
頻率分辨率 時間分辨率 空間分辨率
短時傅立葉變換是最常用的一種時頻分析方法,它通過時間窗內(nèi)的一段信號來表示某一時刻的信號特征。窗越寬,時間分辨率越差;反之會降低頻率分辨率,也就是說它不能同時兼顧時間和頻率分辨率。
解釋一:頻率分辨率可以理解為在使用DFT時,在頻率軸上的所能得到的最小頻率間隔f0:
f0=fs/N=1/(N/fs)=1/(N*(1/fs))= 1/(N * Ts)=1/T
1 / fs= Ts
N * Ts=T
其中N為采樣點數(shù),fs為采樣頻率,Ts為采樣間隔。所以N * Ts就是采樣前模擬信號的時間長度T,所以信號長度越長,頻率分辨率越好。是不是采樣點數(shù)越多,頻率分辨力提高了呢?其實不是的,因為一段數(shù)據(jù)拿來就確定了時間T,注意:f0=1/T,而T=N * Ts,增加N必然減小Ts ,增加N時f0是不變的。只有增加點數(shù)的同時導致增加了數(shù)據(jù)長度T才能使分辨率越好。還有容易搞混的一點,我們在做DFT時,常常在有效數(shù)據(jù)后面補零達到對頻譜做某種改善的目的,我們常常認為這是增加了N,從而使頻率分辨率變好了,其實不是這樣的,補零并沒有增加有效數(shù)據(jù)的長度,仍然為T。但是補零其實有其他好處:1.使數(shù)據(jù)N為2的整次冪,便于使用FFT。2.補零后,其實是對DFT結(jié)果做了插值,克服“柵欄”效應,使譜外觀平滑化;我把“柵欄”效應形象理解為,就像站在柵欄旁邊透過柵欄看外面風景,肯定有被柵欄擋住比較多風景,此時就可能漏掉較大頻域分量,但是補零以后,相當于你站遠了,改變了柵欄密度,風景就看的越來越清楚了。3.由于對時域數(shù)據(jù)的截短必然造成頻譜泄露,因此在頻譜中可能出現(xiàn)難以辨認的譜峰,補零在一定程度上能消除這種現(xiàn)象。
那么選擇DFT時N參數(shù)要注意:1.由采樣定理:fs>=2fh,2.頻率分辨率:f0=fs/N,所以一般情況給定了fh和f0時也就限制了N范圍:N>=fs/f0。
解釋二:頻率分辨率也可以理解為某一個算法(比如功率譜估計方法)將原信號中的兩個靠得很近的譜峰依然能保持分開的能力。這是用來比較和檢驗不同算法性能好壞的指標。在信號系統(tǒng)中我們知道,寬度為N的矩形脈沖,它的頻域圖形為sinc函數(shù),兩個一階零點之間的寬度為4π/N。由于時域信號的截短相當于時域信號乘了一個矩形窗函數(shù),那么該信號的頻域就等同卷積了一個sinc函數(shù),也就是頻域受到sinc函數(shù)的調(diào)制了,根據(jù)卷積的性質(zhì),因此兩個信號圓周頻率之差W0必須大于4π/N。從這里可以知道,如果增加數(shù)據(jù)點數(shù)N,即增加數(shù)據(jù)長度,也可以使頻率分辨率變好,這一點與第一種解釋是一樣的。同時,考慮到窗函數(shù)截短數(shù)據(jù)的影響存在,當然窗函數(shù)的特性也要考慮,在頻率做卷積,如果窗函數(shù)的頻譜是個沖擊函數(shù)最好了,那不就是相當于沒截斷嗎?可是那不可能的,我們考慮窗函數(shù)主要是以下幾點:1.主瓣寬度B最?。ㄏ喈斢诰匦未皶r的4π/N,頻域兩個過零點間的寬度)。2.最大邊瓣峰值A最?。ㄟ@樣旁瓣泄露小,一些高頻分量損失少了)。3.邊瓣譜峰漸近衰減速度D最大(同樣是減少旁瓣泄露)。在此,總結(jié)幾種很常用的窗函數(shù)的優(yōu)缺點:
矩形窗:B=4π/N A=-13dB D=-6dB/oct
三角窗:B=8π/N A=-27dB D=-12dB/oct
漢寧窗:B=8π/N A=-32dB D=-18dB/oct
海明窗:B=8π/N A=-43dB D=-6dB/oct
布萊克曼窗:B=12π/N A=-58dB D=-18dB/oct
可以看出,矩形窗有最窄的主瓣,但是旁瓣泄露嚴重。漢寧窗和海明窗雖主瓣較寬,但是旁瓣泄露少,是常選用的窗函數(shù)。
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