频域(频谱)中的零填充:如何拆分中间 bin(奈奎斯特频率)?

信息处理 fft 频谱 自由度 零填充
2022-02-01 18:57:58

当一个复杂的数字信号通过 FFT 转换为其频谱时,结果将包含一系列正负频率。也就是说,当频谱有 N 个 bin 时。Bin 0 将是 DC,bin 1->N/2 将是正频率,bin N-1 -> NN/2 将是负频率。在这种情况下,显然 bin N/2 代表径向频率ππ同时。

现在,如果我们对频谱的中间进行零填充(例如:上采样时),使其新大小为 M,我们将获得一个新大小,如下所示。X是小光谱。Y是零填充的较大频谱。

  1. X[0:N/2[映射到Y[0:N/2[
  2. X]NN/2:N[映射到Y]MN/2:M[

在上面,我跳过了中间的 bin (XN/2) 因为目前尚不清楚它是否应该分配给新信号的正或负部分。

为了更好地理解什么是最好的结果,我做了一个小测试,创建了一个长度为 M 的随机频谱,然后将其转换为时域,挑选出每个 M/N 个样本,然后将其转换回频谱,但是这次长度为 N。结果表明,对于任何随机谱,以下情况都是正确的:

XN/2=YN/2+YMN/2

进一步的测试表明,实际上,只要它们的总和与原始值匹配,我们就可以根据需要拆分中间箱的值。然而,样本之间的插值(当转换Y回到时域)对于每个特定的选择都有不同的振荡。

以下三幅图像显示了中间 bin 对上采样信号相位的影响。第一个将中间仓置于新频谱中的 N/2 处。第二张图像将内容拆分到 bin N/2 和 MN/2 上,最后一张将中间的 bin 单独映射到 MN/2

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

如您所见,插值每次都准确地通过每个蓝色值。唯一的区别是插值如何振荡。

是否有任何经验法则(以及为什么),或关于如何在零填充时拆分中间 bin 的值的任何论点/标准做法?

3个回答

这里的一个潜在问题是您在技术上违反了采样定理。在 Nyquist 处具有非平凡能量通常表明信号在被采样之前没有被充分低通滤波。所以很可能你已经有了别名。如果奈奎斯特能量足够低,那么你如何分割它都没有关系。

经过 Nyquist 以进行上采样的零填充在 Nyquist 和 Nyquist + 1 之间引入了频域“砖墙”滤波器。您当然可以使用数学过程,但我不希望这与原始信号的行为非常匹配。

奈奎斯特频率ππ在 DFT 中是相同的(例如,如果您将 DFT 视为滤波器组,则这些频率的滤波器是相同的)。如果没有关于信号的更多信息(即确切的带宽和中心频率),您无法说出哪种方法是正确的。然而,一种常见的做法是在上采样时将 Nyquist bin 分成两半,以保持实值信号的频谱对称性。这样,真实信号的上采样版本也是真实信号。

一些参考资料:

[1] http://www.embedded.com/design/other/4212939/Time-domain-interpolation-using-the-Fast-Fourier-Transform-

[2] http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=1086169

答案是对于偶数个样本,“奈奎斯特箱”应该用复共轭分成两半。对于奇数个样本,没有提供“奈奎斯特箱”,因此我们只需要确保我们将拆分放在正确的两个“中间样本”之间。这在这篇文章中有更详细的说明

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