信号处理:谱密度

频谱分辨率

我们知道计算上存储的都是离散的数据,和连续数据不一样的是,离散数据非稠密,是有最小间隔的。正如单位体积的质量叫密度,在频率轴上有几个频率点,叫做频谱密度。

计算方法

F i n t e r v a l = F s a m p l e P o i n t t o t a l
因为 F s a m p l e = 1 / T i n t e r v a l
T i n t e r v a l P o i n t t o t a l = T d u r a
所以 F i n t e r v a l = 1 T d u r a
所以真实的物理分辨率,是由采样总时间决定的,信号长度越长,频率分辨率越好。DFT的频谱分辨率仅决定于截取连续信号的长度。但在实际使用DFT的计算中,为了使用快速傅立叶算法,我们会对数据进行补零操作(靠近2的n次方).

泄漏效应:

利用DFT得到的频谱中除了原始信号中确实存在的频率分量外,还有一些原始信号中并不存在的频率分量,这种现象就是泄漏效应。
泄漏的产生与信号时域截断的长度有关,长度越长,分辨率越高,泄漏越少。因为,阶段本质上是乘了一个矩形窗,也就是相当于在频率域做了卷积,可以想象,当截取的长度趋于无穷大时,泄漏将趋于零。
要想不出现泄漏,还有另一种方法,确保截取时长等于频率成分周期的整数倍即可。
另外注意,采样频率必须是信号频率的整数倍。
但对于分析的未知信号,由于不知道其包含哪些频率成分,不可能控制采样频率是各频率成分的频谱的整数倍,也不可能控制截取长度正好等于各频率成分周期的整数倍,而且为了提高频谱密度必须进行补零操作,因此频谱泄漏是不可避免的。
DFT频谱泄漏的原因:与时域乘了矩形序列有关,注意这个过程是分两步完成的,先截断,再补零。
截断的过程又被称为“加窗”。加矩形窗时域数据被突然截断,因此旁瓣泄漏较大,如果加缓变的窗,对数据进行缓慢截断就可以达到减少旁瓣泄漏的目的。

分辨率辨析

例如,hanning,hamming窗等等。
当今最常见时频分析方法主要有四种,分别是基于短时傅立叶变换法,基于小波变换法,Choi-Williams分布法和Hilbert-Hang变换法,经实验测得Hilbert-Huang具有最高的频率分辨率。频率分辨率和时间分辨率作为时频分析中两个重要的指标,在时频分析中起着重要的作用。

频率分辨率

解释一:在使用DFT时,在频率轴上的所能得到的最小频率间隔。
F i n t e r v a l = F s a m p l e P o i n t t o t a l
其中N为采样点数,fs为采样频率,
为采样间隔。所以NTs就是采样前模拟信号的时间长度T,所以信号长度越长,频率分辨率越好。

解释二:理解为某一个算法(如功率谱估计方法)将原信号中的两个靠得很近的谱峰依然能保持分开的能力。这是用来比较和检验不同算法性能好坏的指标。

时间分辨率

解释:在使用DFT时,在时间轴上所能得到的最小时间间隔。即区分信号出现时间的能力。

频率分辨率和时间分辨率的应用

以短时傅里叶变换为例:在短时傅里叶变换中,更具时间分辨率可以计算出加窗的次数,即时间分辨率的倒数。然后可以根据频率分辨率计算出窗的长度(即上面所讲信号的长度)。我们根据窗长和窗滑动的次数便可以计算出窗每次滑动的步长,或者说是重叠点数。

信号分类

在信号处理中,频域分析基本上就等同于傅里叶分析,但就傅里叶分析来说,又有多种具体的方法,比如对离散信号有离散时间傅里叶变换(DTFT)、离散傅里叶变换(DFT)。对连续信号有傅里叶级数(FS)、傅里叶变换(FT)。
1.傅里叶级数
在高等数学中就已经知道,在满足一定的条件下,任何一个周期信号都可以分解为正弦信号的叠加,这种分解就称为傅里叶级数。在信号处理学习的最初阶段,也是从这个概念出发开始构建信号的傅里叶分析的大厦。小结一下,周期连续信号的傅里叶分析称为傅里叶级数。此时,在傅里叶分析之前,信号是周期的、连续的,在其之后(变成频域后),结果是非周期的、离散的。如图a。
2.傅里叶变换
对于连续信号,如果信号不是周期的,其傅里叶分析结果又是如何呢?非周期信号可以等效为周期为无穷大的周期信号。于是,由傅里叶级数出发,利用极限的有关概念,可以推导出非周期信号的傅里叶分析结果,这就是傅里叶变换。小结一下,非周期连续信号的傅里叶分析称为傅里叶变换。在傅里叶分析之前,信号是非周期的、连续的,在之后,结果也是非周期的、连续的。如图b。
3.离散时间傅里叶变换
对非周期的连续信号进行时域采样,得到非周期的离散信号。此时的傅里叶分析称为离散时间傅里叶变换。由时频互易性原理可知,时域的采样等效于频域的周期延拓,因此DTFT在频域是周期的。小结一下,非周期离散信号的傅里叶分析称为离散时间傅里叶变换。在傅里叶分析之前,信号是非周期的、离散的,在之后结果是周期的、连续的。如图c。
4.离散傅里叶变换
对周期离散信号的傅里叶分析称为离散傅里叶变换。在傅里叶分析之前,信号是周期的离散的,在之后,结果是周期的、离散的。如图d。DFT尽管从数学定义式上看不出来信号是周期的,但这个周期是隐含的。
另外,分析图可以发现,对FS、FT、DTFT及DFT这四种傅里叶分析,还有一个显著的特点,即时域的周期性对应着频域的离散性,时域的离散性对应着频域的周期性。这正是时频域采样与周期延拓关系的具体表现。
如图所示:
这里写图片描述

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