頻譜分析誤差表現在那幾個方面

用DFT/FFT對信號進行頻譜分析誤差主要表現在三個方面
即:
1. 頻譜混疊現象;
2. 柵欄效應;
3. 截斷效應,截斷效應又包括頻譜泄漏和譜間干擾。

頻譜混疊
奈奎斯特定理已被衆所周知了,所以幾乎所有人的都知道爲了不讓頻譜混疊,理論上採樣頻譜大於等於信號的最高頻率。那和時域上聯繫起來的關係是什麼呢?

採樣週期的倒數是頻譜分辨率,最高頻率的倒數是採樣週期。

設定採樣點數爲N,採樣頻率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f的同時,在N確定的情況下必定會導致最高頻率fh的減小;同樣的,提高最高頻率fh的同時必會引起f的增大,即分辨率變大。

柵欄效應:
由於dft是隻取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採樣點數N。這樣頻譜間隔變小,丟失信息的概率減小。

另外,增加0可以更細緻觀察頻域上的信號,但不會增加頻譜分辨率。

這裏有補零對分辨率的影響。

截斷效應
截斷效應又包括頻譜泄漏和譜間干擾。

頻譜泄露:是由加窗函數引起的,同樣是計算量的問題(用fft用dft必需要加窗函數),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,頻譜泄露是不會發生的,大部分情況都會引起泄露。如x(n)=cos(2π/N),(n=0,1,2,3…..N-1,) N點的fft則不會發生泄露,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可以看出 X(K)=卷積以後的頻譜在2π/N*k的 取樣值,所以如果是2N的dft,爲2π/2NK,相當於N點dft結果各個值中間再取樣了一個值,而2π/(N+2)k,就與N點fft完全不一樣了。

解決辦法:可以採用截斷長度T0更長,即擴大窗函數的寬度(時域上的寬了,頻域上就窄了,T0=N/fs(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,可以加緩變的窗函數,也可以讓泄露的能量變小。例如海明窗可以使窗的旁瓣更小,海明窗第一旁瓣幅度比矩形窗的第一旁瓣要小32dB, 這樣譜間串擾會大大減小,但是其第一主瓣寬度則變成8pi/N,增加了一倍,又會降低頻率分辨率。

因爲泄露會造成頻譜的擴大,所以也可能會造成頻譜混疊的現象,而泄露引起的後果就是降低頻譜分辨率。

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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