Spectral leakage(谱泄漏)

在前面介绍的DFT与FFT算法当中,实际上作了周期性延拓。这是因为计算机进行处理的数据是有限时间段内的,而傅立叶变换要求的是时间从负无穷到正无穷的积分,因此必需要做延拓。这里就涉及到了谱泄漏问题。如图:假定信号是正弦波,如果信号不是整数个波长的话,则延拓的结果将使原本光滑的曲线出现奇点

回忆一下上一节的练习,不难发现,时域中的突变点在傅立叶变换下会对频谱有明显的影响。为了消除这种Spectral leakage,我们需要引入windowing算法。

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Windowing(加窗)


谱泄漏对频谱图的影响的大小取决于时域图中边界上的不连续程度。加窗方法可以将这种不连续最小化。在matlab中,加窗函数的指令为Periodogram,如果只输入变量,则默认使用矩形窗函数。对于各种不同的窗函数,有专门的函数指令来生成,比如较为常用的哈明窗:hamming
练习:生成一个正弦函数,要求含非整数个周期,分别用fft与periodogram函数作出频谱图,观察其中的区别。从频谱图上看,哪一个更合理?
上一节提到过,加窗方法可以实现时频局域化。而从上述内容来看,显然加窗方法还可以修正谱泄漏问题。

关于加窗,简单地讲,就是在傅里叶积分中,将原来的被积函数与特定的窗函数做积,这样的结果可以起到时频局域化的效果。下面是一个简单的例子:

窗函数有很多种,具体参数的设置也比较多。这都需要对加窗方法有进一步的了解,建议参考一些书籍,大致了解一下常用窗函数的特点。

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Convolution(卷积)

  • 转移函数

在信号测量与处理中有一个基本的概念是转移函数: 当输入的信号经过一个具体的回路,比如放大器,其输出的函数当然会有变化。记输入信号为V(t),转移函数为H(t),则输出的信号为H(t)V(t)的乘积。作为放大器,理想情况H(t)是常数。实际上,由于放大器的频率特性,高频信号和低频信号的放大会受到抑制,这将导致放大后的信号高频段与低频段信号的比重减小,信号失真,因此转移函数的形式也就比较复杂。在理论分析中,转移函数的应用十分普遍,比如对于一个声音信号,通过麦克风、放大器、扬声器成为输出信号,这当中的每个部分都有相应的转移函数。

  • 卷积

给定一个时变信号V(t),以及某一回路的转移函数H(t),则 V(tau)=int{-infty}{infty}{V(t)H(tau-t)dt}=V(t)*f(tau-t) 这就是卷积公式,其物理意义是:t时刻的信号在tau时刻的响应为V(t)H(tau-t),将所有时刻的响应求和(积分),就是上式,*记为卷积符号 关于卷积,最常用的有卷积定理:两个函数卷积的傅里叶变换等于两个函数各自傅里叶变换的乘积。(可以用定义式直接证明)

定义了卷积之后,就可以将线性系统中的信号响应表达为输入信号与转移函数的卷积: V(tau)=V(t)*f(tau-t)

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  • howtos/matlab/mt4-2.txt
  • 最后更改: 2007/08/23 13:07
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