假設取樣頻率為 1m , 取樣點數為1024 ,那麼橫座標第n個點代表的頻率 x(n) = (1m / 1024) * n
fft是離散傅利葉變換的快速演算法,可以將乙個訊號變換
到頻域。有些訊號在時域上是很難看出什麼特徵的,但是如
果變換到頻域之後,就很容易看出特徵了。這就是很多訊號
分析採用fft變換的原因。另外,fft可以將乙個訊號的頻譜
提取出來,這在頻譜分析方面也是經常用的。
雖然很多人都知道fft是什麼,可以用來做什麼,怎麼去
做,但是卻不知道fft之後的結果是什意思、如何決定要使用
多少點來做fft。
現在圈圈就根據實際經驗來說說fft結果的具體物理意義。
乙個模擬訊號,經過adc取樣之後,就變成了數碼訊號。取樣
定理告訴我們,取樣頻率要大於訊號頻率的兩倍,這些我就
不在此羅嗦了。
取樣得到的數碼訊號,就可以做fft變換了。n個取樣點,
經過fft之後,就可以得到n個點的fft結果。為了方便進行fft
運算,通常n取2的整數次方。
假設取樣頻率為fs,訊號頻率f,取樣點數為n。那麼fft
之後結果就是乙個為n點的複數。每乙個點就對應著乙個頻率
點。這個點的模值,就是該頻率值下的幅度特性。具體跟原始
訊號的幅度有什麼關係呢?假設原始訊號的峰值為a,那麼fft
的結果的每個點(除了第乙個點直流分量之外)的模值就是a
的n/2倍。而第乙個點就是直流分量,它的模值就是直流分量
的n倍。而每個點的相位呢,就是在該頻率下的訊號的相位。
第乙個點表示直流分量(即0hz),而最後乙個點n的再下乙個
點(實際上這個點是不存在的,這裡是假設的第n+1個點,也
可以看做是將第乙個點分做兩半分,另一半移到最後)則表示
取樣頻率fs,這中間被n-1個點平均分成n等份,每個點的頻率
依次增加。例如某點n所表示的頻率為:fn=(n-1)*fs/n。
由上面的公式可以看出,fn所能分辨到頻率為為fs/n,如果
取樣頻率fs為1024hz,取樣點數為1024點,則可以分辨到1hz。
1024hz的取樣率取樣1024點,剛好是1秒,也就是說,取樣1秒
時間的訊號並做fft,則結果可以分析到1hz,如果取樣2秒時
間的訊號並做fft,則結果可以分析到0.5hz。如果要提高頻率
分辨力,則必須增加取樣點數,也即取樣時間。頻率解析度和
取樣時間是倒數關係。
假設fft之後某點n用複數a+bi表示,那麼這個複數的模就是
an=根號a*a+b*b,相位就是pn=atan2(b,a)。根據以上的結果,
就可以計算出n點(n≠1,且n<=n/2)對應的訊號的表示式為:
an/(n/2)*cos(2*pi*fn*t+pn),即2*an/n*cos(2*pi*fn*t+pn)。
對於n=1點的訊號,是直流分量,幅度即為a1/n。
由於fft結果的對稱性,通常我們只使用前半部分的結果,
即小於取樣頻率一半的結果。
好了,說了半天,看著公式也暈,下面圈圈以乙個實際的
訊號來做說明。
假設我們有乙個訊號,它含有2v的直流分量,頻率為50hz、
相位為-30度、幅度為3v的交流訊號,以及乙個頻率為75hz、
相位為90度、幅度為1.5v的交流訊號。用數學表示式就是如下:
s=2+3*cos(2*pi*50*t-pi*30/180)+1.5*cos(2*pi*75*t+pi*90/180)
式中cos引數為弧度,所以-30度和90度要分別換算成弧度。
我們以256hz的取樣率對這個訊號進行取樣,總共取樣256點。
按照我們上面的分析,fn=(n-1)*fs/n,我們可以知道,每兩個
點之間的間距就是1hz,第n個點的頻率就是n-1。我們的訊號
有3個頻率:0hz、50hz、75hz,應該分別在第1個點、第51個點、
第76個點上出現峰值,其它各點應該接近0。實際情況如何呢?
我們來看看fft的結果的模值如圖所示。
圖1 fft結果
從圖中我們可以看到,在第1點、第51點、和第76點附近有
比較大的值。我們分別將這三個點附近的資料拿上來細看:
1點: 512+0i
2點: -2.6195e-14 - 1.4162e-13i
3點: -2.8586e-14 - 1.1898e-13i
50點:-6.2076e-13 - 2.1713e-12i
51點:332.55 - 192i
52點:-1.6707e-12 - 1.5241e-12i
75點:-2.2199e-13 -1.0076e-12i
76點:3.4315e-12 + 192i
77點:-3.0263e-14 +7.5609e-13i
很明顯,1點、51點、76點的值都比較大,它附近的點值
都很小,可以認為是0,即在那些頻率點上的訊號幅度為0。
接著,我們來計算各點的幅度值。分別計算這三個點的模值,
結果如下:
1點: 512
51點:384
76點:192
按照公式,可以計算出直流分量為:512/n=512/256=2;
50hz訊號的幅度為:384/(n/2)=384/(256/2)=3;75hz訊號的
幅度為192/(n/2)=192/(256/2)=1.5。可見,從頻譜分析出來
的幅度是正確的。
然後再來計算相位資訊。直流訊號沒有相位可言,不用管
它。先計算50hz訊號的相位,atan2(-192, 332.55)=-0.5236,
結果是弧度,換算為角度就是180*(-0.5236)/pi=-30.0001。再
計算75hz訊號的相位,atan2(192, 3.4315e-12)=1.5708弧度,
換算成角度就是180*1.5708/pi=90.0002。可見,相位也是對的。
根據fft結果以及上面的分析計算,我們就可以寫出訊號的表達
式了,它就是我們開始提供的訊號。
總結:假設取樣頻率為fs,取樣點數為n,做fft之後,某
一點n(n從1開始)表示的頻率為:fn=(n-1)*fs/n;該點的模值
除以n/2就是對應該頻率下的訊號的幅度(對於直流訊號是除以
n);該點的相位即是對應該頻率下的訊號的相位。相位的計算
可用函式atan2(b,a)計算。atan2(b,a)是求座標為(a,b)點的角
度值,範圍從-pi到pi。要精確到xhz,則需要取樣長度為1/x秒
的訊號,並做fft。要提高頻率解析度,就需要增加取樣點數,
這在一些實際的應用中是不現實的,需要在較短的時間內完成
分析。解決這個問題的方法有頻率細分法,比較簡單的方法是
取樣比較短時間的訊號,然後在後面補充一定數量的0,使其長度
達到需要的點數,再做fft,這在一定程度上能夠提高頻率分辨力。
具體的頻率細分法可參考相關文獻。
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