【转】补零与离散傅里叶变换的分辨率
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??????? 離散傅里葉變換(DFT)的輸入是一組離散的值,輸出同樣是一組離散的值。在輸入信號而言,相鄰兩個采樣點的間隔為采樣時間Ts。在輸出信號而言,相鄰兩個采樣點的間隔為頻率分辨率fs/N,其中fs為采樣頻率,其大小等于1/Ts,N為輸入信號的采樣點數。這也就是說,DFT的頻域分辨率不僅與采樣頻率有關,也與信號的采樣點數有關。那么,如果保持輸入信號長度不變,但卻對輸入信號進行補零,增加DFT的點數,此時的分辨率是變還是不變?
?????? 答案是此時分辨率不變。從時域來看,假定要把頻率相差很小的兩個信號區分開來,直觀上理解,至少要保證兩個信號在時域上相差一個完整的周期,也即是相位相差2*pi。舉個例子,假定采樣頻率為1Hz,要將周期為10s的正弦信號和周期為11s的正弦信號區分開來,那么信號至少要持續110s,兩個信號才能相差一個周期,此時周期為10s的那個信號經歷的周期數為11,而11s的那個信號經歷的周期書為10。轉化到頻域,這種情況下,時域采樣點為110,分辨率為1/110=0.00909,恰好等于兩個信號頻率只差(1/10-1/11)。如果兩個信號在時域上不滿足“相差一個完整周期“的話,補零同樣也不能滿足“相差一個完整周期”,即分辨率不發生變化。另外,從信息論的角度,也很好理解,對輸入信號補零并沒有增加輸入信號的信息,因此分辨率不會發生變化。
?????? 那么,補零到底會帶來什么樣的影響呢?因為DFT可以看做是對DTFT的采樣,補零僅是減小了頻域采樣的間隔。這樣有利于克服由于柵欄效應帶來的有些頻譜泄露的問題。也就是說,補零可以使信號能在頻域被更細致地觀察。如果不滿足上述“至少相差一個完整周期”的要求,即便是如DTFT一般在頻域連續,也無法分辨出兩個信號。
?????? 那么,影響DFT分辨率最本質的物理機制是什么呢?在于DFT的積累時間,分辨率為積累時間T的倒數。這點從數學公式上可以很容易得到:
????????????????????????? fs/N=1/(N*Ts)=1/T
??????? 舉個例子說,如果輸入信號的時長為10s,那么無論采樣頻率為多少,當然前提是要滿足奈奎斯特定理,其分辨率為1/10=0.1Hz。
總結
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