資料補零與離散傅利葉變換的解析度

2021-09-24 01:29:40 字數 912 閱讀 6948

離散傅利葉變換(dft)的輸入是一組離散的值,輸出同樣是一組離散的值。在輸入訊號而言,相鄰兩個取樣點的間隔為取樣時間ts。在輸出訊號而言,相鄰兩個取樣點的間隔為頻率解析度fs/n,其中fs為取樣頻率,其大小等於1/ts,n為輸入訊號的取樣點數。這也就是說,dft的頻域解析度不僅與取樣頻率有關,也與訊號的取樣點數有關。那麼,如果保持輸入訊號長度不變,但卻對輸入訊號進行補零,增加dft的點數,此時的解析度是變還是不變?

答案是此時解析度不變。從時域來看,假定要把頻率相差很小的兩個訊號區分開來,直觀上理解,至少要保證兩個訊號在時域上相差乙個完整的週期,也即是相位相差2pi。舉個例子,假定取樣頻率為1hz,要將週期為10s的正弦訊號和週期為11s的正弦訊號區分開來,那麼訊號至少要持續110s,兩個訊號才能相差乙個週期,此時週期為10s的那個訊號經歷的週期數為11,而11s的那個訊號經歷的週期書為10。轉化到頻域,這種情況下,時域取樣點為110,解析度為1/110=0.00909,恰好等於兩個訊號頻率只差(1/10-1/11)。如果兩個訊號在時域上不滿足「相差乙個完整週期「的話,補零同樣也不能滿足「相差乙個完整週期」,即解析度不發生變化。另外,從資訊理論的角度,也很好理解,對輸入訊號補零並沒有增加輸入訊號的資訊,因此解析度不會發生變化。

那麼,補零到底會帶來什麼樣的影響呢?因為dft可以看做是對dtft的取樣,補零僅是減小了頻域取樣的間隔。這樣有利於克服由於柵欄效應帶來的有些頻譜洩露的問題。也就是說,補零可以使訊號能在頻域被更細緻地觀察。如果不滿足上述「至少相差乙個完整週期」的要求,即便是如dtft一般在頻域連續,也無法分辨出兩個訊號。

那麼,影響dft解析度最本質的物理機制是什麼呢?在於dft的積累時間,解析度為積累時間t的倒數。這點從數學公式上可以很容易得到:

fs/n=1/(nts)=1/t

舉個例子說,如果輸入訊號的時長為10s,那麼無論取樣頻率為多少,當然前提是要滿足奈奎斯特定理,其解析度為1/10=0.1hz。

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