信号及其描述
CH1 信号及其表述
n1
得
x(t)
a0
n1
[
1 2
(an
jbn )e jn0t
1 2
Random Signal）
析试限工
1
第1章 信号及其描述
1.0 序（Introduction）
信号（signal）：随时间或空间变化的物理量。 信号是信息的载体，信息是信号的内容。 依靠信号实现电、光、声、力、温度、压力、流量等的传输 电信号易于变换、处理和传输，非电信号 电信号。
信号分析与处理（signal analysis and processing） 不考虑信号的具体物理性质，将其抽象为变量之间的函数关 系，从数学上加以分析研究，从中得出具有普遍意义的结论。
信号的描述（9/53）
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第1章 信号及其描述 课堂习题
信号的描述（10/53）
• 求题图1-1周期三角波的频谱，并作频谱图。
x(t)
T 0T
2
2
x(t) AA2T2AAt t T
t
T t0 2
0tT 2
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第1章 信号及其描述 答案
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第1章 信号及其描述 思 考？
信号的分类（9/13）
某钢厂减速机上测得的振动信号波形(测点3)如图所示， 其基本波形属于何种信号？
近似的看作为周期信号
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第1章 信号及其描述 (2)非确定性信号（随机信号）
信号的分类（10/13）
• 无法用明确的数学关系式表达 。其幅值、相位变化是不 可预知的，所描述的物理现象是一种随机过程。如分子热 运动，环境的噪声等，分为平稳随机信号和非平稳随机信 号。
《机械工程测试技术》教案01信号及其描述
第一章信号及其描述教学重点：1、周期信号与离散频谱2、瞬变非周期信号与连续频谱§1－1信号的分类与描述一、信号的分类（一）确定性信号与随机信号1、确定性信号:可以用明确的数学关系来描述的信号（可确定任何时刻的信号值）1）周期信号：按一定间隔（周期）重复出现，无始无终的信号，可表示为：x（t）＝x（t＋nT）n＝1，2，3，…T为周期2）非周期信号：可用明确的数学式描述，但变化无周期的信号3）准周期信号：由两种以上的周期信号合成的，但其组成分量的频率不成整数比，故无法找到公共周期，因而无法按一定的时间间隔重复出现。
2、随机信号：不能准确地预测其未来值，也无法用数学关系式来描述的信号,但其值的变动服从某些统计规律，可以用统计方法预测未来值。
如：幅值的均值、分散范围等。
（二）连续信号和离散信号以独立变量（时间变量t）的取值是否连续来划分（三）能量信号和功率信号二、信号的时域描述和频域描述1、信号的时域描述1）以时间为独立变量的信号，直接观测记录到的信号，连续信号。
2）信号的时域描述，包含有信号的全部信息量。
2、信号的频域描述1）以频率为独立变量表示的信号。
2）周期信号可以表示为频率成整数比的简谐信号的叠加。
3）周期方波的时域图形、幅频谱和相频谱三者之间的关系：频谱：将组成信号的各频率成分（简谐分量）找出来，按频率大小的次序排列，称为频谱（幅频图和相频图）频谱分析：将信号的时域描述通过适当的方法，变成信号的频域描述过程。
时域描述与频域描述的联系：两者都包含了信号的全部信息量，都能表示出信号的特点。
§1-2周期信号与离散频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式任何一个周期信号x(t)，可以用三角级数表示（周期为T0）：二、周期信号的指数傅里叶级数利用欧拉公式，将周期信号的三角傅里叶级数变换为指数傅里叶级数复指数形式的频谱为双边谱三角函数形式的频谱为单边谱三.周期信号频谱的特点周期信号的频谱具有三个特点：1）周期信号的频谱是离散的。
传感器与测试技术第2章 信号及其描述
1
a0 T0
T0 2 x t dt
T0 2
an
2 T0
T0 2 x t
T0 2
cosn0tdt
周期
T0
信号的 角频率
正弦分量幅值
bn
2 T0
T0 2 x t
T0 2
sinn0tdt
0
2.2.2 周期信号的频域分析
傅里叶级数的三角函数展开式
x满t足狄 里a 赫0利 条件的周a期nc 信o 号s，n 可看0tbnsinn0t 作是由多个乃至n 无 1 穷多个不同频率的 简谐信号线性叠加而成
2．连续信号和离散信号
信号的幅值也可以分为连续和离散的两种，若信号的幅 值和独立变量均连续，称为模拟信号；若信号的幅值和独立 变量均离散，称为数字信号，计算机所使用的信号都是数字 信号。
综上，按照信号幅值与独立变量的连续性可分类如下所 示：
信号离 连散 续信 信号 号一 数 一 模般 字 般 拟离 信 连 信散 号 续 号信 (信 (信 信 号 号 号 号 ((独 的 独 的立 幅 立 幅变 值 变 值量 与 量 与离 独 连 独散 立 续 立)变 )变量 量均 均离 连散 续))
2.2.2 周期信号的频域分析
实例分析
双边幅频谱和相频谱分别为
cnnar2cA n tan-2nA0n1,3, 52,
实频谱和虚频谱分别为
2
n1,3,5,
n1,3,5,
R e cn 0
Im
cn
2A n
2.2.2 周期信号的频域分析
实例分析
周期方波的实、虚频谱和复频谱图
2.2.2 周期信号的频域分析
周期信号的强度描述常以峰值、峰-峰值、均 值、绝对均值、均方值和有效值来表示，它 确定测量系统的动态范围。 周期信号强度描述的几何含义如图2-7所示
测试技术试题 信号及其描述
第一章 信号及其描述一、知识要点及要求(1)了解信号的分类，掌握信号的时频域描述；(2)掌握周期信号及其频谱特点，了解傅立叶级数的概念和性质； (3)掌握非周期信号及其频谱特点，了解傅立叶变换的概念和性质；(4)掌握随机信号的特点，了解随机信号的时域统计描述（与周期信号的强度描述相对照），概率密度函数描述，相关函数和功率谱。
二、重点内容及难点(一)信号的分类(二)信号的时域—频域描述信号的时域描述和频域描述之间是可以相互转换的，但它们包含相同的信息量（信号是信息的载体，信息包含在信号之中）。
(三)周期信号与离散频谱 周期信号频谱的三个特点：(1)离散性：即周期信号的频谱是离散的。
(2)谐波性：即每条谱线只出现在基频的整数倍上。
(3)收敛性：即工程中常见周期信号，其谐波幅值总的趋势是随谐波次数的增高而减小。
各频率分量的的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。
(四)非周期信号与连续频谱 非周期信号：(1)准周期信号：但各频率分量与基频的比值不一定都是有理数。
如)2s i n ()s i n ()(00t t t x ωω+=，频谱是离散的。
(2)瞬变非周期信号：可简称为非周期信号。
频谱密度函数；即)(f X 与n C 很相似，但n C 的量纲与信号幅值的量纲一样，而)(f X 的量纲是单位频宽上的幅值。
(五)随机信号的描述1、随机信号（又称随机过程），不能用确定的数学关系式来描述，只能用概率统计的方法来描述。
平稳随机过程，其统计特征参数不随时间而变化，是一个常值；否则，非平稳随机过程。
各态历经的随机过程，即在平稳随机过程中，任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征；否则，非各态历经的随机过程。
各态历经的随机过程必然是平稳随机过程，而平稳随机过程不一定是各态历经的随机过程。
工程上所遇到的很多随机信号都具有各态历经性，即可以用时间平均来代替集合平均。
2、时域统计特征参数(1)均值⎰∞→=TT x dt t x T)(1lim μ，表示信号的常值分量。
1第一章 信号及其描述 工程测试
4A 1 1 x t sin 0 t sin 3 0 t sin 5 0 t 3 5 4A 1 sin n 0 t n1 n 2 n 1,3 ,5 式中 0 T0
工程测试技术与信息处理
第1 章
第一节
信号的分类与描述
1.1 信号的分类与描述
信号的分类主要是依据信号波形特征来 划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波 形的概念。
1.1 信号的分类与描述
信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为 信号的波形
1.1 信号的分类与描述
1.1 信号的分类与描述
（1—14a）
（1—14b)
c0 a0
（1—14c）
x(t ) c0 c n e
n 1
jn0t
cn e
n 1
jn0t
x(t )
n
cn e jn0t （n=0，±1，±2…） （1—15）
1 T2 式中 cn T x t e jn t dt T0 2
为了深入的了解信号的物理实质，将其进行分类研 究是十分有必要的，从不同角度观察信号，可分为：
1 从信号描述上分为 --确定性信号和非确定信号
2 从连续性上分为
--连续信号和离散信号 3 从信号的幅值和能量上分为 --能量信号和功率信号
1.1 信号的分类与描述
1.1.1确定性信号与随机信号
可以用明确的数学关系式描述的信号称为确定性信号。 不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号（随机信号）
例1-1
求下图中周期性三角波的傅里叶级数。
解：由图可得x（t）在一个周期中的表达式为：
机械工程测试技术基础知识点总结
第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息,而信息总是蕴涵在某些物理量之中,并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号.2、 信号的时域描述,以 时间t 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率f 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点: 离散性 ， 谐波性 , 收敛性 。
4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬态非周期 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 偶 对称，虚频谱（相频谱）总是 奇对称。
（二)判断对错题(用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ Y )2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ Y ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ X ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ X )5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ Y ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms .2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ,和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t et x at ω的频谱. 第二章 测试装置的基本特性 (一)填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
测试技术-第一章 信号及其描述
2014-4-23
《测试技术》讲义
6
2014-4-23
《测试技术》讲义
7
能量信号和功率信号
在非电量测量中，常把被测信号转换为电压或电 流信号来处理。显然，电压信号加到电阻R上， 其瞬时功率 P(t ) x 2 (t ) / R 。当R=1 时， P(t ) x 2 (t ) 。瞬时功率对时间积分就是信号 在该积分时间内的能量。依此，人们不考虑信号 实际的量纲，而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 2 x (1—4) (t )dt 时，则认为信号的能量是有限的，并称之为能量 有限信号，简称能量信号，如矩形脉冲信号、衰 减指数函数等。
2014-4-23 《测试技术》讲义 5
连续信号和离散信号
连续信号：若信号数学表示式中的独立变量取值 是连续的 (图1—3a)。 离散信号：若独立变量取离散值。图1-3b是将 连续信号等时距采样后的结果，就是离散信号。 离散信号可用离散图形表示，或用数字序列表示。 连续信号的幅值可以是连续的，也可以是离散的。 若独立变量和幅值均取连续值的信号称为模拟信 号。 若离散信号的幅值也是离散的．则称为数字信号。 数字计算机的输入、输出信号都是数字信号。
，
把周期函数x(t)展开为傅里叶级数的复指数 函数形式后，可分别以 cn 和 n 作幅 频谱图和相频谱图；也可以分别以cn的实 部或虚部与频率的关系作幅频图，并分别 称为实频谱图和虚频谱图(参阅例1—2)。 比较傅里叶级数的两种展开形式可知：复 指数函数形式的频谱为双边谱(ω从-∞到 +∞)，三角函数形式的频谱为单边谱(ω从0 到+∞)；两种频谱各谐波幅值在量值上有 A c c0 a0 。双边幅频谱 确定的关系， 2 ， 为偶函数，双边相频谱为奇函数。
机械工程测试技术基础-简答题
一、 信号及其描述1、周期信号频谱的特点：①离散性——周期信号的频谱是离散的；②谐波性——每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是诸分量频率的公约数；③收敛性——谐波分量的幅值按各自不同的规律收敛。
2、傅里叶变换的性质：奇偶虚实性、对称性、线性叠加性、时间尺度改变特性、时移和频移特性、卷积特性、积分和微分特性。
3、非周期信号频谱的特点：①非周期信号可分解成许多不同频率的正弦、余弦分量之和，包含了从零到无穷大的所有频率分量；②非周期信号的频谱是连续的；③非周期信号的频谱由频谱密度函数来描述，表示单位频宽上的幅值和相位；④非周期信号频域描述的数学基础是傅里叶变换。
二、测试装置的基本特性1、测量装置的静态特性是在静态测量情况下描述实际测量装置与理想时不变线性系统的接近程度。
线性度——测量装置输入、输出之间的关系与理想比例关系的偏离程度。
灵敏度——单位输入变化所引起的输出变化。
回程误差——描述测量装置同输入变化方向有关的输出特性，在整个测量范围内，最大的差值称为回程误差。
分辨力——能引起输出量发生变化的最小输入量。
零点漂移——测量装置的输出零点偏离原始零点的距离，它是可以随时间缓慢变化的量。
灵敏度漂移——由于材料性质的变化所引起的输入与输出关系的变化。
2、传递函数的特点：①()s H 与输入()t x 及系统的初始状态无关，它只表达系统的传输特性；②()s H 是对物理系统的微分描述，只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构；③对于实际的物理系统，输入()t x 和输出()t y 都具备各自的量纲；④()s H 中的分母取决于系统的结构。
3、一阶测试系统和二阶测试系统主要涉及哪些动态特性参数，动态特性参数的取值对系统性能有何影响？一般采用怎样的取值原则？ 答：测试系统的动态性能指标：一阶系统的参数是时间常数τ；二阶系统的参数是固有频率n ω和阻尼比ξ。
对系统的影响：一阶系统的时间常数τ值越小，系统的工作频率范围越大，响应速度越快。
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复频域
频域
时域
连续非周期函数的频谱
Fourier变换
互为Fourier变换对
F f t eitdt
f t 1 F eitd
2
傅立叶变换
傅立叶逆变换
连续非周期函数的频谱
矩形窗函数w(t)的频谱
wt
1, 0,
时域相对平移T0/4, 相频谱完全不同，各频率分 量产生了n/2的相角（n为谐波次数）。
Fourier级数的复指数函数展开
复平面
旋转 180°
1×(-1)
1
1×4
-4 -3 -2 -1
0
1
2
3
4
5
i2 111=1i2
1i=？
旋转90°
Fourier级数的复指数函数展开
复平面
信号的描述
定义：傅立叶变换，表示能将满足一定条件的某个函数表示 成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性 组合。
F f t eitdt 傅立叶变换
f t 1 F eitd
2
傅立叶逆变换
什么是频域？？？
时域
波谱
t t
T T
/2 /2
矩形窗函数的时域图
连续非周期函数的频谱
W 1 eiT eiT
i2
sin T
矩形窗函数的频谱
几种典型信号的频谱
正余弦函数的频谱
几种典型信号的频谱
常数函数的频谱
xt 1
x(t) 1
0
t
δ(ω)
0
ω
几种典型信号的频谱
乘i再旋转90°
虚数轴
4i 3i 2i i
乘i旋转90°
-4 -3 -2 实数轴
复平面
Fourier级数的复指数函数展开
“宇宙第一耍帅公式”——欧拉公式
eix cos x i sin x
或
eix cos x i sin x
x
eix eix cos x=
波）
复杂周期 信号
部分非周 期信号
信号的分类
非确定信号
噪声信号(平稳)
信号的分类
连续信号和离散信号
信号的分类
能量信号和功率信号
E lim T x2 t dt T T
P lim 1 T x2 t dt T 2T T
能量信号 功率信号
定义 有限能量 有限功率
第二章 信号及其描述
授课教师: 潘嘹 实验教师: 华岩
本章主要内容
• 信号的分类及描述 • 连续周期信号与离散频谱 • 连续非周期信号与连续频谱 • 随机信号
信号的分类
信号分类方法
按数学关系 按取值特征 按能量功率
确定性信 号
连续信号
能量信号
非确定性 信号
离散信号
功率信号
信号的分类
确定信号
简单周期 信号（谐
脉冲函数的频谱
(t)
0
t 0 t0
随机信号
随机信号
与后续振动试验一起介绍
致谢
王军\郭彦峰\韩 昊\吴楠\柳晓鸣\王新年 知 乎：Heinrich 微 博：@花生油工人 知乎专栏：与时间无关的故事
T/ 2
T/ 2 x(t) cosnω0tdt
bn
2 T
T/ 2
-T/ 2 x(t) sin nω0tdt
(1 1)
Fourier级数的三角函数展开
周期三角波的频谱
x(t)
A A
2A
T 2A
t t
T
T /2t 0 0tT /2
周期三角波的时域图
Fourier级数的三角函数展开
连续周期函数的频谱
Fourier级数
Fourier级数的三角函数展开
x(t) a0 (an cosn0t bn sin n0t)
n1
0 2 / T ,
an , bn 傅里叶系数
式中
n 1,2,3,
a0
1 T
T/ 2
x(t)dt
T/ 2
an
2 T
x(t
)
1
0t T /2
周期方波的时域图
Fourier级数的三角函数展开
周期方波的频谱
x(t)
n1
4
n
sin
n0t
(n 1,3,5,)
4
(sin
0t
1 3
sin
30t
1 5
sin
50t
)
周期方波的幅频谱
周期方波的相频谱
Fourier级数的三角函数展开
周期三角波的频谱
x(t)
A 2
4A π2
n1
1 n2
cos nω0t
(n 1,3,5,)
A 2
4A π2
(cosω0
t
1 32
cos 3ω0t
1 52
cos 5ω0t
)
周期三角波的幅频谱
周期三角波的相频谱
Fourier级数的三角函数展开
周期方波的频谱
1 T / 2 t 0
cnein0t n 0, 1, 2,...
n
连续非周期函数的频谱
连续非周期函数的频谱
连续非周期函数的频谱
Fourier变换
本质： Fourier变换实际上是对一个周期无限大 的函数进行频域变换
连续非周期函数的频谱
连续周期函数的频域
连续非周期函数的频域
连续非周期函数的频谱
连续非周期函数的频谱
五线谱
频域
连续周期函数的幅频谱
y sint
连续周期函数的幅频谱
连续周期函数的幅频谱
用一次谐波逼近
一次和三次谐波之和 逼近
一次三次五次谐波之和 逼近
连续周期函数的幅频谱
连续周期函数的幅频谱
连续周期函数的幅频谱
连续周期函数的相频谱
φ
0
1
3
5
7ω
连续周期函数的相频谱
连续周期函数的频谱
2
eix eix
sin x=
i
2
ei 1 0
Fourier级数的复指数函数展开
“宇宙第一耍帅公式”——欧拉公式
Fourier级数的复指数函数展开
Fourier级数的三角函数展开
cost= eit eit ，sin t= eit eit i
2
2
x t Fourier级数的复指数函数展开
实例
矩形脉冲、指数衰 减信号
周期信号，常值信 号，阶跃信号
信号的描述
让 ·巴 普 蒂 斯 ·约 瑟 夫 ·傅 里 叶 （Baron Jean Baptiste Joseph Fourier， 1768-1830），男爵，法国数学家、物 理学家，1768年3月21日生于欧塞尔， 1830 年 5 月 16 日 卒 于 巴 黎 。 1817 年 当 选为科学院院士，1822年任该院终身 秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理 工科大学校务委员会主席。