短時傅利葉變換

2021-09-07 07:54:59 字數 1178 閱讀 7558

時間解析度和頻率解析度

時間解析度:訊號頻率隨時間變化,要將這種頻率變化分辨出來。自然,窗越短越好,以使得在窗內訊號頻率近似不變。

例如,100hz的訊號和100.1hz的訊號疊加,一兩個週期恐怕看不出來,必須要足夠多的週期才能區別開。

短時傅利葉變換可以看做移位訊號x[n+m]通過窗w[m]的傅利葉變換。當n改變時,訊號x[m]滑動著通過窗w[m]。對每乙個n,可以看到訊號的一段不同部分。

當然,也可以看做將窗平移,而保持傅利葉分析的時間原點固定不變,由此可以得出稍許不同的另乙個短時傅利葉變換定義式。

當窗對於所有m均為1,即不加窗時,x[n, λ)=σx[n+m]e-jλm=σx[n+m]e-jλ(n+m)ejλn=x(ejλ)ejλn。

因為短時傅利葉變換包含訊號的平移,所以上式也就可以理解了:平移帶來相位的變化,於是x[n, λ)=x(ejλ)ejλn。(點n附近的序列移動到原點附近)

另外,若設m'=n+m,短時傅利葉變換還可以寫成下面的形式:

x[n, λ)=σx[m']w[-(n-m')]ejλ(n-m')。

若設hλ[n]=w[-n]ejλn,那麼短時傅利葉變換就是x[n]和hλ[n]的卷積(固定λ):

傅利葉變換本身就滿足交換性質和線性性質,短時傅利葉變換恰好又具備類似卷積的滑動過程。 

對不同的λ(頻率),hλ[n]相當於對w[n]乘以不同頻率的復指數訊號(施加不同頻率的復指數權),以便能夠將x[m]的相應頻率成分提取出來。

我們固定n時,訊號和窗沒有相對滑動,這樣訊號和窗的乘積在頻域就相當於兩者頻譜的卷積。在做這樣的卷積時,我們滑動w(ejω)得到hλ(ejω)=w(ej(λ-ω)),得到乙個通帶中心位於ω=λ的帶通濾波器,這個濾波器的通帶寬度(近似?)等於窗的傅利葉變換之主瓣的寬度。

在窗或訊號的滑動過程中,對某一特定的n0,x[n0]可能會參與多個時間點的x[n, λ)計算。例如,若窗長度為5(w[0]~w[4]),那麼計算x[0, λ]需要x[0:4],計算x[1, λ]需要x[1:5]……這樣,x[1]同時參與從x[-3, λ]直到x[1, λ)的計算過程。所以,stdtft的計算結果在時間維度上是包含有冗餘資訊的。同樣,連續變數λ也可以離散化。這樣得到抽取後的x[rr, k]=x[rr, 2kπ/n),r為時間維度上的抽取間隔。當然,r不能大於窗的長度l。若dft長度為n,那麼只要滿足n≥l≥r[注],就可以重構訊號。特殊情況就是n=l=r。

[注]實際上應該是l≥r,n≥r。

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