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MATLAB中FFT的使用方法

MATLAB中FFT的使用方法调用方法X=FFT(x);X=FFT(x,N);%N为FFT后的数据点数,如果实际信号的数据点数小于N的话,则需要在FFT变换时增加采样点数,或者通过采用频率细分法在原数据后面补充一定数量的0,从而满足N个数据点X=IFFT(X);X=IFFT(X,N)一、用MATLAB进行谱分析时注意:(1)函数FFT返回值的数据结构具有对称性。

例:N=8;n=0:N-1;xn=[4 3 2 6 7 8 9 0];Xk=fft(xn)Xk =39.0000 -10.7782 + 6.2929i 0 - 5.0000i 4.7782 -7.7071i 5.0000 4.7782 + 7.7071i 0 + 5.0000i -10.7782 -6.2929iXk与xn的维数相同,共有8个元素。

Xk的第一个数对应于直流分量,即频率值为0。

(2)做FFT分析时,幅值大小与FFT选择的点数有关,但不影响分析结果。

在IFFT时已经做了处理。

要得到真实的振幅值的大小,只要将得到的变换后结果乘以2除以N即可。

二、FFT应用举例例1:x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t)。

采样频率fs=100Hz,分别绘制N=128、1024点幅频图。

clf;fs=100;N=128; %采样频率和数据点数n=0:N-1;t=n/fs; %时间序列x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t); %信号y=fft(x,N); %对信号进行快速Fourier变换mag=abs(y); %求得Fourier变换后的振幅f=n*fs/N; %频率序列subplot(2,2,1),plot(f,mag); %绘出随频率变化的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('N=128');grid on;subplot(2,2,2),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)); %绘出Nyquist频率之前随频率变化的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('N=128');grid on;%对信号采样数据为1024点的处理fs=100;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t); %信号y=fft(x,N); %对信号进行快速Fourier变换mag=abs(y); %求取Fourier变换的振幅f=n*fs/N;subplot(2,2,3),plot(f,mag); %绘出随频率变化的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('N=1024');grid on;subplot(2,2,4)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)); %绘出Nyquist频率之前随频率变化的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('N=1024');grid on;运行结果:fs=100Hz,Nyquist频率为fs/2=50Hz。

整个频谱图是以Nyquist频率为对称轴的。

并且可以明显识别出信号中含有两种频率成分:15Hz和40Hz。

由此可以知道FFT变换数据的对称性。

因此用FFT对信号做谱分析,只需考察0~Nyquist频率范围内的幅频特性。

若没有给出采样频率和采样间隔,则分析通常对归一化频率0~1进行。

另外,振幅的大小与所用采样点数有关,采用128点和1024点的相同频率的振幅是有不同的表现值,但在同一幅图中,40Hz与15Hz振动幅值之比均为4:1,与真实振幅0.5:2是一致的。

为了与真实振幅对应,需要将变换后结果乘以2除以N。

例2:x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t),fs=100Hz,绘制:(1)数据个数N=32,FFT所用的采样点数NFFT=32;(2)N=32,NFFT=128;(3)N=136,NFFT=128;(4)N=136,NFFT=512。

clf;fs=100; %采样频率Ndata=32; %数据长度N=32; %FFT的数据长度n=0:Ndata-1;t=n/fs; %数据对应的时间序列x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t); %时间域信号y=fft(x,N); %信号的Fourier变换mag=abs(y); %求取振幅f=(0:N-1)*fs/N; %真实频率subplot(2,2,1),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)*2/N); %绘出Nyquist频率之前的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('Ndata=32 Nfft=32');grid on;Ndata=32; %数据个数N=128; %FFT采用的数据长度n=0:Ndata-1;t=n/fs; %时间序列x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);y=fft(x,N);mag=abs(y);f=(0:N-1)*fs/N; %真实频率subplot(2,2,2),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)*2/N); %绘出Nyquist频率之前的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('Ndata=32 Nfft=128');grid on;Ndata=136; %数据个数N=128; %FFT采用的数据个数n=0:Ndata-1;t=n/fs; %时间序列x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);y=fft(x,N);mag=abs(y);f=(0:N-1)*fs/N; %真实频率subplot(2,2,3),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)*2/N); %绘出Nyquist频率之前的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('Ndata=136 Nfft=128');grid on;Ndata=136; %数据个数N=512; %FFT所用的数据个数n=0:Ndata-1;t=n/fs; %时间序列x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);y=fft(x,N);mag=abs(y);f=(0:N-1)*fs/N; %真实频率subplot(2,2,4),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)*2/N); %绘出Nyquist频率之前的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('Ndata=136 Nfft=512');grid on;结论:(1)当数据个数和FFT采用的数据个数均为32时,频率分辨率较低,但没有由于添零而导致的其他频率成分。

(2)由于在时间域内信号加零,致使振幅谱中出现很多其他成分,这是加零造成的。

其振幅由于加了多个零而明显减小。

(3)FFT程序将数据截断,这时分辨率较高。

(4)也是在数据的末尾补零,但由于含有信号的数据个数足够多,FFT振幅谱也基本不受影响。

对信号进行频谱分析时,数据样本应有足够的长度,一般FFT程序中所用数据点数与原含有信号数据点数相同,这样的频谱图具有较高的质量,可减小因补零或截断而产生的影响。

例3:x=cos(2*pi*0.24*n)+cos(2*pi*0.26*n)(1)数据点过少,几乎无法看出有关信号频谱的详细信息;(2)中间的图是将x(n)补90个零,幅度频谱的数据相当密,称为高密度频谱图。

但从图中很难看出信号的频谱成分。

(3)信号的有效数据很长,可以清楚地看出信号的频率成分,一个是0.24Hz,一个是0.26Hz,称为高分辨率频谱。

可见,采样数据过少,运用FFT变换不能分辨出其中的频率成分。

添加零后可增加频谱中的数据个数,谱的密度增高了,但仍不能分辨其中的频率成分,即谱的分辨率没有提高。

只有数据点数足够多时才能分辨其中的频率成分。

FFT是离散傅立叶变换的快速算法,可以将一个信号变换到频域。

有些信号在时域上是很难看出什么特征的,但是如果变换到频域之后,就很容易看出特征了。

这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。

另外,FFT可以将一个信号的频谱提取出来,这在频谱分析方面也是经常用的。

虽然很多人都知道FFT是什么,可以用来做什么,怎么去做,但是却不知道FFT之后的结果是什意思、如何决定要使用多少点来做FFT。

现在圈圈就根据实际经验来说说FFT结果的具体物理意义。

一个模拟信号,经过ADC采样之后,就变成了数字信号。

采样定理告诉我们,采样频率要大于信号频率的两倍,这些我就不在此罗嗦了。

采样得到的数字信号,就可以做FFT变换了。

N个采样点,经过FFT之后,就可以得到N个点的FFT结果。

为了方便进行FFT 运算,通常N取2的整数次方。

假设采样频率为Fs,信号频率F,采样点数为N。

那么FFT之后结果就是一个为N点的复数。

每一个点就对应着一个频率点。

这个点的模值,就是该频率值下的幅度特性。

具体跟原始信号的幅度有什么关系呢?假设原始信号的峰值为A,那么FFT的结果的每个点(除了第一个点直流分量之外)的模值就是A的N/2倍。

而第一个点就是直流分量,它的模值就是直流分量的N倍。

而每个点的相位呢,就是在该频率下的信号的相位。

第一个点表示直流分量(即0Hz),而最后一个点N的再下一个点(实际上这个点是不存在的,这里是假设的第N+1个点,也可以看做是将第一个点分做两半分,另一半移到最后)则表示采样频率Fs,这中间被N-1个点平均分成N等份,每个点的频率依次增加。

例如某点n所表示的频率为:Fn=(n-1)*Fs/N。

由上面的公式可以看出,Fn所能分辨到频率为Fs/N,如果采样频率Fs为1024Hz,采样点数为1024点,则可以分辨到1Hz。

1024Hz的采样率采样1024点,刚好是1秒,也就是说,采样1秒时间的信号并做FFT,则结果可以分析到1Hz,如果采样2秒时间的信号并做FFT,则结果可以分析到0.5Hz。

如果要提高频率分辨力,则必须增加采样点数,也即采样时间。

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