是⽆穷⼩的,只有df 上才有确定的⾮0振幅;
功率信号的功率有限,但能量⽆限,它在⽆限多的离散频率点上有确定的⾮0振幅。
希洛人请看下⾯的推导:
由周期信号推导⾮周期信号的频谱(频谱密度):
由上⾯可以看书,F (jW )是⼀个谱密度函数,它的实际幅度是F(n Ω),是个⽆穷⼩量,但是F(n Ω)*2π/Ω以⽆穷⼩/⽆穷⼩得到⼀个常量,单位是幅度/频率。
并且F(n Ω)*2π/Ω = F(n Ω)*2π/(2πΔf) = F(n Ω)/Δf = F(n Ω)δ(n Ω),在频域上积分就是其频谱幅度。
边打边谈同时,
其中,An/2=Cn=F(n Ω)(Cn 是以e  jn Ωt 为基底的系数)
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三 功率谱(密度)与能量谱(密度)
功率谱:也称功率谱密度(PSD ),单位是功率/Hz 。针对功率有限信号的(能量有限信号⽤能量谱密度),所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。
能量谱:也叫能量谱密度,单位是焦⽿/Hz 。针对能量有限的信号,能量信号傅⾥叶变换绝对值的平⽅就是能量谱(密度)【帕塞⽡尔定理】。
智能气功功率谱针对能量⽆限(功率有限)的功率信号,功率信号不满⾜傅⾥叶变换的绝对可积的条件,其付⾥叶变换是不存在的,如正弦函数的付⾥叶变换是不存在,只有引⼊了冲激函数才求得其付⾥叶变换。功率谱不能直接进⾏傅⽴叶变换,通常使⽤短截函数进⾏截取后,如图:
使⽤时间T 进⾏短截原来的信号,当T->⽆穷⼤时:
这是对模拟信号的时域计算⽅法,当进⾏AD 采样,变为数字信号后,宜根据下⽂计算⽅法求功率谱。
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四功率谱计算公式
周期图法:它是把随机序列x(n)的N 个观测数据视为⼀能量有限的序列,直接计算x(n)的离散傅⽴叶变换,得X(k),然后再取其幅值的平⽅,并除以N ,作为序列x(n)真实功率谱的估计。
|X(e jw )|2=y.*conj(y)=real 2 +imag 2= abs(y) 2
⾃相关法: 根据维纳-⾟钦定理,先估计相关函数,再经傅⽴叶变换得功率谱估计。
功率谱与⾃相关函数是⼀个傅⽒变换对。功率谱具有单位频率的平均功率量纲,所以标准叫法是功率谱密度。通过功率谱密度函数,可以看出随机信号的能量随着频率的分布情况。像⽩噪声就是平⾏于w 轴,在w 轴上⽅的⼀条直线。
能量信号频谱通常既含有幅度也含有相位信息;傅⾥叶变换幅度谱的平⽅(⼆次量纲),⼜叫能量谱(密度),它描述了信号能量的频域分布;功率信号的功率谱描述了信号功率随频率的分布特点,也已证明,信号功率谱恰好是其⾃相关函数的傅⽒变换。x 2(t)/R=x 2(t)∞∞

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