多調制源信號的循環平穩分析及仿真

王小卉，楊潔明

（1.湛江師范學院 機電工程系，廣東 湛江 524048；2.太原理工大學 機電研究所，山西 太原 030024）

在通信、遙測、雷達和旋轉機械等系統中，經常會遇到很多隨機信號，其非平穩特性表現為一定的周期性，這類信號統稱為“循環平穩信號”。此類信號的統計特征參量雖然是時變的，但由于其自身獨特的周期平穩性，使其單次采集到的記錄，具有周期遍歷特性，這種“循環平穩性能”，使得這類隨機信號的分析處理得以實現。

傳統統計信號處理方法在處理循環平穩信號時，都假定信號是平穩的，忽略了信號的循環平穩性，不能實現對循環平穩信號的最佳處理。因此，人們開始探索充分利用信號循環平穩特征的新的信號處理方法，廣泛地應用于通信、語音處理、故障診斷等多種領域[1]。

由于機械故障信號一般都是復雜的多調制源調制調幅信號，本文就以多調制源信號為例，研究二階循環平穩分析的解調性能，改進分析方法總結規律，為更好地分析實際故障信號奠定理論基礎。

1 循環平穩信號特性[2]

通常情況下，隨機信號統計特征，呈周期或多周期（各周期不能通約）變化。對循環平穩信號，假設某一信號為x（t），式（1）就是循環統計量的數學表達式。

其中，cx（t,τ）k是 x（t）的 k 階時變統計量。

最常用的統計量為均值（一階統計量）、相關函數與功率譜密度函數（二階統計量）。一階循環平穩信號，是指此信號的一階循環統計量（信號的均值）是時間的周期函數的信號。

由一階循環平穩推廣，可得K階循環平穩信號的定義：若隨機過程x（t）從一階到K階的各階時變統計量都存在，并且它們都是時間的周期函數（其中每階的循環周期可能有多個，且各階循環周期一般不同），則稱該隨機過程為K階循環平穩信號。

因此，當K=1時，對應著一階循環平穩信號；當K=2時，對應著二階循環平穩信號。典型的二階循環平穩信號，是正弦波信號被一個有限帶寬的隨機信號調制后所得的信號。

本文研究多調制源的調制調幅信號，也是一個二階循環平穩信號，其數學模型為

其中，

A、B、C為幅值；

ft1指調制頻率1；

ft2指調制頻率2；

fz1指載波頻率1；

fz2指載波頻率2。

2 循環平穩分析相關概念

對二階循環信號x（t）以T為周期進行采樣，時變自相關函數為

R（t,τ）=E{x（t+τ/2）x*（t-τ/2）}，

進行時間平均后寫成傅里葉級數形式為

其中，

Rα（τ）就是循環自相關函數（Cyclic Autocorrelation Function，簡稱 CAF），表示為

信號x（t）循環自相關函數的Fourier變化，得到

Sα（ f）就是信號的循環譜（也稱為譜相關密度函數 Cyclic Spectrum Density，簡稱 CSD）。

4 信號仿真

本文采用的信號數學模型如式（2），設此仿真信號中

A=1；B=1；C=2；

調制頻率 1，ft1=6 Hz；

調制頻率 2，ft2=12 Hz；

載波頻率 1，fz1=60 Hz；

載波頻率 2，fz2=200 Hz。

從公式上來說，此信號可以看做是一個單純調幅信號和一個單純調頻信號的疊加，即

調幅信號

調頻信號

第一步：計算信號的循環自相關函數，做其三維譜圖可勉強觀察到ft1、2 ft1、fz1以及fz2，但是信息冗余，交叉干擾嚴重。循環頻率α（Hz）。

第二步：作循環自相關τ=0處的單切片圖如圖1。

可在低頻處看出兩個頻率：調幅信號的ft1，調頻信號的調制頻率ft2。

圖1 循環自相關單切片分析τ=0

高頻處有不易分辨有用頻率信息：譜線在120 Hz左右最密。

這是由60 Hz的載波頻率引起的，反映了調幅部分的載波及調制頻率[60 Hz及其一倍邊頻（60±6）Hz]的信息。

如果忽略這一簇譜線，則可清楚地發現：在100～200 Hz范圍內，譜線的排列和200～300 Hz范圍內的譜線排列是一樣的，并且關于200 Hz對稱。而且在400 Hz處，有不受混頻干擾的載波信號及其關于調頻頻率的多個邊頻。反映了調頻部分的載波及調制頻率[200 Hz及其多個邊頻（200 ±12）Hz、（200 ± 24）Hz、（200±36）Hz等]的信息。

第三步：做信號調制頻率處的循環自相關與譜相關切片譜圖，如圖2所示。

圖2 特征頻率處切片集合圖

分析此圖，總結如下：

（1）α=6 Hz的譜相關切片圖，是相當于是對其循環自相關的FFT變換。在此循環自相關切片圖中，可以看到信號在時延域中呈循環特性，而相應的譜相關圖中則可清楚地發現ft1、2 ft1、2 fz1及其邊頻2 fz1±n ft1、4 fz1及其變頻 4 fz1±n ft1、6 fz1及其邊頻 6 fz1±n ft1等有的能量峰值出現（n 取 1，2，3，…，取值越大，峰值越小）。

為了便于比較，又做調頻信號

在特征頻率α=6 Hz時的循環譜相關切片圖，發現兩者的的切片圖表達的信息一致。即α取信號調制頻率時，可以調解提取出該調幅信號的調制頻率與載波頻率。

（2）α=12 Hz的譜相關切片具有調頻信號的特征。主要反映的是ft2及其倍頻n ft2、2 fz2及其倍頻2 fz2±n ft2（n取1，2，3，…，取值越大，幅值越?。c調頻信號

在α=12 Hz的信息差不多，不同的是此圖在f=240 Hz及其一倍邊頻處（240±6）Hz多出現了能量較低的一小組峰值，反映了調幅信號x1的調制與載波頻率。

（3）從圖中還可以清楚地發現，調幅信號與調頻信號切片圖的異同：在α取調制頻率頻率時，它們低頻處出現的能量峰值的，都是是調制頻率及其倍頻；而高頻處則都是載波及其邊頻，但調幅信號的這種切片圖中，有載波頻率的倍頻，載波頻率附近的邊頻也比較少（通常只有一倍邊頻），而調頻信號中沒有載波頻率的倍頻，且此載波頻率附近會出現多組邊頻。

基于譜相關的這種調解特性，可以判別信號以及頻率的類型。

3 結束語

本文闡明了循環平穩信號的特征及其適用信號處理方法。在此基礎上，以較為復雜的調制調幅信號為仿真對象，分別分析了它的三維二階循環自相關譜圖，τ=0處的循環自相關單切片圖，結果表明三維圖運算量大，所得的信息冗余且頻率之間干擾嚴重，取其切片圖中也同樣存在交叉干擾。

為更清楚地調解出復雜信號中的信息，本文提出了調制頻率處的循環自相關與譜相關切片分析法。多調制源調幅信號、多頻率成分相加信號的循環相關解調分析表明，循環相關解調分析可以排除交叉因素，有效分離出復雜信號中蘊涵的各調制源和載波源，為更好地分析實際故障信號奠定理論基礎。

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