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离散傅里叶变换用DFT对模拟信号进行谱分析

2022/07/16195 作者:佚名
导读:在工程实际中经常遇到的模拟信号xn(t),其频谱函数Xn(jΩ)也是连续函数,为了利用DFT对xn(t)进行谱分析,对xn(t)进行时域采样得到x(n)= xn(nT),再对x(n)进行DFT,得到X(k)则是x(n)的傅里叶变换X(ejω)在频率区间[0,2π]上的N点等间隔采样,这里x(n)和X(k)都是有限长序列 然而,傅里叶变换理论证明,时间有限长的信号其频谱是无限宽的,反之,弱信号的频谱

在工程实际中经常遇到的模拟信号xn(t),其频谱函数Xn(jΩ)也是连续函数,为了利用DFT对xn(t)进行谱分析,对xn(t)进行时域采样得到x(n)= xn(nT),再对x(n)进行DFT,得到X(k)则是x(n)的傅里叶变换X(ejω)在频率区间[0,2π]上的N点等间隔采样,这里x(n)和X(k)都是有限长序列

然而,傅里叶变换理论证明,时间有限长的信号其频谱是无限宽的,反之,弱信号的频谱有限宽的则其持续时间将为无限长,因此,按采样定理采样时,采样序列应为无限长,这不满足DFT的条件。实际中,对于频谱很宽的信号,为防止时域采样后产生‘频谱混叠’,一般用前置滤波器滤除幅度较小的高频成分,使信号的带宽小于折叠频率;同样对于持续时间很长的信号,采样点数太多也会导致存储和计算困难,一般也是截取有限点进行计算。上述可以看出,用DFT对模拟信号进行谱分析,只能是近似的,其近似程度取决于信号带宽、采样频率和截取长度

模拟信号xn(t)的傅里叶变换对为

X(jΩ)={-∞, ∞}x(t)*exp^-jΩt dt

x(t)=1/2π{-∞, ∞} X(JΩ)*e^jΩt dΩ

用DFT方法计算这对变换对的方法如下:

(a)对xn(t)以T为间隔进行采样,即xn(t)|t=nT= xa(nT)= x(n),由于

t→nT,dt→T, {-∞, ∞}→∑n={-∞, ∞}

因此得到

X(jΩ)≈∑n={-∞, ∞}x(nT)*exp^-jΩnT*T

x(nT)≈1/2π{0, Ωs} X(JΩ)*e^jΩnT Dω

(b)将序列x(n)= xn(t)截断成包含有N个抽样点的有限长序列

X(jΩ)≈T∑n={0,N-1}x(nT)*exp^-jΩnT*T

由于时域抽样,抽样频率为fs=1/T,则频域产生以fs为周期的周期延拓,如果频域是带限信号,则有可能不产生频谱混叠,成为连续周期频谱序列,频谱的周期为fs=1/T

(c)为了数值计算,频域上也要抽样,即在频域的一个周期中取N个样点,fs=NF0,每个样点间隔为F0,频域抽样使频域的积分式变成求和式,而在时域就得到原来已经截断的离散时间序列的周期延拓,时间周期为T0=1/F0。因此有

Ω→kΩ0,dΩ→Ω0,{-∞, ∞} dΩ→∑n={-∞, ∞}Ω0

T0=1/F0=N/fs=NT

Ω0=2ΠF0

Ω0T=Ω0/fs=2π/N

X(jkΩ0)≈T∑n={0,N-1}x(nT)*exp^-jkΩ0nT

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