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有关频谱、能量谱和功率谱的一些说法

2013年08月23日 ⁄ 综合 ⁄ 共 1151字 ⁄ 字号 评论关闭

1. 能量信号和功率信号

   对信号积分求其能量,如果能够求出来而不是无穷大,即能量有限,在全部时间上的平均功率为0,就说这个信号是能量信号。如果能量无穷大,那么只好用功率来描述这个信号的能量大小,这种信号就是功率信号。任何信号不是能量信号就是功率信号,因为信号的功率永远不可能无穷大的。

2. 频谱、能量谱与功率谱

   在北理版《信号与系统》中,信号可以分成能量信号与功率信号。非周期能量信号具有能量谱密度,是傅立叶变换的平方,功率信号具有功率谱密度,其与自相关函数是一对傅立叶变换对,等于傅立叶变换的平方/区间长度。能量信号是没有功率谱的。

胡广书老师的书上找到这么一段话,“随机信号在时间上是无限的,在样本上也是无穷多,因此随机信号的能量是无限的,它应是功率信号。功率信号不满足傅里叶变换的绝对可积条件,因此其傅里叶变换是不存在的。如确定性的正弦函数的傅里叶变换是不存在,只有引入了冲激函数才求得其傅里叶变换。因此,对随机信号的频谱分析,不再简单的是频谱,而是功率谱。”

周期信号是功率信号,所以周期信号是存在功率谱密度的。但是周期信号可能是确定性信号,也可能是随机信号对于持续时间无限长的随机信号来说,也是存在功率谱密度的。

对于确定性信号而言,可以是能量信号(没有功率谱密度),也可以是功率信号,(有功率谱密度),所以信号有无功率谱与该信号是否是确定性信号没有必然联系。

以下论点来源于研学论坛,可以有助理解,但是表述上可能都有些小问题:

频谱是信号的傅里叶变换,它描述了信号在各个频率上的分布大小。频谱的平方(当能量有限,平均功率为0时称为能量谱)描述了信号能量在各个频率上的分布大小。

功率谱是针对随机信号而言,是随机信号的自相关函数的离散傅立叶变换(注意自相关函数是确定性序列,离散信号本身是不存在离散傅立叶变换的)。它描述了随机信号的功率在各个频率上的分布大小,而不是能量分布大小。

计算过程中,都是通过样本数据的快速傅立叶变换来计算。但不同的是,信号的频谱是复数,包含幅频响应和相频响应,重复计算时的结果基本相同。 而随机信号的功率谱也可以对数据进行FFT,但必须计算模值的平方,因为功率谱是实数。而且换一组样本后,计算的结果略有不同,因为随机信号的样本取值不同。要得到真实的功率谱必须进行多次平均,次数越多越好。

功率谱可以从两方面来定义,一个是楼主说的自相关函数的傅立叶变换,另一个是时域信号傅氏变换模平方然后除以时间长度。第一种定义就是常说的维纳辛钦定理,而第二种其实从能量谱密度来的。根据parseval定理,信号傅氏变换模平方被定义为能量谱,即单位频率范围内包含的信号能量。自然,能量跟功率有一个时间平均的关系,所以,能量谱密度在时间上平均就得到了功率谱。(这种说法不准确)


主要转自:参考1参考2

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