第二章离散信号频谱的窗谱校正方法.docx
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第二章离散信号频谱的窗谱校正方法
华中理工大学博士学位论文
第二章离散信号频谱的窗谱校正方法
----基本理论
§2.1引言
利用DFT可以对离散信号进行频谱分析,但是计算工作量相当大,因此,在快速算
法没用发明之前,DFT并没用多大的实际意义。
直到1965年,Cooley-Tukey在《计算数
学》杂志上首先提出FFT算法之后,
DFT才得到广泛的应用。
这一快速算法的出现对数字
信号分析领域的发展起到了极大的推动作用。
从此以后,它作为频谱分析的基础得到了
广泛的应用
[75,76,77,78]
。
由于计算机只能对信号的有限多个样本进行计算,信号的
FFT谱分析也只能在时域
信号的有限区间内进行,这就不可避免地存在由于时域截断(加矩形窗)而产生泄漏[61],
使谱峰值减小,精度降低,求得的信号相位更是面目全非。
在数字信号处理中,由
DFT
或
FFT得到的幅值谱是离散谱,是信号与窗函数频谱卷积后,按频率分辨率
Δfs
=
fs
/N
(fs为信号采样频率,N为分析信号样本长度)等间隔频域抽样的结果(如图
21
所示)[78]。
A幅值
f
图2-1频谱抽样的离散谱线
如果周期信号的频率正好
表2-1离散频谱幅值、相位和频率误差表
落在某一谱线上,经FFT后得
矩形窗Hanning窗
Hamming
窗
幅值误差(%)
0--36.40--15.30--18.3
相位误差(0)
±90±90±90
频率误差(Hz)
±05Δfs.±05Δfs.±05Δfs.
到的频率、幅值和相位是准确
的。
在一般情况下,信号频率
落于两条相邻谱线之间,由于
谱线不在主瓣中心,由峰值谱
线反映的频率和幅值都不准
10
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确,相位误差更大。
从理论上分析,加矩形窗时,最大误差可达
364
.%,即使加其他窗
时,也不能完全消除这一影响,在加Hanning窗时,只进行幅值恢复时的最大幅值误差仍
高达153
.%,相位误差将更大,表2-1是离散频谱只进行幅值恢复,不进行其他处理时幅
值、相位和频率误差
[141]
。
§2.2单频谐波的频谱分析误差产生原因
无限长信号
x()t(如振动信号、噪声信号等)的频谱分析所采用的方法为对信号进
行截取,然后再对截取得到的有限长度信号进行频谱分析。
窗函数
wt()的作用就相当于
对无限长的信号开一窗口,从窗口中取出一段数据,从而完成信号的截取。
窗函数都是
选择实偶函数,并在时域上将窗函数的中心放于被分析的那段信号的中心。
加窗信号的傅氏变换为:
Fx.
()]()()2π
dt.............................................................(2.1)
[()twtxtwteTTjft=....∫(∞)
.∞
其中,wt
T()由对称窗wt()在时间上平移T/2得到,即
T()t.T/)
wt=w(2................................................................................................(2.2)
设wt()的傅氏变换(如图2-2a)
Fwt
=W(f
[()])......................................................................................................(2.3)
根据傅氏变换的奇偶性质,当wt()是实偶函数时,Wf
()此时也为实偶函数。
又由
傅氏变换的时移特性可知(如图2-2b),
Fw
t
=Wfe
()jfT
π
[T()]...........................................................................................(2.4)
设有一周期信号
x()t=ACos(2π.f0.t+.),则其傅氏变换结果为(如图2-2c):
A.j.
Aj.
()0.f0)...............................................................(2.5)
Xf=.e.δ(f+f)+.e.δ(f
22
根据卷积定理,加窗后的谐波信号
x()twt.T()的傅氏变换可表示为(图2-2d):
Xf
()=Fxt
w
t
T()]=Fxt
[()]Fw
t
()]
T
[()..[T
(这里“*”表示卷积)
AA
.jj
.
..
π
..
j
fT
={.e
.δ(+
)+.e
.δ(..Wfe
ff
ff
)}{()}
00
22
A....
+
)+.]Aj[πTf
f
0).
j[πTf
f
....
.
(0(]
=.Wf
fe
+
)+.
(.
)
(Wf
fe
.
...............(2.6)
00
22
由此可知,在加窗信号的傅氏分析中,当
f≠f0时,将存在泄漏情况。
此时的幅值
及相位分别为:
A
Y=.Wf
f
(.
0)....................................................................................................(2.7)
2
Φ=..
.
Tf(.f
+.......................................................................................(2.8)
π
0)
11
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对窗长度T
=
N
/fs
作归一化处理,则T
=
1,且令Δf
=
f
.
f0代入上面两式可得:
A
(.
)
Φ=.π.Δf
+.
......................................................................................................(2.10)
Y
=
2
.Wf
...........................................................................................................(2.9)
W
(f
)
w
()T
t
t
f
-T/2
T/2
1.1/Τ0.2/Τ2/Τ1/Τ
时域波形窗谱模函数
(a)对称矩形窗函数的时域波形和频谱模函数
wt
T
()
1
t
0T
T
.2/Τ.1/Τ02/Τ1/ΤW()fTf
时域波形窗谱模函数
(b)实际窗函数的时域波形和频谱模函数
T0
Ax(t)
t
X
(f
)
A/2
A/2
f
-f
0f
00
时域波形傅里叶变换模函数
(c)单频率谐波的时域波形和频谱模函数
A
xtT()
0Tt
Y
n
yKyK.1
kk+2k+1k-1k-2f0
0
时域波形离散频谱模函数
(d)单频率谐波离散频谱模函数
图2-2单频率谐波离散频谱的误差产生原因
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显然,当
f=f0时,Y=
A
,Φ=.不存在泄漏情况,得到的幅值、相位和频率都是
2
准确无误差的。
在大多数情况下,当
f≠f0时。
由加窗信号的傅氏分析得到的频率
f、
幅值Y和相位Φ并不是真实值,且有旁瓣产生,这就是所谓的离散频谱的栅栏效应、梳
状效应、能量泄漏和假频等(如图
2-2d所示)。
当信号真实频率位于两个相邻离散谱线中
间时,即
fK.1=f0.Δfs/2,
fK
=f0+Δfs/2(这里
Δfs为频率分辩率)时,求得的信号幅值、相位和频率的误差最大。
§2.3离散频谱信号的窗谱校正方法
假设加窗信号的频谱主瓣中心为
f(即为信号的真实频率),信号幅值为
A0;加窗
信号FFT结果的频谱中,最高的频谱频率(0)为f,高度为Y;次高谱线频率为f2,高度为
Y2。
显然,
f和
f相差仅为一个频率分辨率
(1),对此归
(1)一化后,即有f1=f2±1。
当
f1>f2时取“+
(1)”号
(2);当
f1 加窗信号的频谱由窗频谱对信号真实频 谱调制而得到,因而可利用窗函数的频谱图形对傅氏分析结果进行校正,以求出真实的 频率、幅值和相位 [65][67] 。 (1)频率校正 0 WWxyf+1 f f+1fΔΔΔΔ0 yyxyf+1 f f+1ff0 A 图2-3窗函数的频谱函数图2-4频率和幅值的校正 频率校正即求出信号幅值谱图上窗谱主瓣中心所处的横坐标 f0。 设窗函数的频谱函 数为 Wfff,其窗谱函数为 (), W()对称于 Y轴(如图 2-3所示)。 对于任一 ΔWf(Δ),相应的信号离散频谱幅值为 y;对于处于Y轴右侧的 Δf+1谱线,其窗谱函 数为Wf1,相应的信号离散频谱为 yf+1(1、 yf和 yf+1 (Δ+)(Δ+) 幅值(f);由WfΔ)、Wf 可求出 Δf的值,即求出了频率修正量 Δffff =.0。 由于W()的函数表达式为已知, 可构成一函数: WfΔ)yf ( mFf = (Δ)== ..........................................................................(2.11) Wf+1)y (. f+1 13 华中理工大学博士学位论文 m为窗谱主瓣中心两旁相隔为1的两谱线幅值比值,为 f的函数,求上式的反函数: ΔfG= m ()...............................................................................................................(2.12) = 这样便可得到频率修正量 Δf ff. 0。 在实际计算中,主瓣中心位于信号真实频率 f0处。 在图2-4中 yf和 yf+1是幅值谱主 瓣内谱峰左侧和右侧的谱线,将 m= yf 代入式(2.12)可求出谱线修正量 Δf。 频率校正 y f+1 结果为∶ f0=(f.. )s/ ff N.............................................................................................(2.13) N为分析长度, fs为采样频率。 可将 ΔfG()m称为频率校正函数,对于不同的窗 = 函数,其Gv ()是不同的。 如果在同样的采样频率和同样的信号分析样本长度的情况下, 对加窗信号的频域抽样位置也就确定下来了,由于信号频率 f0的位置固定,即信号频域 峰值位置固定,则可得不管信号加了何种窗,所产生的频率误差都是一样的。 (2)幅值校正 设窗函数的频谱模函数为Wf (),则图2-4中主瓣函数为∶ yAW(. 0) =. xf ...................................................................................................(2.14) 这就是信号频谱与窗函数卷积的结果,式中, A为真实幅值,对应主瓣中心 f0,现 将 yyf,xf代入式得∶ == y AW(ff . f=. 0)................................................................................................(2.15) .= f y 式中, ff 0Δ,故可解出幅值A的值。 A= f .............................................................................................................(2.16) Wf (. ) (3)相位校正 频谱分析所用窗函数都不是对称于Y轴,要向右平移 N/2点,其频谱函数相对于Y 轴来说有一相移因子 e .jNω/2,其相位角∶ φ=.Nω/2............................................................................................................(2.17) ω与谱线 f的关系为∶ ω=2π f/N...........................................................................................................(2.18) 将上式代入式(2.17)可得∶ φ=.π f.................................................................................................................(2.19) 这表明窗函数的相位是线性相位(图2-5所示)。 信号频谱函数与窗函数的频谱作复卷积时为复数相乘,此时相位相加。 由图2-5可看 出,频率误差为半个谱线时,相位误差为最大可达900,显然经 FFT得到的信号实部与虚 14 华中理工大学博士学位论文 部所得到的相位如不加校正是不能用的。 由式 (2.12)得到的频率修正量后,相位修正量 为∶ Δφ =.Δf π .............................................................................................................(2.20) 当加窗信号经FFT后,得到的相位.'时,则其真实相位角为∶ φ=+.'Δφ ................................................................................................................(2.21) 从这可看出,如果所加窗为对称窗,不论窗函 φ 数是简单的还是复杂的,对加窗信号进行傅氏分析 900时,泄漏所产生的相位误差与频率误差都成线性关 系。 因此,对不同的对称窗,加窗信号的幅值误差 .0.50.5 f 可能不同,但由频率校正可知,所有加窗信号的相 位误差是相同的。 -900 从上面的分析可看出上述的校正方法的实质是 图2-5窗函数的相位利用归一化后窗函数幅值谱的主瓣中心两旁差值为 一个频率分辨率 Δfs的两条谱线的高度建立一个以 修正频率为变量的方程,解出修正频率,进而对其相应的信号幅值和相位进行修正。 这 一修正方程建立在所加窗函数的频谱公式(即窗谱图形)之上,因此称这一修正方法为 窗谱校正方法。 下面以矩形窗和汉宁(Hanning)窗的较正为例进行窗谱校正方法的具体分析: 1、矩形窗 在频谱分析中,矩形窗的定义 [78] 为: Wn = 1,n = 012,1.................................................................................(2.22) (),,... N . 其频谱函数为: Nω Sin N .1 . j ω 2 ω .......................................................................................(2.23) W()= e 2 ω Sin 2 则频谱函数的模为式(2.24),其波形图如图2-6(a)所示 Nω Sin 2 ω ...................................................................................................(2.24) W0()= ω Sin 2 相应的相位为: N . 1 .=. ω .........................................................................................................(2.25) 2 15 华中理工大学博士学位论文 从矩形窗频谱模函数波形图可看出主瓣宽度为 4π ,为归一化后的频率分辨率 Δfs的 N 两倍。 由此可知在主瓣内谱线的位置及条数有如下两种情况: (1)只有一条谱线。 此时谱线正好落在主瓣中心上,显然没有泄漏发生。 (2)主瓣内有两条谱线,且落在主瓣中心的两边,这时有泄漏发生。 对于这一情况作 如下推导: N2πN.2πN4πN.4πN0 ωW0()ω012-1-21yyxy1 2 ΔxΔx-1 (a)矩形窗频谱模图形(b)归一化矩形窗频谱模图形 图 2-6矩形窗频谱模图形与其校正方法 由于信号加窗截取后的DFT结果为信号频谱和窗函数频谱在频域中的卷积。 相当于 将窗函数频谱主瓣中心平移至信号的各频率点后,在频率分辨率整数倍的横坐标点上抽 样而得到DFT结果 [78] 。 利用这可进一步简化以下的推导: 由于谱线分辨率为2Nπ ,令ω= 2 N π x,代入式(2.24)即可得: Sinπ. x Wx .....................................................................................................(2.26) ()= π. x Sin N 由式(2.24)可得图2-6(b),因此可设谱线处于 Δx和 Δx .1二点,且已知相应的谱线高 度为 y1,y2则有: Sin(π .Δx) y = A ..................................................................................................(2.27) 1π .Δx Sin() N Sin[(π. Δx . 1)] y = A .........................................................................................(2.28) 2π. (Δx . 1) Sin[] N 由式(2.27)(2.28)可求得 π y2. Sin N .1N Δx = tg .....................................................................................(2.29) ππ y + y Cos 12N 当N>>1时,简化式(2.29)可得下面的近似式子: 16 华中理工大学博士学位论文 y Δx = 2............................................................................................................(2.30) y1+y2 如果信号中有一频率分量,则可看为将窗谱平移至如图 2-7所示的位置,此时的Δx和 Δx.1点变为K,K-1点,则信号的实际频率为: y x =K .Δx =K . 2.....................................................................................(2.31)0y1+y2 0k-1yyxy1 2 ΔxΔx-1)( K() f0 图2-7信号将窗谱平移图形 将式(2.30)代入式(2.27)可得这一频率分量的幅值为: y ..Δx π A0= 1...............................................................................................(2.32) NSin (π.Δx . ) 相应相位的校正结果为: N .12π N .12π N .1 .=. ..x =. ..(K .Δx)=. +π. .Δx ..........(2.33) 00K 2N 2NN 因此对
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