如何解释短时傅里叶变换中不同窗口的效果?

信息处理 fft stft 时频
2022-02-23 03:55:17

有许多类别的窗口,例如矩形、高斯和三角形。它们对 STFT 有什么影响?

4个回答

widnow对输入信号 ] 进行截断和加权(锥化) ,以产生的后续光谱分析窗口对输入信号真实频谱的卷积描述(窗口的傅里叶变换);w[n]x[n]v[n]=x[n].w[n]x[n]X(ejω)X(ejω)W(ejω)

V(ejω)=12πππW(ejθ)X(ej(ωθ))dθ

由于这种卷积,在上观察到两个主要影响。X(ejω)

1 -主瓣宽度导致的平滑(拖尾),这会导致光谱分辨率的损失。X(ejω)W(ejω)

2-由于的峰值旁瓣导致的频谱泄漏,这导致附近强分量遮蔽的弱分量丢失。W(ejω)

任何窗口类型的主瓣宽度主要取决于其长度。因此,增加任何窗口的长度都会减小其主瓣宽度(从而提高其光谱分辨率能力)

与所有其他窗口相比,矩形窗口具有最窄主瓣宽度和最高的峰值旁瓣。剩余窗口类型在主瓣宽度和峰值旁瓣之间进行权衡。

峰值旁瓣主要由窗口的形状决定。因此,通过改变窗口的形状(类型),您可以调整它的泄漏量。

当我们截断数据时,矩形窗口就是什么,而其他窗口提供一些数据权重。从它们对频谱的影响来看 ,使用矩形以外的窗口的优点是具有较低的旁瓣

然而,缺点是频率分辨率的损失,从 矩形窗口的 \pi / N到高斯和三角形窗口Δω=4π/NΔω=8π/N16π/N

除了已经说过的之外,使用 arectangular window还可以得到 minumum possible noise floor,这在某些应用程序中是可取的。

关于获得最佳效果amplitude/magnitudes estimates,您应该考虑使用一些flat top专门为此目的设计的窗口。但是,它们有wide main lobe,因此poor frequency resolution,因此它们不适用于具有接近频率的正弦曲线的信号。

无论如何如果对理论。

[EDIT 2017-11-10: added details one of the used of inverses] 它们在时域中的第一个效果是本地化或(弱)平稳化数据,作为应用 FFT 之前的预处理。

然后在分析方面,它们的频率效应与用于 FFT 时相同,详见其他答案。

最后,在合成方面,当从时频域中的块选择中恢复信号时,可以使用不同的窗口。

这在实践中使用,例如在图像压缩中。一种小波/窗口类型用于分析或图像分解,更适合压缩信息。然后,这个信息被量化,另一个小波/窗口用于解压缩:它更平滑,并且在视觉上减弱了量化伪影。在这里,整个变换不是多余的,这称为生物正交性。

在冗余设置中,某些分析窗口允许具有相同窗口的封闭形式逆,但情况并非总是如此,正如您可以从对偶性框架2016 中给出的下图看到的那样,分析窗口位于左边,右边合成一。

原始和双重框架