第五章功率谱估计1-2节
ˆx'x (m)的偏差为零。
即:lim N
E
x' x
(m)
-
x(x m)
0
因此,ˆx'x (m)是x(x m)的渐近无偏估计。
其估计方差为:
2
var
ˆx'x (m)
N
-m N
var ˆxx (m) var ˆxx (m)
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ˆx'x (m)是xx (m)的渐近无偏一致估计,
且其估计方差小于ˆxx (m)的估计方差
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(b)直接法(又称周期图 (periodogram)法)
对观测到的数据样本直接进行傅里叶变换
取模的平方,再除以N
得到功率谱估计。 不用估计自相关函数,且可以用FFT进行计算, 在FFT出现以后,周期图法才得到了广泛的应 用。
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(2)现代谱估计
其基本思想是根据已有的观测数据,建 立信号所服从的模型,从而在观测不到 的区间上,信号的取值服从模型的分布 情况,不再认为是零。
得到x(n)的功率谱的估值。
M
Pˆxx (w) ˆxx (m)e- jwm , M N -1 m-M
由于Pˆxx (w)是通过x(n)的自相关函数间接得到的, 所以又称为间接法。
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(3)采用FFT计算上式功率谱。
设FFT变换域为(0 ~ L -1),须将求和域(-M,M )
移到(0 ~ L -1)。
所以一般用(有偏估计)渐近无偏估计ˆx'x (m)
L-1
Pˆxx (w) ˆxx (m)e- jwm m0
ˆxx
(m)
ˆxx (m) 0 m M
0 M 1 m L-M
ˆxx (m - L) L - (M +1) m L -1
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经FFT变换,得:
Pˆxx (k) FFT
ˆxx (m)
L-1
ˆxx
-
(m)e
j
2
L
km
m0
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第二节 经典谱估计方法
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一、相关图法
根据维纳-辛欣定理,1958年Blackman和Tukey 给出了相关图法的具体实现。
(1)计算随机信号x(n)的自相关函数:
xx (m) E[x(n)x(n m)]
(2)若 xx (m) m-
可由xx (m)的傅里叶变换得到它的功率谱。
量及频谱利用率。 空时二维自适应信号处理是新一代机载雷达的一项
关键技术。
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2、随机信号的频域分析
随机信号是无始无终,能量无限的信 号,其傅里叶变换不收敛,因而不能 确定此类信号的频谱。
随机信号能量无限,其功率未必无限, 因而常用功率谱来描述其频率特性。
随机信号自相关函数的傅里叶变换是 信号的功率谱密度。
E(x n)x(n m)E x(k)x(k m) E (x n)x(k)E x(n m)x(k m) E(x n)x(k m)E x(n m)x(k)
2 xx
(m)
2 xx
(k
-
n)
xx
(k
m
-
n)xx
(k
m
-
n)
(2)
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所以:E ˆx2x (m)
1
N - m
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4、谱估计的分类
功率谱估计分为两大类: (1)经典谱估计(非参数化方法)(线
性谱估计)。 (2)现代谱估计(参数化方法)(非线
性谱估计)。
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(1)经典谱估计 (非参数化方法)
实质上仍依赖于传统的傅里叶变换法。 经典的谱估计法又分为两种:
(a)相关图法(又称间接法(BT法))。是由 布莱克曼(R.B.Blackman)和图基(J.W.Tukey)于 1958年提出的,称为BT法。
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3、谱估计定义
谱估计或功率谱估值:根据有限个观测 数据,估计平稳随机信号的功率谱。
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3、谱估计的应用
谱估计的应用遍及雷达、声纳、通信、生物 医学、地震勘探等诸多领域。
在雷达信号处理中,由回波信号功率谱密度、 谱峰的密度、高度和位置,可以确定运动目 标的位置、幅射强度和运动速度等。
第五章 功率谱估计
1
第一节 引言
2
1、信号与系统的分析研究方法
(1)在时域进行(一维信号) (2)在频域进行(一维信号) (3)在时频域进行(二维信号) (4)在空域进行(多维信号)
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(1)在时域进行
如我们前面所学的维纳滤波、卡尔曼滤 波和自适应滤波都属于这种方法。
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的一批样本,共有N个值。 估计的方法有两种: (a)有偏自相关函数估计
(b)无偏自相关函数估计
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它的自相关函数由下式估计:
ˆxx (m)
N
1 -m
N - m -1
x(n)x(n m),
n0
m
N
1
式中ˆxx (m)的长度为2N-1。
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(2)求ˆxx (m)的离散傅里叶变换,
在被动式声纳信号处理中,谱峰的位置可提 供鱼雷的方向(方位角)。
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在生物医学工程中,有关生理电信号的功率 谱密度的谱峰可以指示癫痫病的发作周期。
在电子战中,谱分析可用来对目标进行分类, 识别等。 根据信号、干扰与噪声的功率谱,可设计适 当的滤波器,尽量不失真地重现信号,最大 限度地抑制干扰与噪声。
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(3)求功率谱。
Pxx (w) xx (m)e- jmw m-
Pxx (w)是通过x(n)的自相关函数 间接得到的,所以,也称为间接法。
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二、相关图法功率谱估计步骤
(1)先估计随机信号x(n)的自相关函数。
设x(n), n 0,1,L , N -1为实随机序列x(n)
2
E x(n)x(n m)x(k)x(k m) (1)
N - m n0 k0
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当随机序列x(n)是零均值实正态序列时,
它的各高阶矩都可以用其一阶和二阶矩来表示:
Ex1x2x3x4=Ex1x2 Ex3x 4+Ex1x3Ex2x 4+Ex1x 4Ex2x3
则:E(x n)x(n m)x(k)x(k m)
(b)直接法(又称周期图periodogram法)。 是由舒斯特(Schuster)于1898年提出的。
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(a)间接法(BT法)
BT法又称为相关图法 对信号序列估计求其自相关函数值
对自相关函数的估计进行加权
对加权的自相关函数做傅里叶变换
获得功率谱估计。
直到1965年快速傅里叶变换算法(FFT) 问世以前,是最流行的谱估计方法。
时频分布可分为线性时频表示(如短时傅立叶变换、 小波分析等)和非线性时频表示。
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(4)在空域进行
空域信号处理器是雷达必不可少的最重要分系统。 阵列信号处理。属于空域信号处理。 空域相关去噪法。是一种新的自适应小波滤噪法。 极化域——空域联合谱估计。 分布式移动通信系统。充分利用空域来提高系统容
l 0(即k n)的情况将出现N - m 次,
l 1的情况将出现N - m -1次。
依此类推,不同的l的情况,
出现的次数将为N - m - l 。
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上式可写成:var ˆx(x m)
1
N - m
N - m -1
2
(N - m - l ) x2x (l) xx (l m)xx (l - m)
等于序列x(n)的自相关函数的真实值。
因此,ˆxx (m)是自相关函数xx (m)的无偏估计。
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(b)其次求ˆxx (m)的方差
根据方差定义:
var ˆxx (m) E ˆx2x (m) - E2 ˆxx (m)
式中第一项:
E ˆx2x (m)
1
N - m -1 N - m -1
l -( N - m -1)
N N-m
2
N - m -1
(1-
l -( N - m -1)
m N
l
) x2x (l) xx (l m)xx (l - m)
N N-m
N - m -1
2
x2x (l) xx (l m)xx (l - m)
l -( N - m -1)
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(i)当N ? m时,上式以1 N 趋于零,即
k 0,1, 2,L L -1
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三、相关图法功率谱估计质量
用x(n)的N 个有限值得到
自相关函数的估计ˆxx (m),
它与信号本身自相关函数
xx (m)有一定程度的差别。 它对相关图法的估计性能有很大影响。
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(1)讨论ˆxx (m)接近xx (m)的程度。 主要由ˆxx (m)的估计偏差和估计方差来衡量。
(2)在频域进行
对确定性信号傅里叶变换是在频率域分析 研究的理论基础。
对随机性信号其傅里叶变换并不存在,因 此研究它的功率谱。
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(3)在时频域进行(二维信号)
时频分析是一种新的信号分析方法,对于非平稳信 号、宽带信号,采用时频分析方法显得特别重要, 近年来得到越来越广泛的重视。
由于时频特征分离的固有性质,使局限时间或频谱 的一维信号处理扩展到二维的时频平面,信号的时 频特征得到了分离,对信号的分析可以具体到信号 的特定时间和特定频率,全面反映观测信号的时频 联合特征,相应的时频滤波也变得更为容易、更为 直观 。
对于不同的样本,得出的估计是不同的, 且估计值是一个随机变量。
通过确定它们的均值、方差等参数,