信號的功率譜、能量譜、頻譜的區別(轉)


在人人網上看到的一篇日志,寫得挺好就轉過來了。

  在北理版信號與系統中,信號可以分成能量信號與功率信號,非周期能量信號具有能量譜密度,是傅立葉變換的平方,功率信號具有功率譜密度,其與自相關函數是一對傅立葉變換對,等於傅立葉變換的平方/區間長度。不能混淆。能量信號是沒有功率譜的。
  胡廣書老師的書上找到這么一段話,“隨機信號在時間上是無限的,在樣本上也是無窮多,因此隨機信號的能量是無限的,它應是功率信號。功率信號不滿足付里葉變換的絕對可積的條件,因此其付里葉變換是不存在的。如確定性的正弦函數的付里葉變換是不存在,只有引入了沖激函數才求得其付里葉變換。因此,對隨機信號的頻譜分析,不再簡單的是頻譜,而是功率譜。”
  周期信號是功率信號,但是周期信號可能是確定性信號,也可能是隨機信號,但是周期信號是存在功率譜密度的。對於持續時間無限長的隨機信號來說,也是存在功率譜密度的。

  一般來講,對於隨機信號,由於持續期時間無限長,不滿足絕對可積與能量可積的條件,因此不存在傅立葉變換,所以我們只能研究其功率譜,因為樣本函數的功率畢竟是有限哦。

  對於確定性信號而言,里面存在能量信號,是沒有功率譜密度的,也存在功率信號,是有功率譜密度的。所以信號的頻譜與是否是確定性信號沒有必然聯系。

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  以下論點來源於研學論壇,我認為都存在一點問題,主要是表述上不是很准確!
  頻譜是信號的傅立葉變換。它描述了信號在各個頻率上的分布大小。頻譜的平方(當能量有限,平均功率為0時稱為能量譜)描述了信號能量在各個頻率上的分布大小。
  功率譜是針對隨機信號而言是隨機信號的自相關函數的離散傅立葉變換(注意自相關函數是確定性序列,離散信號本身是不存在離散傅立葉變換的)。它描述了隨機信號的功率在各個頻率上的分布大小,而不是能量分布大小。
計算過程中,都是通過樣本數據的快速傅立葉變換來計算。但不同的是,信號的頻譜是復數,包含幅頻響應和相頻響應,重復計算時的結果基本相同。 而隨機信號的功率譜也可以對數據進行FFT,但必須計算模值的平方,因為功率譜是實數。而且換一組樣本后,計算的結果略有不同,因為隨機信號的樣本取值不同。要得到真實的功率譜必須進行多次平均,次數越多越好。

  功率譜可以從兩方面來定義,一個是樓主說的自相關函數的傅立葉變換,另一個是時域信號傅氏變換模平方然后除以時間長度。第一種定義就是常說的維納辛欽定理,而第二種其實從能量譜密度來的。根據parseval定理,信號傅氏變換模平方被定義為能量譜,即單位頻率范圍內包含的信號能量。自然,能量跟功率有一個時間平均的關系,所以能量譜密度在時間上平均就得到了功率譜。(這種說法不准確)


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