FFT 的频率分量

信息处理 fft 频谱
2022-02-07 07:13:15

我正在阅读其中几个线程 我想知道:FFT 信号是否有可能包含小于1/N?

考虑一个时间序列的长度N,然后我对其执行 FFT。FFT 的第零个 bin 是直流信号,第一个 bin 是频率1/N, 在第二个 bin 中是频率2/N等等

这是否意味着所考虑的最小频率是一个完整周期适合数据长度的信号?或者是否也存在仅半/季度适合给定长度的频率?

3个回答

DFT 将任何频率(唯一低于 Nyquist)的周期波形段转换为一组正交的频率结果。问题在于,如果信号在 FFT 长度上不是周期性的,则结果不会在一个结果 bin 中,而是会被涂抹到所有 FFT 结果 bin 中,这是由于与矩形或其他窗口函数的变换的卷积,使得很难将周期信号与窄带 + 宽带噪声(或 DC + 斜坡 + 频谱低于 1st bin 的噪声)分开。

估计非常接近 DC(或 Fs/2)的非周期性实频谱的另一个潜在问题是 DFT/FFT 结果中来自其自身负频率图像的干扰,这取决于相位可能是建设性的或破坏性的,因此对占。

所以是的,低于 Fs/N 的低频将“存在”在 DFT/FFT 复数结果中,但根据信噪比,更难找到或估计是不可能的。但是在零噪声中,理论上您只需要 3 或 4 个非混叠样本即可找到任何频率的单个纯正弦曲线,因此它将在转换后的 N 个样本中表示,对于 N >= 4,仅在 1 或2 个 DFT/FFT 结果箱。

FFT 中的每个 bin 实际上对应于频率范围内的能量,因此虽然 bin 的名义中心频率i对应于频率Fs * i / N,但 bin 将表示该名义中心频率任一侧的能量。所以回答你的问题,低于频率的能量Fs / N将在 bin 0 中表示。

请注意,这N仅决定了FFT 的分辨率,即两个不同分量在频率上有多接近,同时仍出现在两个不同的 FFT 输出箱中。

另请注意,假定在 FFT 之前已应用了合适的窗函数,这在实际的基于 FFT 的应用中几乎总是如此。

如果您真的在询问离散傅立叶变换 (DFT),那么答案是否定的,因为不可能有一个重复的信号Nth样本包含的频率小于1/N. 如果您的原始信号长于N样品,你把它切碎N样本来做 DFT 那么你 DFT 的不是原始信号,它是一个重复每个N第一个样本。

DFT 将您的N样本到精确的集合N复杂的指数加在一起会重现你的N样品。但是如果你将那些复杂的指数扩展到N样品你会看到你得到了原始的精确重复N样品。所以 DFT 实际上只告诉你一些关于在一段时间内无限重复的信号频率N.

示例:假设您有一个周期为 8 个样本的三角波:[1,12,0,12,1,12,0,12],但你只取前 4 个样本的 DFT。你会得到:

14(1+(1+i)e12iπk+eiπk+(1i)e32iπk)

但是这个函数会产生序列:[1,12,0,12,1,12,0,12]. 那是锯齿波而不是三角波,每 4样本就有一个很大的不连续性。

当您参加 DFT 时N您隐含地表明您想要对重复的信号进行转换的样本N第一个样本。