传统的信号分析方法在处理平稳信号时，显示出了巨大的优势，但是，在非平稳随机信号面前却显得无能为力。现代信号处理中的许多方法虽然能够有效地处理非平稳信号，但仍然摆脱不了时频两域分离的困境。时频分析作为现代信号处理的一个分支，在信号处理中具有极其重要的地位，它将时间域与频率域结合起来，以联合时频分布的形式来表示信号，克服了以往单一的在时域或频域分析信号的缺点，使得在时域或频域中难以得到的信号特征在时频面内能够清晰地表示出来。显然，时频分析是一种较为理想的信号分析方法。滚动轴承在转动过程中由于受到各种激励力的作用，产生的振动信号是复杂的非平稳信号，因此非常适合于用时频方法对其进行分析。本文以轴承为对象，在轴承正常、内环点蚀、滚珠点蚀三种模式下，对振动信号加以分析，运用时频分析方法提取正常和故障状态的时频特征，实现故障诊断。本文在全面系统地研究时频分析理论的同时，着重地研究了二次型时频分布的交叉干扰项和时频分辨率之间的冲突问题，因此，如何在有效地抑制交叉干扰项的同时保持高的时频分辨率是本文所要讨论的主要问题。本文所做的工作有以下几点：(1)研究几种典型的时频分布及其性质，指出由于其核函数的固有性质而导致的时频分布存在的缺陷，进而研究其改进方法；(2)为了进一步解决上述问题，研究了自适应chirplet变换及其快速算法，并全面系统地探讨了chirplet的性质及其应用；(3)将时频分析方法应用于滚动轴承的故障诊断，并对其诊断的结果进行全面的分析，通过分析比较可以看出：自适应chirplet变换在抑制交叉干扰项的同时能够保持高的时频分辨率，在故障诊断中可以更好地提取振动信号的时频特征，因此，是一种较为理想的轴承故障诊断方法。