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数字信号处理的基础-7“光谱与时间窗”

DFT (离散傅里叶变换) 通过从连续的时间信号中采样N个点,截取一个有限的时间窗长度(采样时间,T=NΔt),执行傅里叶级数展开,将截取的采样时间T秒看作一个基本周期重复的时间波形。

如果T是输入信号周期 (频率的倒数) 的整数倍,则时间波形是连续的,计算出正确的频谱;否则 (通常几乎是这种情况),在截取的时间窗口长度T的起点和终点处形成不连续的时间波形,波形失真,由于这种不连续引起的波形失真,在频谱中产生误差。
具体而言,输入频率的峰值将减慢,并且两侧将出现轻微的扩散 (下摆) 。与真实值相比,光谱的峰值较小,因此功率在两侧的扩散中泄漏。

以这种方式,频谱的峰值变小并且宽度变宽的误差被称为泄漏 (泄漏) 误差,并且出现隐藏大频率分量附近的小峰值的现象,并且频谱的动态范围实际上它会降低。

  • 原始波形
    原始波形

  • 剪切原始波形T小时。
    剪切原始波形T小时。

  • ② 展开傅里叶级数后,假定T的波形为反复持续的波形。
    ② 展开傅里叶级数后,假定T的波形为反复持续的波形。

  • ③ 对的波形进行FFT后,由于是在上图2的不连续点A、B处急剧变化的波形,所以包含高频,形成下摆扩大的光谱 (泄漏误差) 。
    ③ 对的波形进行FFT后,由于是在上图2的不连续点A、B处急剧变化的波形,所以包含高频,形成下摆扩大的光谱 (泄漏误差) 。

为了尽量减少上述误差,在剪切的时间波形上乘以使其两端收敛于0的加权函数称为“乘以时间窗”,这样的加权函数称为时间窗或时间窗函数。

  • ③ 的波形加上时间窗函数 (汉宁) 后,不连续点A、B变得平滑,形成连续波形。
    ③ 的波形加上时间窗函数 (汉宁) 后,不连续点A、B变得平滑,形成连续波形。

  • ⑤ 当FFT的波形时,它变成了下摆宽度较小的光谱。但是,通过时间窗函数,振幅就这样变得小于V0。
    ⑤ 当FFT的波形时,它变成了下摆宽度较小的光谱。但是,通过时间窗函数,振幅就这样变得小于V0。

  • 在FFT分析器中,根据时间窗函数进行校正,以使与频率分辨率匹配的正弦波输入信号的振幅成为V0。
    在FFT分析器中,根据时间窗函数进行校正,以使与频率分辨率匹配的正弦波输入信号的振幅成为V0。

下面简要介绍FFT分析器中经常使用的重要时间窗 (窗口) 。

方形窗口
最基本的窗口是方形窗口。这是一个只截断时间窗口T的部分的函数,它是最基本的时间窗口,也是其他时间窗口函数的基础。
如上所述,泄漏误差较大,因此不适用于普通的时间波形,但对于像锤击试验等情况那样的瞬态信号,波形不会发生反向失真,因此经常使用。

汉宁窗
最常用的窗口是汉宁窗,它是大多数商业FFT分析器的默认设置。以时间原点为中心的汉宁窗函数;

                    (1+cos(2πt/T))/2=cos2(πt/T)(-T/2 ≦ t ≦ T/2)

,其中最大值在中心 (t=0) 为1,最大值在两端为0。
也称为Raised Cosine,因为它是将余弦波形抬高的波形。峰值宽度比方形窗口宽约1.6倍 (较差的频率分辨率),但泄漏误差比方形窗口好得多。

虽然原始波形乘以窗口函数会降低输入信号的功率(汉宁窗为3/8),但在实际的FFT分析器中,线谱峰值和覆盖值等值会自动调整为窗口类型。
另外,选择窗函数时,过渡波形为方形窗,其他为汉宁窗。

如果您想了解更多关于窗函数的信息,请参阅Kenichi Cito的7.1节“数字信号处理简介”Maruzen (1985)

小野测器技术报告,《关于FFT分析仪》,第7章:“FFT和时间窗”

(摘自2003年4月24日发行的电子邮件杂志)