在做信號處理的過程中,常遇到將信號補零后再做FFT等操作,比如頻域脈沖壓縮算法中,一般距離維PRT數據和脈壓系數需要填零使長度相等且滿足2的N次方,但是填零操作能做什么,不能做什么呢?
先說結論:補零不會改變頻譜的樣子(輪廓),也就是不會改變頻率分辨率,但會減弱柵欄效應,提高頻譜分辨率,也就是頻譜采樣點會增加,導致頻譜采樣間隔減小。注意,頻譜分辨率和頻率分辨率的區別。
示例中使用100Hz采樣率產生兩個單頻點正弦信號,頻率分別為11、12Hz;接著兩者分別做FFT運算,以及兩信號疊加后做FFT;
從以上各圖可以看出,隨著填零數量的增加,頻譜的基本輪廓并未改變,只是變得更細膩(提高了頻率顆粒度,即頻譜分辨率),但是并不能提高頻率分辨率,從圖形上直觀體現為主瓣尖峰寬度不變,圖中11Hz和12Hz的正弦信號頻譜峰值難以分辨;
從原理上分析,采樣率100Hz,N=32點,則FFT頻率分辨率fs/N=3.125Hz,則本例中1Hz的差異是無法分辨的,不斷的填充0相當于在頻域進行插值,隨著填零數量的增加,32點的FFT信號頻譜將不斷逼近離散時間傅里葉變換(DTFT)的結果;反過來理解(將圖按從下往上的順序看),在N=32不變的情況下,填零后FFT相當于在32點信號DTFT結果中一個頻域周期內進行等間隔采樣而來。
提高頻率分辨率需要增加觀測時間(即有效數據長度),如需要分辨1Hz的頻率,就需要至少1/1Hz=1s的有效觀測時長;下面看看增加采樣點數后頻譜的變化,圖中分別有11、12Hz兩個頻率的獨立頻譜和時域疊加后的頻譜,可以看到在N大于128點開始,疊加信號主瓣上開始出現兩個非相鄰獨立峰值點,N越大,區分越明顯。單頻信號的主瓣寬度隨著N增加而變窄。
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