每次FFT變換只能對有限長度的時域數據進行變換,因此需要對時域信號進行信號截斷,即使是周期信號,如果截斷的時間長度不是周期的整數倍(整周期截斷),那么截取后的信號將會存在頻譜泄漏,為了將這個泄漏誤差減少到最小程度(不是消除),我們需要使用窗函數。加窗主要是為了使時域信號似乎更好的滿足FFT處理的周期性要求,減少泄漏。
一什么是窗函數?
數字信號處理的主要數據工具是傅里葉變換,當運用計算機實現測試信號處理時,不可能對無限長的信號進行測量和運算,而是取其有限的時間片段進行分析。具體做法是從時域信號中截取一個時間片段,然后用截取的信號時間片段進行周期延拓處理,得到虛擬的無限長信號,再進行傅里葉變換和相關分析。當無限長信號被截斷后,即使是周期信號,如果截斷的時間長度不是信號周期的整數倍(整周期截斷),那么其頻譜會發生畸變,為了將這個泄漏誤差減少到最小程度,我們需要采用不同的截取函數對信號進行截斷,截斷函數稱為窗函數。
二幾種常用窗函數的性質和特點?
窗函數的作用主要是用來減小頻譜泄漏和改善柵欄效應。只有對窗函數特性進行深入的了解,才能針對不同的應用場合的信號選擇恰當的窗函數,以下介紹幾種常用窗函數的性質和特點:
1、矩形窗。矩形窗屬于時間變量的零次冪窗,矩形窗使用最多,習慣不加窗就是使信號通過了矩形窗。這種窗的優點是主瓣比較集中,缺點是旁瓣較高,并有負旁瓣,導致變換中帶進了高頻干擾和泄漏,甚至出現負譜現象;
2、三角窗。三角窗亦稱費杰窗,是冪窗的一次方形式,與矩形窗比較,主瓣寬約等于矩形窗的兩倍,但旁瓣小,而且無負旁瓣;
3、漢寧窗。又稱余弦窗,漢寧窗可以看做是3個矩形時間窗的頻譜之和。漢寧窗主瓣加寬并降低,旁瓣則顯著減小,從減小泄漏觀點出發,漢寧窗優于矩形窗,但漢寧窗主瓣加寬,相當于分析帶寬加寬,頻率分辨力下降;
4、海明窗。海明窗與漢寧窗一樣,也是余弦窗的一種,只是加權系數不同,海明窗加權的系數能使旁瓣達到更小,分析表明,海明窗的第一旁瓣衰減為-42dB,但其旁瓣衰減速度為20dB/(10oct),這比漢寧窗衰減速度慢;
5、高斯窗。高斯窗是一種指數窗,它無負的旁瓣,第一旁瓣衰減達-55dB,高斯負譜的主瓣較寬,故而頻率分辨力低,高斯窗函數常被用來截斷一些非周期信號。
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