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实验一快速傅里叶变换及其应用
一、实验目的
1.在理论学习的基础上,通过本实验,加深对FFT的理解,熟悉FFT子程
序。
2.熟悉应用FFT对典型信号进行频谱分析的方法。
3.了解应用FFT进行信号频谱分析过程中可能出现的问题以便在实际中正
确应用FFT。
4.熟悉应用FFT实现两个序列的线性卷积的方法。
二、实验原理与方法
在各种信号序列中,有限长序列信号处理占有很重要地位,对有限长序列,
我们可以使用离散Fouier变换(DFT)。这一变换不但可以很好的反映序列的频谱
特性,而且易于用快速算法在计算机上实现,当序列x(n)的长度为N时,它的
DFT定义为:
反变换为:
有限长序列的DFT是其Z变换在单位圆上的等距采样,或者说是序列
Fourier变换的等距采样,因此可以用于序列的谱分析。
FFT并不是与DFT不同的另一种变换,而是为了减少DFT运算次数的一种快
速算法。它是对变换式进行一次次分解,使其成为若干小点数的组合,从而减少
运算量。常用的FFT是以2为基数的,其长度。它的效率高,程序简单,
使用非常方便,当要变换的序列长度不等于2的整数次方时,为了使用以2为基
数的FFT,可以用末位补零的方法,使其长度延长至2的整数次方。
(一)在运用DFT进行频谱分析的过程中可能产生三种误差:
(1)混叠
序列的频谱时被采样信号的周期延拓,当采样速率不满足Nyquist定理时,
就会发生频谱混叠,使得采样后的信号序列频谱不能真实的反映原信号的频谱。
避免混叠现象的唯一方法是保证采样速率足够高,使频谱混叠现象不致出现,即
在确定采样频率之前,必须对频谱的性质有所了解,在一般情况下,为了保证高
于折叠频率的分量不会出现,在采样前,先用低通模拟滤波器对信号进行滤波。
(2)泄漏
实际中我们往往用截短的序列来近似很长的甚至是无限长的序列,这样可以
使用较短的DFT来对信号进行频谱分析,这种截短等价于给原信号序列乘以一个
矩形窗函数,也相当于在频域将信号的频谱和矩形窗函数的频谱卷积,所得的频
谱是原序列频谱的扩展。泄漏不能与混叠完全分开,因为泄漏导致频谱的扩展,
从而造成混叠。为了减少泄漏的影响,可以选择适当的窗函数使频谱的扩散减至
最小。
(3)栅栏效应
DFT是对单位圆上Z变换的均匀采样,所以它不可能将频谱视为一个连续函
数,就一定意义上看,用DFT来观察频谱就好像通过一个栅栏来观看一个图景一
样,只能在离散点上看到真实的频谱,这样就有可能发生一些频谱的峰点或谷点
被“尖桩的栅栏”所拦住,不能别我们观察到。
减小栅栏效应的一个方法就是借助于在原序列的末端填补一些零值,从而变
动DFT的点数,这一方法实际上是人为地改变了对真实频谱采样的点数和位置,
相当于搬动了每一根“尖桩栅栏”的位置,从而使得频谱的峰点或谷点暴露出来。
(二)用FFT计算线性卷积
用FFT可以实现两个序列的圆周卷积。在一定的条件下,可以使圆周卷积等
于线性卷积。一般情况,设两个序列的长度分别为N1和N2,要使圆周卷积等于
线性卷积的充要条件是FFT的长度
N≥N1+N2
对于长度不足N的两个序列,分别将他们补零延长到N。
当两个序列中有一个序列比较长的时候,我们可以采用分段卷积的方法。有
两种方法:
重叠相加法。将长序列分成与短序列相仿的片段,分别用FFT对它们作线性
卷积,再将分段卷积各段重叠的部分相加构成总的卷积输出。
重叠保留法。这种方法在长序列分段时,段与段之间保留有互相重叠的部分,
在构成总的卷积输出时只需将各段线性卷积部分直接连接起来,省掉了输出段的
直接相加。
三、实验内容及步骤
实验中用到的信号序列:
a)Gaussian序列
b)衰减正弦序列
c)三角波序列
d)反三角波序列
上机实验内容:
(1)观察高斯序列的时域和幅频特性,固定信号xa(n)
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