窗户最初是如何构思的?

信息处理 傅里叶变换 过滤器设计 信号历史
2022-01-09 00:22:48

我知道常见的窗户类型(Hamming、Hanning、Kaiser、Tukey 等)。然而,虽然很多书都描述了它们——几乎没有人告诉我它们究竟是如何产生的。

汉明窗有什么神圣之处?汉宁呢?我知道它们都取决于主瓣宽度与旁瓣衰减的比率,但它们究竟是如何推导出来的呢?

我提出问题的动机是因为我想弄清楚是否可以设计自己的窗口,这也会影响主瓣宽度和旁瓣能量。

3个回答

这只是部分答案,但有一个在线讲座,Hamming 谈到了他是如何想出同名窗口的。从大约 15:15 开始提供完整的上下文。

他有一个相当有趣的故事,他称赞约翰·图基发明了窗理论(用于频谱分析)。然而,他在使用Lanczos sigma 因子减少吉布斯现象的背景下介绍了整个主题此外,在The Art of Doing Science and Engineering(基于相同的讲座)中,他描述了他的窗口如何是Hann 窗口的变体,他声称 von Hann 在经济学中使用了该窗口(早在其应用于信号处理之前) )。这表明历史可以追溯到更远的地方,这取决于您要如何定义它。

Tukey 首次命名汉明窗的书是《从通信工程的角度测量功率谱》鉴于 Hamming 断言 Tukey 发明了窗户理论,这可能是一个很好的起点,可以深入了解如何设计新窗户。我认为这本书只是他的 Bell System Technical Journal 文章的第一部分第二部分的重印,所以它可以在线获得。

这是另一个部分答案,主要是关于设计自定义窗口。我在做一些被称为“频域窗口”的事情(我现在知道但当时不知道)时想到了这个。然后,在阅读了一些关于窗口的原始论文后,我认为这可能是最初构思某些窗口的方式,但我没有任何真正的背景知识。

从一个矩形窗口开始,看看它的傅里叶变换,sinc 函数:

正弦函数

现在,对它们中的两个进行缩放和(频率)偏移,因此当加在一起时,旁瓣往往会相互抵消:

第一步

(结果为绿色;对不起质量差和无用的传说。)

如您所见,旁瓣不仅总体上减少了,而且滚降速度更快。

通过“频域窗口化”,移位和缩放与实践中实际发生的情况密切相关。但是您可能对时域表示更感兴趣,通过对频移应用适当的公式很容易获得这种表示。它简化为cos(πt)

重复这个过程,你会得到越来越好的滚降,但代价是主瓣变宽:

第二步

这在时域中简化为,这正是一个 Hann 窗。通常,重复此次会产生是 Blackman 窗的一个特例,甚至都属于 Blackman-Harris 族。(cos(πt))2n(cos(πt))nn=4n

在 Blackman-Harris 窗口中,这些产生最快的旁瓣滚降。(我开始写一个证明,但还没写完,因为如何计算滚降和其他参数似乎是专家的常识。)

如果您想优化滚降以外的其他内容,您可以从具有足够滚降的窗口开始,然后执行与上述类似的操作,但以不同的方式进行缩放和移动(通常使用三个项而不是两个项) . 这将保持滚降完全相同,但它允许您减少例如第一旁瓣。

希望这可以帮助。玩得开心。

大多数著名的窗口都是以或多或少的特殊方式设计的,基于时域中的一些平滑概念。据我所知,有两个窗口在某种意义上是最佳的:切比雪夫窗口,它使最大旁瓣水平(不是能量!)最小化,以及长球状窗口,它使主瓣和旁瓣之间的能量比最大化。有一篇关于频域窗口设计的有趣论文。它讨论了一种在最大旁瓣水平约束下最小化旁瓣能量的算法,即它是切比雪夫和长球状窗口之间的混合。这是论文: JW Adams的一个新的最佳窗口