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FFT在分析頻譜時的誤差來源

嘉峪檢測網(wǎng)        2018-06-12 14:45

FFT在分析信號頻譜的時候,會有下面四個方面的誤差:

1
頻譜混疊

奈奎斯特定理已被眾所周知了,所以幾乎所有人的都知道為了不讓頻譜混疊,理論上采樣頻譜大于等于信號的最高頻率。

 

那和時域上聯(lián)系起來的關系是什么呢?采樣周期的倒數(shù)是頻譜分辨率,最高頻率的倒數(shù)是采樣周期。

 

設定采樣點數(shù)為N,采樣頻率fs,最高頻率fh,故頻譜分辨率f=fs/N,而fs>=2fh,所以可以看出最高頻率與頻譜分辨率是相互矛盾的,提高頻譜分辨率的同時,在N確定的情況下必定會導致最高頻率fh的減??;同樣的,提高最高頻率fh的同時必會引起的增大,即分辨率變大。

 

2
柵欄效應

由于dft是只取k=0,1,2,.......N-1,只能取到離散值,如果頻譜之間相隔較大的話也許會將一些中間的信息丟失掉,而用fft 計算dft是不可避免的,解決的辦法就是增加采樣點數(shù)N。這樣頻譜間隔變小,丟失信息的概率減小。

 

另外,增加0可以更細致觀察頻域上的信號,但不會增加頻譜分辨率。

 

3
頻譜泄露

是由加窗函數(shù)引起的,同樣是計算量的問題(用fft、用dft 必需要加窗函數(shù)),時域上的相乘,頻域上卷積,引起信號的頻譜失真,只有在很少的情況下,頻譜泄露是不會發(fā)生的,大部分情況都會引起泄露。如:

FFT在分析頻譜時的誤差來源

N點的fft 則不會發(fā)生泄露,但2N,或N+1,N+2等均會引起失真,而引起失真可以從表達式上看出:X(K)=卷積以后的頻譜在2π/N*k的取樣值,所以如果是2Ndft,為2π/2N*k,相當于Ndft結果各個值中間再取樣了一個值,而2π/(N+2)*k就與Nfft完全不一樣了。

 

解決辦法,可以擴大窗函數(shù)的寬度(時域上的寬了,頻域上就窄了,(時域頻域有相對性),也就是泄露的能量就小了),或者不要加矩形的窗函數(shù),可以加緩變的窗函數(shù),也可以讓泄露的能量變小。

 

因為泄露會造成頻譜的擴大,所以也可能會造成頻譜混疊的現(xiàn)象,而泄露引起的后果就是降低頻譜分辨率。

 

4
譜間干擾

頻譜泄露會令主譜線旁邊有很多旁瓣,這就會造成譜線間的干擾,更嚴重就是旁瓣的能量強到分不清是旁瓣還是信號本身的,這就是所謂的譜間干擾。

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來源:AnyTesting

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