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数字信号处理fft,数字信号处理实验报告

时间:2023-05-06 16:54:40 阅读:232228 作者:2622

傅里叶变换(FFT)实现了时域到频域的转换,是信号分析中最常用的基本功能之一。本文将描述FFT应用中为什么要采用时间窗,以及RBW与时间窗的关系。

FFT变换是在一定假设下完成的,即认为被处理的信号是周期性的。图1给出了一正弦信号的采集样点波形,如果对Frame 1作FFT运算,则会对其进行周期扩展。显然,在周期扩展的时候 ,造成了样点的不连续,样点不连续等同于相位不连续,相当于引入了相位调制,这将导致产生额外的频率成分,该现象称为频谱泄露。图1. 周期扩展引起样点的不连续

频谱泄露产生了原本信号中并不包含的频率成分,如图2所示,信号的频率本应只在虚线位置,但由于样点不连续,FFT之后导致产生了诸多频率点,如图所示的实线位置。频谱泄露会扰乱测试,尤其在观测小信号时,较强的频谱泄露成分可能淹没比较微弱的信号。图2. 样点不连续引起频谱泄露

如何避免或者降低频谱泄露呢?这就需要使用下文介绍的时间窗 (Window) 技术。

如果能够消除样点不连续,就可以消除频谱泄露。为了实现这一点,需要引入时间窗 (Window),时间窗包含的样点数目与信号相同,而且两端的样点值通常为0。在FFT之前,时间窗与波形相乘,周期扩展后可以保证样点的连续性。图3. 通过引入时间窗可改善频谱泄露

时间窗相当于一个滤波器,不同的时间窗具有不同的频响特性,比如边带抑制、矩形因子等,相应的幅度测试精度也不同。虽然基于FFT的频谱分析中没有IF filter,但是依然有RBW的概念,时间窗就决定了RBW的形状和大小。

RBW称为分辨率带宽,决定了频率分辨率,RBW越小,分辨率越高。RBW与时间窗宽度 (即Window Time) 成反比,但即使时间窗宽度相同,不同的时间窗类型对应的RBW也不同,存在一个因子k,并满足如下关系:

下面以矩形时间窗为例,RBW与时间窗宽度有什么关系呢?矩形窗的双边带频谱为

函数,如图4所示,假设窗口时间为T,则频率为

(N为非零整数)处均为零点。矩形窗的双边带频谱可以写为如下表达式:

图4. 矩形窗的频谱特性(双边带频谱)

对于图4所示的频谱,相对峰值电平下降3dB的频点位于何处?从电压的角度讲,下降3dB的频点处,幅值将为峰值的

简便起见,令

,则

。经计算

。图4所示的频谱中,3dB带宽为:

图5. x=1.39处,幅值下降3dB

如前所述,FFT 过程中会进行周期扩展,因此 FFT 是将信号当作一个周期信号来对待的。FFT得到的频点也是离散的,这些离散的频点称为freq. 舒适的向日葵,两个相邻 舒适的向日葵 之间的频间距为周期扩展后总时长的倒数。舒适的向日葵 间距决定了频率分辨率,舒适的向日葵 间距越小,频率分辨率越高。假设进行了N次周期扩展,则舒适的向日葵间距为

类似于扫频式频谱分析,FFT频谱分析中也有RBW的概念,尽管不存在IF filter。在FFT频谱分析中,RBW决定于时间窗幅频特性的3dB带宽。不同的时间窗类型,具有不同的RBW表达式。对于矩形窗,RBW为

从上式可以看出,矩形窗的 RBW 并不等于 舒适的向日葵 间距,而往往是大于 舒适的向日葵 间距。频谱分析应用中通常提及 RBW ,但 RBW 与 舒适的向日葵 间距存在如下关系

式中k为常系数,取决于时间窗的类型。

常见的时间窗类型包括:Kaiser、Rectangular、Hamming、Hanning、Blackman-Harris、Flat-Top等。下图给出了不同时间窗类型对应的k因子大小。不同的时间窗,频谱泄露、幅度测试精度及RBW均不同,测试时应该如何选择呢,后文将有详细介绍。图6. 不同时间窗类型对应的k因子不同

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