訊號截斷及能量洩漏效應

2021-10-02 02:39:50 字數 2244 閱讀 2852

做散斑相關真心苦逼,一點思路都沒有。眼看到研二了,哎,愁啊!最近考慮把位相相關和散斑結合起來看一下,結果在位相相關中遇到edge effects。看了一些**,說必須加窗。對於窗函式不是很了解,在網上看到這篇文章,感覺還可以。

6.4.1 訊號截斷及能量洩漏效應

數字訊號處理的主要數學工具是傅利葉變換。應注意到,

傅利葉變換是研究整個時間域和頻率域的關係。然而,當運用計算機實現工程測試訊號處理時,不可能對無限長的訊號進行測量和運算,而是取其有限的時間片段進行分析。做法是從訊號中擷取乙個時間片段,然後用觀察的訊號時間片段

進行週期延拓處理,得到虛擬的無限長的訊號,然後就可以對訊號進行傅利葉變換、相關分析等數學處理。 

圖6.4-1

週期延拓後的訊號與真實訊號是不同的,下面從數學的角度來看這種處理帶來的誤差情況。設有余弦訊號x(t)在時域分布為無限長(- ∞,∞),當用矩形窗函式w(t)與其相乘時,得到截斷訊號xt(t)=x(t)w(t)。根據博裡葉變換關係,余弦訊號的頻譜x(ω)是位於ω。處的δ函式,而矩形窗函式w(t)的譜為sinc(ω)函式,按照頻域卷積定理,則截斷訊號xt(t)的譜xt(ω) 應為

將截斷訊號的譜xt(ω)與原始訊號的譜x(ω)相比較可知,它已不是原來的兩條譜線,而是兩段振盪的連續譜。這表明原來的訊號被截斷以後,其頻譜發生了畸變,原來集中在f0

處的能量被分散到兩個較寬的頻帶中去了,這種現象稱之為頻譜能量洩漏(leakage)。 

訊號截斷以後產生的能量洩漏現象是必然的,因為窗函式w(t)是乙個頻帶無限的函式,所以即使原訊號x(t)是限頻寬訊號,而在截斷以後也必然成為無限頻寬的函式,即訊號在頻域的能量與分布被擴充套件了。又從取樣定理可知,無論取樣頻率多高,只要訊號一經截斷,就不可避免地引起混疊,因此訊號截斷必然導致一些誤差,這是訊號分析中不容忽視的問題。 

如果增大截斷長度t,即矩形視窗加寬,則窗譜w(ω)將被壓縮變窄(π/t減小)。雖然理論上講,其頻譜範圍仍為無限寬,但實際上中心頻率以外的頻率分量衰減較快,因而洩漏誤差將減小。當視窗寬度t趨於無窮大時,則譜窗w(ω)將變為δ(ω)函式,而δ(ω)與x(ω)的卷積仍為h(ω),這說明,如果視窗無限寬,即不截斷,就不存在洩漏誤差。 

圖6.4-2

為了減少頻譜能量洩漏,可採用不同的擷取函式對訊號進行截斷,截斷函式稱為窗函式,簡稱為窗。洩漏與窗函式頻譜的兩側旁瓣有關,如果兩側p旁瓣的高度趨於零,而使能量相對集中在主瓣,就可以較為接近於真實的頻譜,為此,在時間域中可採用不同的窗函式來截斷訊號。

6.4.2常用窗函式

。。實際應用的窗函式,可分為以下主要型別:

冪窗:採用時間變數某種冪次的函式,如矩形、三角形、梯形或其它時間函式x(t)的高次冪;

三角函式窗:應用三角函式,即正弦或余弦函式等組合成復合函式,例如漢寧窗、海明窗等;

指數窗。。:採用指數時間函式,如e-st

形式,例如高斯窗等。

。。下面介紹幾種常用窗函式的性質和特點。

(l) 矩形窗

矩形窗屬於時間變數的零次冪窗,函式形式為

相應的窗譜為

矩形窗使用最多,習慣上不加窗就是使訊號通過了矩形窗。這種窗的優點是主瓣比較集中,缺點是旁瓣較高,並有負旁瓣(下圖所示),導致變換中帶進了高頻干擾和洩漏,甚至出現負譜現象。

圖6.4-3

(2) 三角窗

。。三角窗亦稱費傑(fejer)窗,是冪窗的一次方形式,其定義為

相應的窗譜為

。。三角窗與矩形窗比較,主瓣寬約等於矩形窗的兩倍,但旁瓣小,而且無負旁瓣,如下圖所示。 

圖6.4-4

訊號截斷及能量洩漏效應

數字訊號處理的主要數學工具是傅利葉變換。應注意到,傅利葉變換是研究整個時間域和頻率域的關係。然而,當運用計算機實現工程測試訊號處理時,不可能對無限長的訊號進行測量和運算,而是取其有限的時間片段進行分析。做法是從訊號中擷取乙個時間片段,然後用觀察的訊號時間片段進行週期延拓處理,得到虛擬的無限長的訊號,...

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