现代信号处理技术及应用 Modern Signal Processing technology and Its application 何正嘉訾艳阳张西宁 西安交通大学 2006年10月
现代信号处理技术及应用 Modern Signal Processing Technology and Its Application 何正嘉 訾艳阳 张西宁 西 安 交 通 大 学 2006 年 10 月
内容简介 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, 信号数学变换的本质,信号正交分解的物理意义和工程背景。内容包括信号的时域分析 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态分析与监测诊断方面的应用 实例 本书取材先进,实用性强,适合作为高等院校机械工程、仪器仪表和能源动力等专 业的研究生、高年级本科生的教材或参考书,也可供从事机电设备动态分析、状态监测 故障诊断、设备管理与维修的广大科技人员使用和参考
内 容 简 介 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， 信号数学变换的本质，信号正交分解的物理意义和工程背景。内容包括信号的时域分析、 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态分析与监测诊断方面的应用 实例。 本书取材先进，实用性强，适合作为高等院校机械工程、仪器仪表和能源动力等专 业的研究生、高年级本科生的教材或参考书，也可供从事机电设备动态分析、状态监测、 故障诊断、设备管理与维修的广大科技人员使用和参考
目录 第一章绪论 1.1现代信号处理的内容和意义 12信号的分类 1.2.1确定性信号 122随机信号 334 13非平稳信号处理和信号的正交分解 1.3.I非平稳信号处理 3.2信号的正交分解 14信号处理的内积与基函数 15现代信号处理的应用现状与进展 第二章信号的时域分析 2.1信号的预处理 1.1信号的滤波处理 22信号的采样 22.1采样与混频. 222量化与误差…… 223窗函数或泄漏 224采样长度与分辩率 23时域统计分析 999 23.1时域指标参数 232参数指标的应用 24相关分析及应用 241相关的概念 242自相关函数及其应用 3338 243互相关函数及其应用… 第三章信号的频域分析 3.1信号的频谱和FFT算法及应用 3.1.1傅里叶级数与离散频谱. 3.12傅里叶变换与连续频谱 44 31.3离散傅里叶变换(DFT 3.14快速傅里叶变换 3.15FFT的校正算法 435 3.1.6确定性信号的傅里叶谱分析 3.1.7功率谱密度函数
I 目 录 第一章 绪论........................................................................................................................1 1.1 现代信号处理的内容和意义......................................................................................................................... 1 1.2 信号的分类..................................................................................................................................................... 2 1.2.1 确定性信号......................................................................................................................................... 3 1.2.2 随机信号............................................................................................................................................. 3 1.3 非平稳信号处理和信号的正交分解............................................................................................................. 4 1.3.1 非平稳信号处理................................................................................................................................. 4 1.3.2 信号的正交分解................................................................................................................................. 8 1.4 信号处理的内积与基函数............................................................................................................................. 9 1.5 现代信号处理的应用现状与进展............................................................................................................... 13 第二章 信号的时域分析..................................................................................................... 19 2.1 信号的预处理............................................................................................................................................... 19 2.1.1 信号的滤波处理............................................................................................................................... 20 2.2 信号的采样 .............................................................................................................. 25 2.2.1 采样与混频....................................................................................................................................... 25 2.2.2 量化与误差....................................................................................................................................... 27 2.2.3 窗函数或泄漏................................................................................................................................... 27 2.2.4 采样长度与分辩率........................................................................................................................... 29 2.3 时域统计分析 ........................................................................................................... 29 2.3.1 时域指标参数................................................................................................................................... 29 2.3.2 参数指标的应用............................................................................................................................... 32 2.4 相关分析及应用 ........................................................................................................ 35 2.4.1 相关的概念....................................................................................................................................... 35 2.4.2 自相关函数及其应用....................................................................................................................... 35 2.4.3 互相关函数及其应用....................................................................................................................... 38 第三章 信号的频域分析..................................................................................................... 42 3.1 信号的频谱和 FFT 算法及应用...................................................................................... 42 3.1.1 傅里叶级数与离散频谱................................................................................................................... 42 3.1.2 傅里叶变换与连续频谱................................................................................................................... 44 3.1.3 离散傅里叶变换(DFT)..................................................................................................................... 46 3.1.4 快速傅里叶变换............................................................................................................................... 47 3.1.5 FFT 的校正算法................................................................................................................................ 48 3.1.6 确定性信号的傅里叶谱分析........................................................................................................... 51 3.1.7 功率谱密度函数............................................................................................................................... 52
3.1.8频谱分析的工程应用 3.2相干分析及应用 3.2.1相干函数的概念 3.22相干函数的工程应用 33频谱细化分析( ZOOM-FF 3.3频谱细化的概念 332复调制细化分析的原理. 3.3.3复调制细化分析的应用 678 34倒频谱( Cepstrum)分析及应用 3.4l倒频谱的数学描述 342倒频谱与解卷积 343倒频谱的应用 3.5信号调制与解调分析 066 31实信号的复数表示 3.52 Hilbert变换 3.53 Hilbert解调原理.… 3.54信号解调分析的应用 3.6时间序列建模与自回归谱分析 3.6.1谱估计原理及常见的参数模型 362AR模型的建立 3.6.3AR模型阶次的确定 3.64AR谱估计及应用 680 3.7全息谱理论和方法 3.7.1全息谱理论和技术 3.72全息谱方法的应用 第四章循环平稳信号分析 4.1循环平稳信号的定义 78 42信号的循环统计量 4.2.1 环统计量 42.2一阶循环统计量一循环均值. 908 42.3二阶循环统计量一循环自相关函数 424功率谱密度函数 43基于二阶循环统计量的仿真信号解调分析 43.1信号的解调分析 4.32载波调频信号的解调 8889 4.3.3多调制源调幅信号的解调
II 3.1.8 频谱分析的工程应用....................................................................................................................... 53 3.2 相干分析及应用......................................................................................................... 55 3.2.1 相干函数的概念............................................................................................................................... 55 3.2.2 相干函数的工程应用....................................................................................................................... 55 3.3 频谱细化分析(ZOOM-FFT).......................................................................................... 56 3.3.1 频谱细化的概念............................................................................................................................... 56 3.3.2 复调制细化分析的原理................................................................................................................... 57 3.3.3 复调制细化分析的应用................................................................................................................... 58 3.4 倒频谱(Cepstrum)分析及应用........................................................................................ 59 3.4.1 倒频谱的数学描述........................................................................................................................... 59 3.4.2 倒频谱与解卷积............................................................................................................................... 59 3.4.3 倒频谱的应用................................................................................................................................... 60 3.5 信号调制与解调分析 .................................................................................................. 61 3.5.1 实信号的复数表示........................................................................................................................... 61 3.5.2 Hilbert 变换........................................................................................................................................ 62 3.5.3 Hilbert 解调原理................................................................................................................................ 63 3.5.4 信号解调分析的应用....................................................................................................................... 63 3.6 时间序列建模与自回归谱分析..................................................................................... 65 3.6.1 谱估计原理及常见的参数模型....................................................................................................... 65 3.6.2 AR 模型的建立................................................................................................................................. 66 3.6.3 AR 模型阶次的确定......................................................................................................................... 67 3.6.4 AR 谱估计及应用............................................................................................................................. 68 3.7 全息谱理论和方法.................................................................................................... 70 3.7.1 全息谱理论和技术........................................................................................................................... 71 3.7.2 全息谱方法的应用........................................................................................................................... 75 第四章 循环平稳信号分析 ................................................................................................. 78 4.1 循环平稳信号的定义 .................................................................................................. 78 4.2 信号的循环统计量 ..................................................................................................... 79 4.2.1 一阶循环统计量............................................................................................................................... 79 4.2.2 一阶循环统计量—循环均值........................................................................................................... 80 4.2.3 二阶循环统计量—循环自相关函数............................................................................................... 81 4.2.4 功率谱密度函数............................................................................................................................... 84 4.3 基于二阶循环统计量的仿真信号解调分析............................................................................................... 87 4.3.1 信号的解调分析............................................................................................................................... 87 4.3.2 载波调频信号的解调....................................................................................................................... 89 4.3.3 多调制源调幅信号的解调............................................................................................................... 91
43.4多载波调幅信号的解调 4.3.5循环相关解调法识别信号有用信息和混频信息的规律 99% 44循环平稳信号处理的工程应用 44.1齿轮箱摩擦故障分析与诊断 442滚动轴承损伤故障分析与诊断. 第五章非平稳信号处理方法 51短时傅里叶变换 52小波变换 52.1多分辨分析及其工程意义 522正交小波基的构造与信息独立化的提取 53小波包信号分解与频带能量监测 118 54工程应用 54.1轧钢机振动分析 542大型矿山电铲提升系统振动分析….… 543压缩机齿轮箱轴瓦监测诊断. 544汽轮发电机组轴瓦松动故障诊断 545高压透平蒸汽激振分析 第六章连续小波变换及其工程应用 6.1谐波小波变换及其工程应用 1.1谐波小波的定义及正交性 61.2 Newland快速算法 6.13谐波小波时频图 61.4谐波小波滤波 6.1.5谐波小波应用举例 14 61.6小波分形技术原理 61.7离散信号盒维数的计算 148 1.8谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述 62 Laplace小波特征波形相关滤波 621 Laplace小波及其特性 154 622 Laplace小波基函数相关滤波 623应用实例 63 Hermitian连续小波变换与信号奇异性识别 165 63.1机械故障诊断中的奇异性 63,2小波变换对信号奇异性检测的基本原理 63.3 Hermitian小波的定义及特性研究 634 Hermitian连续小波变换及分解结果的表达方式
III 4.3.4 多载波调幅信号的解调................................................................................................................... 93 4.3.5 循环相关解调法识别信号有用信息和混频信息的规律............................................................... 95 4.4 循环平稳信号处理的工程应用 ...................................................................................... 96 4.4.1 齿轮箱摩擦故障分析与诊断........................................................................................................... 96 4.4.2 滚动轴承损伤故障分析与诊断....................................................................................................... 99 第五章 非平稳信号处理方法.............................................................................................104 5.1 短时傅里叶变换 .......................................................................................................104 5.2 小波变换 ................................................................................................................106 5.2.1 多分辨分析及其工程意义............................................................................................................. 109 5.2.2 正交小波基的构造与信息独立化的提取..................................................................................... 112 5.3 小波包信号分解与频带能量监测 ..................................................................................118 5.4 工程应用 ................................................................................................................123 5.4.1 轧钢机振动分析............................................................................................................................. 123 5.4.2 大型矿山电铲提升系统振动分析................................................................................................. 124 5.4.3 压缩机齿轮箱轴瓦监测诊断......................................................................................................... 127 5.4.4 汽轮发电机组轴瓦松动故障诊断................................................................................................. 128 5.4.5 高压透平蒸汽激振分析................................................................................................................. 131 第六章 连续小波变换及其工程应用..................................................................................139 6.1 谐波小波变换及其工程应用 ........................................................................................139 6.1.1 谐波小波的定义及正交性.............................................................................................................. 139 6.1.2 Newland 快速算法........................................................................................................................... 141 6.1.3 谐波小波时频图............................................................................................................................. 143 6.1.4 谐波小波滤波................................................................................................................................. 144 6.1.5 谐波小波应用举例......................................................................................................................... 147 6.1.6 小波分形技术原理......................................................................................................................... 147 6.1.7 离散信号盒维数的计算................................................................................................................. 148 6.1.8 谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述..................................................................... 149 6.2 Laplace 小波特征波形相关滤波.....................................................................................153 6.2.1 Laplace 小波及其特性 .................................................................................................................... 154 6.2.2 Laplace 小波基函数相关滤波 ........................................................................................................ 156 6.2.3 应用实例......................................................................................................................................... 160 6.3 Hermitian 连续小波变换与信号奇异性识别 ......................................................................165 6.3.1 机械故障诊断中的奇异性............................................................................................................. 165 6.3.2 小波变换对信号奇异性检测的基本原理..................................................................................... 166 6.3.3 Hermitian 小波的定义及特性研究................................................................................................. 169 6.3.4 Hermitian 连续小波变换及分解结果的表达方式......................................................................... 171