FFT補(bǔ)零可以提高頻率分辨率嗎？
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- 發(fā)布時(shí)間：2014/3/19 11:27:32
- 作者：銀河電氣
經(jīng)?？吹?b>FFT補(bǔ)零是否可以提高
頻率分辨率的討論，事實(shí)上，只要我們明確
傅里葉變換的本質(zhì)，就很容易判斷補(bǔ)零對(duì)傅里葉變換的影響。
從根本上講，傅里葉變換僅僅是一種變換而已。所謂變換，是指經(jīng)過(guò)傅里葉變換，得到的是輸入信號(hào)的另外一種表現(xiàn)形式。
具體上講，傅里葉變換是一種時(shí)域與頻域之間的轉(zhuǎn)換，傅里葉變換的輸入是時(shí)域信息，輸出是頻域信息。利用傅里葉變換，可以通過(guò)時(shí)域信息得到頻域信息，反之，得到的頻域信息通過(guò)傅里葉逆變換，可以得到與傅里葉變換輸入相同的時(shí)域信息。
一句話總結(jié)，傅里葉變換的輸入與輸出，具有不同的表現(xiàn)形式，但是，都表示同一個(gè)信號(hào)。
FFT補(bǔ)零主要發(fā)生在兩種場(chǎng)合：
1、傅里葉點(diǎn)數(shù)不是2的N次冪，通過(guò)補(bǔ)零得到2的N次冪個(gè)點(diǎn)，這種情況下，一般補(bǔ)零的數(shù)量不會(huì)太多。
2、由于傅里葉變換得到的頻域信息的頻率分辨率與傅里葉變換輸入的時(shí)域信息代表的時(shí)間長(zhǎng)度的倒數(shù)相等。因此，有人希望通過(guò)給時(shí)域信息補(bǔ)零，延長(zhǎng)時(shí)域信息代表的時(shí)間，從而提到頻域信息的分辨率。這種情況下，補(bǔ)零的數(shù)量取決于希望達(dá)到的頻率分辨率。
就數(shù)學(xué)上講，上述兩種情況下，F(xiàn)FT輸出的頻率分辨率都提高了。
例如：采樣頻率為1024Hz，采樣得到的序列包含1000點(diǎn)，1000個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不能進(jìn)行FFT變換，若采用DFT變換，DFT輸出的頻率分辨率為1.024Hz。補(bǔ)上24個(gè)零，得到1024點(diǎn)的序列，進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT輸出的頻率分辨率為1Hz，頻率分辨率由1.024Hz提高到了1Hz；若補(bǔ)上1048個(gè)零，序列代表的時(shí)間長(zhǎng)度為2S，F(xiàn)FT輸出的頻率分辨率0.5Hz，頻率分辨率由1Hz進(jìn)一步提高到0.5Hz。
這樣看來(lái)，FFT補(bǔ)零的確可以提高頻率分辨率，并且，只要你愿意，可以無(wú)限的提高！
值得注意的是，零也是數(shù)據(jù)，在FFT變換時(shí)，算法并不能識(shí)別哪些為有用，哪些為無(wú)用，補(bǔ)零就是改變了FFT的輸入，輸出自然也會(huì)改變。
FFT補(bǔ)零得到的頻譜，代表的是補(bǔ)零后的波形，而補(bǔ)零后的波形與原始波形是不一樣的，不是我們真正關(guān)心的波形。換言之，F(xiàn)FT補(bǔ)零的確可以提高頻率分辨率，但是，F(xiàn)FT輸出結(jié)果誤差增大了，當(dāng)補(bǔ)零數(shù)過(guò)多時(shí)，誤差達(dá)到不可接受的程度時(shí)，就是錯(cuò)誤了。
傅里葉變換得到的頻譜中，最低頻率分量的頻率f0等于傅里葉時(shí)間窗的長(zhǎng)度（輸入序列代表的時(shí)間長(zhǎng)度）的倒數(shù)。頻率為f0的頻率分量稱(chēng)為基波，若被測(cè)波形不是頻率為f0的正弦波，那么，傅里葉頻譜中，必然還包括與該頻率成整倍數(shù)的其它頻率分量，這些分量稱(chēng)為諧波。
看下面這個(gè)具體的例子：
被測(cè)波形為50Hz正弦波，采樣率為1000Hz，采樣時(shí)間為20mS，得到圖1所示的20個(gè)采樣點(diǎn)的序列，采用DFT對(duì)該序列進(jìn)行變換，頻譜中，只有50Hz的譜線，頻率分辨率為50Hz。
這是正確的結(jié)果，可以反映輸入波形的特征。
WP4000變頻功率分析儀的基波測(cè)量和諧波分析就是采樣的方式，一方面確保對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行
整周期截?cái)?/b>，另一方面由于采用DFT，序列點(diǎn)數(shù)不受2的N次冪的限制。
圖1. 50Hz正弦波的20個(gè)原始采樣點(diǎn)
圖2. 補(bǔ)零后的32個(gè)采樣點(diǎn)
如果我們采用FFT，由于20不等于 2的N次冪，我們補(bǔ)上12個(gè)零，得到如圖2的32點(diǎn)的序列。
對(duì)比圖2和圖1，我們發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)零后FFT的分析對(duì)象變了。這是一個(gè)什么樣的對(duì)象呢？
由于實(shí)際信號(hào)一般是無(wú)限長(zhǎng)序列，而FFT針對(duì)的序列總是有限長(zhǎng)的，因此，傅里葉變換基于這樣一種假設(shè)，假設(shè)實(shí)際信號(hào)以輸入的有限長(zhǎng)序列為周期，并按照該周期進(jìn)行周期延拓。我們將圖1和圖2的序列進(jìn)行周期延拓后，得到圖3和圖4的序列。
圖3. 原樣本序列周期延拓后的無(wú)限長(zhǎng)序列
圖4. 補(bǔ)零后序列周期延拓后的無(wú)限長(zhǎng)序列
圖中可以直觀地看出，圖3是周期為20mS，頻率為50Hz的正弦波，而圖4是周期為32mS，頻率為31.25Hz的特殊波形。就時(shí)域圖中，我們看不出其頻譜，但是，依據(jù)傅里葉論斷，該波形對(duì)應(yīng)的頻譜僅包含頻率為31.25Hz的基波及頻率為31.25Hz整數(shù)倍的諧波，一定不包含50Hz的頻率分量。
圖3的頻率的頻率分辨率為50Hz，圖4的頻率的頻率分辨率為31.25Hz。頻率分辨率確實(shí)提高了，但是，補(bǔ)零后得到的頻譜（圖4對(duì)應(yīng)的頻譜）不是我們想要的！
一句話：FFT補(bǔ)零可以提高頻率分辨率，但是，補(bǔ)零得到的不是我們需要的頻譜。
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作者：AnyWay中國(guó)
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