为什么非整周期截断就会发生频谱泄露呢?且看下图:
频谱泄露
图1.从无限长序列中截取有限长序列
图1所示为无限长周期信号,我们截取了其中一段(有限长序列),这一段不是一个完整周期。傅里叶变换仍然将信号当成无限长序列,傅里叶变换又是如何将其当成无限长呢?
这里采用了一种被称为周期延拓的技术,所谓周期延拓,就是把截取的有限长序列当成是无限长序列的一个周期,然后不断的复制,得到一个新的无限长序列。
频谱泄露
图2.有限长序列经过周期延拓构建的新的无限长序列
如图2所示,从图1所示无限长序列中截取的有限长序列,经过周期延拓后,得到一个新的无限长序列,显然,这个新的序列与原序列是不一样的!
图2的信号与图1的信号不同,分析得到的频谱自然也不同!不同之处在于,图1是单一频率信号,只有一根谱线,而图2中,除了图1信号包含的这根谱线(不妨称为主谱线)外,出现了其它频率的谱线,通常,这些谱线要比主谱线短很多,如果把这些原信号不包含的谱线理解为是主谱线泄露出来的,那么,这种现象就被称为频谱泄露!
采用合适的窗函数(常见的窗函数有汉宁窗、三角窗、海明窗和高斯窗等等)可以一定程度上抑制频谱泄露。
窗函数的概念,非常抽象,然而,窗函数的作用,是非常有限的,我们可以这样理解:
如图2中的信号,由于突然截断造成周期延拓时两个周期相邻处出现了信号突变,这种突变,代表的是信号包含了高次谐波。加上合适的歘窗函数,可以把这个突变变得圆滑一些,从而抑制高次谐波。
但是,我们也可以这样想,假设图2的信号就是真实信号,那么,加上这样的窗函数反而得到了错误的结果!
因此,避免频谱泄露的根本还是要从源头出发,尽可能做到准确的整周期截断,这种情况下,窗函数可以选择最简单的矩形窗。
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