数字信号分析——窗函数
2017-09-01 09:30
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1、基本定义
为了减少频谱能量泄漏,可采用不同的截取函数对信号进行截短,截断函数称为窗函数,简称为窗。信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的,因为窗函数w(t)是一个频带无限的函数,所以即使原信号x(t)是有限带宽信号,而在截短以后也必然成为无限带宽的函数,即信号在频域的能量与分布被扩展了。又从采样定理可知,无论采样频率多高,只要信号一经截短,就不可避免地引起混叠,因此信号截短必然导致一些误差。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关,如果两侧瓣的高度趋于零,而使能量相对集中在主瓣,就可以较为接近于真实的频谱,为此,在时间域中可采用不同的窗函数来截短信号。
2、相关原理
不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的,这主要是因为不同的窗函数,产生泄漏的大小不一样,频率分辨能力也不一样。信号的截短产生了能量泄漏,而用FFT算法计算频谱又产生了栅栏效应,从原理上讲这两种误差都是不能消除的,但是我们可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。(矩形窗主瓣窄,旁瓣大,频率识别精度最高,幅值识别精度最低;布莱克曼窗主瓣宽,旁瓣小,频率识别精度最低,但幅值识别精度最高)。3、窗函数选择及对比
对于窗函数的选择,应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率,而不考虑幅值精度,则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗,例如测量物体的自振频率等;如果分析窄带信号,且有较强的干扰噪声,则应选用旁瓣幅度小的窗函数,如汉宁窗、三角窗等;对于随时间按指数衰减的函数,可采用指数窗来提高信噪比。 实际应用的窗函数,可分为以下主要类型:a) 幂窗--采用时间变量某种幂次的函数,如矩形、三角形、梯形或其它时间(t)的高次幂;
b)三角函数窗--应用三角函数,即正弦或余弦函数等组合成复合函数,例如汉宁窗、海明窗等;
c)指数窗--采用指数时间函数,如 形式,例如高斯窗等。
d)平顶窗--平顶窗在频域时的表现就象它的名称一样有非常小的通带波动。
名称 | 特点 | 应用 |
矩形窗 Rectangle | 矩形窗使用最多,习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中,缺点是旁瓣较高,并有负旁瓣,导致变换中带进了高频干扰和泄漏,甚至出现负谱现象。频率识别精度最高,幅值识别精度最低,所以矩形窗不是一个理想的窗。 | 如果仅要求精确读出主瓣频率,而不考虑幅值精度,则可选用矩形窗,例如测量物体的自振频率等,也可以用在阶次分析中。 |
汉宁窗 Hanning | 又称升余弦窗。主瓣加宽并降低,旁瓣则显著减小,从减小泄漏观点出发,汉宁窗优于矩形窗.但汉宁窗主瓣加宽,相当于分析带宽加宽,频率分辨力下降。它与矩形窗相比,泄漏、波动都减小了,并且选择性也提高。 | 是很有用的窗函数。如果测试信号有多个频率分量,频谱表现的十分复杂,且测试的目的更多关注频率点而非能量的大小,需要选择汉宁窗。如果被测信号是随机或者未知的,选择汉宁窗。 |
海明窗 (汉明窗) Hamming | 与汉宁窗都是余弦窗,又称改进的升余弦窗,只是加权系数不同,使旁瓣达到更小。但其旁瓣衰减速度比汉宁窗衰减速度慢。 | 与汉明窗类似,也是很有用的窗函数。 |
平顶窗 Flap Top | 平顶窗在频域时的表现就象它的名称一样有非常小的通带波动。 | 由于在幅度上有较小的误差,所以这个窗可以用在校准上。 |
凯塞窗 Kaiser | 定义了一组可调的由零阶贝塞尔Bessel 函数构成的窗函数,通过调整参数β可以在主瓣宽度和旁瓣衰减之间自由选择它们的比重。对于某一长度的Kaiser 窗,给定β,则旁瓣高度也就固定了。 | |
布莱克曼窗 Blackman | 二阶升余弦窗,主瓣宽,旁瓣比较低,但等效噪声带宽比汉宁窗要大一点,波动却小一点。频率识别精度最低,但幅值识别精度最高,有更好的选择性。 | 常用来检测两个频率相近幅度不同的信号。 |
高斯窗 Gaussian | 是一种指数窗。主瓣较宽,故而频率分辨力低;无负的旁瓣,第一旁瓣衰减达一55dB。常被用来截短一些非周期信号,如指数衰减信号等。 | 对于随时间按指数衰减的函数,可采用指数窗来提高信噪比。 |
三角窗 (费杰窗) Fejer | 是幂窗的一次方形式。与矩形窗比较,主瓣宽约等于矩形窗的两倍,但旁瓣小,而且无负旁瓣。 | 如果分析窄带信号,且有较强的干扰噪声,则应选用旁瓣幅度小的窗函数,如汉宁窗、三角窗等; |
切比雪夫窗(Chebyshev) | 在给定旁瓣高度下,Chebyshev窗的主瓣宽度最小,具有等波动性,也就是说,其所有的旁瓣都具有相等的高度。 |
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