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傅里叶变换和数据采集

如果一个快速傅里叶变换的采样频率是N f 赫兹,那么这个变换系统所能处理信号的上限频率是2
N f 赫兹。

如果又知道这个变换系统采样N 个数值,那么这个变换系统的频率分辨率就是N f N
赫兹,N 越大,变换系统的分辨率就越高。

对采样序列做FFT 变换之后,得到一个N 个元素的序列{}n X ,假
设是{0X …1N X -},那么0X 代表直流成分,实际直流成分的大小是
0X N 。

对于其它元素,以n X 为例,它代表信号的频率是
N n f N ⨯,信号的实际幅值是2n X N。

这里所得到的序列只有前半部分对实际测试有用,即实际需要{0X …21N X
-}。

做FFT 变换后得到的图形,即可以看出原始信号中的周期成分,也可看出原始信号中的非周期成分的频谱。

下图是矩形脉冲叠加三个正弦信号的FFT 变换图形。

图片中,通过正弦谱线的高度可以计算正弦成分的幅值;但是非周期成分的谱线高度代表什么?
“(1)对于时间有限连续信号进行傅里叶分析,将DFT 变换后的结果乘以系数s T ,即可得到其近似频谱。

(2)由频谱合成波形。

如果已知某信号的频谱在正负频率范围内共占据频带s f ,利用IDFT 计算之结果乘以系数s f 即可获得其近似的
时间波形。

”Page151《信号与系统》下册
同一信号在时域和频域上计算所得的能量相等,所以这个条件就是验证非周期信号FFT 变换后纵轴坐标的刻度。

数据采集系统的参数选取步骤
① 首先选择采样频率。

信号中的最高频率成分是max f ,那么采集系统
的最低采样频率必须满足max 2s f f >;
② 采样点数的确定。

采样点数需要根据系统的频率分辨率指标f ∆确定,s f N f =∆;
③ 采样的周期就是s
N f τ=。

FFT对周期信号的分析结果和采样时机有关,下面的图形说明了这个问题
这是抽样实际选择不当,造成的频率混叠。

使用FFT作连续信号的频谱分析要注意的3个问题
①频率混叠让模拟信号通过低通滤波器
②泄漏选用合适的窗函数截断采样信号
③栅栏效应增加采样点数或尾部补零,使谱线变密,增加频域采样点数,原来漏掉的
某些频谱分量就可能被检测出来(尾部补零仅是对已经采到的序列提高了频率分辨率,而增加采样点数是提高了对原时域模拟信号的分辨率)。

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