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数字信号处理的基础-6“时间轴和频率轴之间的关系”

上次我们谈到最小频率分辨率与要剪切的时间窗口长度 (采样时间) 在DFT (离散傅里叶变换) 计算中是倒数关系,但那么可以分析的最大频率是什么?是吗?

在数字信号处理 (称为A/D转换) 中,根据特定的时间间隔,将随时间不断变化的信号 (模拟信号) 转换为不连续的数据串 (数字信号) 。此时间间隔称为采样周期。倒数fs (=1/Δt) 称为采样频率,表示每秒提取数据的速度或次数。

可以分析的最大频率取决于此采样频率。
假设要分析的正弦波信号的频率为fm,可以直观地理解,采样频率fs必须以比其更大的频率采样才能正确获得数据。那么,以多大的频率采样才能再现数据呢?

一般来说,存在奈奎斯特采样定理,“如果以输入频率的两倍或更多频率进行采样,则可以正确再现数据”。例如,如果输入正弦波的频率为fm,则采样频率fs必须为2fm或更高。此低采样频率2fm有时称为“奈奎斯特频率”。如果你不保留这一点,你可能会捕获谎言数据,这种现象称为“锯齿”。
反过来,确定采样频率fs后,可分析的最大频率为fs/2。

在数字信号处理中,当剪切有限的时间长度T时,数据的“采样点数”也变得重要。在采样周期Δt中,采样N点时,T=NΔt (=N/fs) 。具体而言,为了便于FFT计算,样本点N通常是2的幂(例如1024、2048)。

从N点的时间信号可以得到最多N/2个有意义的光谱,但是在许多具体情况下,可以得到更少的结果N/2.56个光谱。例如,N=1024和2048分别产生400和800行光谱。

如果要提高分析频率线,则必须将N设置得更大。同样地,采样频率fs与所得频谱的频率范围fR之间的关系也是2.56这个因子比 (fR=fs/2.56) 。

总结到目前为止的故事,有三个参数:采样频率fs,采样点N和捕获时间窗口长度T。如果您决定两个参数,则会自动确定其他参数。
普通FFT分析器允许用户选择频率范围和采样点数。

有关具体数值示例,请参阅以下小野测器网站上的常见问题解答部分。

FFT基本常见问题-数据长度,频率分辨率,时间长度的关系

(摘自2003年1月24日发行的电子邮件杂志)