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什么是功率谱?它和频谱之间有什么区别与联系?

来源: 时间:2021-12-24 16:45:10 浏览次数:

来自微信公众号:声振之家

功率谱是个什么概念?


随机信号是时域无限信号,不具备可积分条件,因此不能直接进行傅氏变换。一般用具有统计特性的功率谱来作为谱分析的依据。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。



功率谱密度,从名字分解来看就是说,观察对象是功率,观察域是谱域,通常指频域,密度,就是指观察对象在观察域上的分布情况。一般我们讲的功率谱密度都是针对平稳随机过程的,由于平稳随机过程的样本函数一般不是绝对可积的,因此不能直接对它进行傅立叶分析。可以有三种办法来重新定义谱密度,来克服上述困难。


一是用相关函数的傅立叶变换来定义谱密度;

二是用随机过程的有限时间傅立叶变换来定义谱密度;

三是用平稳随机过程的谱分解来定义谱密度。


三种定义方式对应于不同的用处。


首先第一种方式前提是平稳随机过程不包含周期分量并且均值为零,这样才能保证相关函数在时差趋向于无穷时衰减,所以lonelystar说的不全对,光靠相关函数解决不了许多问题,要求太严格了;


对于第二种方式,虽然一个平稳随机过程在无限时间上不能进行傅立叶变换,但是对于有限区间,傅立叶变换总是存在的,可以先架构有限时间区间上的变换,在对时间区间取极限,这个定义方式就是当前快速傅立叶变换(FFT)估计谱密度的依据;


第三种方式是根据维纳的广义谐和分析理论:Generalized harmonic analysis, Acta Math, 55(1930),117-258,利用傅立叶-斯蒂吉斯积分,对均方连续的零均值平稳随机过程进行重构,在依靠正交性来建立的。


另外,对于非平稳随机过程,也有三种谱密度建立方法,由于字数限制,功率谱密度的单位是G的平方/频率。就是就是函数幅值的均方根值与频率之比。是对随机振动进行分析的重要参数。


功率谱密度的国际单位是什么?


如果是加速度功率谱密度,加速度的单位是m/s^2,那么,加速度功率谱密度的单位就是(m/s^2)^2/Hz,而Hz的单位是1/s,经过换算得到加速度功率谱密度的单位是m^2/s^3。


同理,如果是位移功率谱密度,它的单位就是m^2*s,如果是弯矩功率谱密度,单位就是(N*m)^2*s


位移功率谱——m^2*s

速度功率谱——m^2/s

加速度功率谱——m^2/s^3


频谱和功率谱有什么区别与联系?


谱是个很不严格的东西,常常指信号的Fourier变换,是一个时间平均(time average)概念


功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析),所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。保留频谱的幅度信息,但是丢掉了相位信息,所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。


有两个重要区别:


1、功率谱是随机过程的统计平均概念,平稳随机过程的功率谱是一个确定函数;而频谱是随机过程样本的Fourier变换,对于一个随机过程而言,频谱也是一个“随机过程”。(随机的频域序列)


2、功率概念和幅度概念的差别。此外,只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱,其存在性取决于二阶局是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛;而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。



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