数字信号分析——窗函数

- 日理万妓 2022-06-09 06:48 259阅读 0赞

## 1、基本定义 ##

为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截短，截断函数称为窗函数，简称为窗。

信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数w(t)是一个频带无限的函数，所以即使原信号x(t)是有限带宽信号，而在截短以后也必然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。又从采样定理可知，无论采样频率多高，只要信号一经截短，就不可避免地引起混叠，因此信号截短必然导致一些误差。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱，为此，在时间域中可采用不同的窗函数来截短信号。

## 2、相关原理 ##

不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的，这主要是因为不同的窗函数，产生泄漏的大小不一样，频率分辨能力也不一样。信号的截短产生了能量泄漏，而用FFT算法计算频谱又产生了栅栏效应，从原理上讲这两种误差都是不能消除的，但是我们可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。(矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低；布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度最低，但幅值识别精度最高)。

## 3、窗函数选择及对比 ##

对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。 实际应用的窗函数，可分为以下主要类型：

a) 幂窗--采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间（t）的高次幂；  
b)三角函数窗--应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；  
c)指数窗--采用指数时间函数，如 形式，例如高斯窗等。  
d)平顶窗--平顶窗在频域时的表现就象它的名称一样有非常小的通带波动。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 名称 </td> 
 <td> 特点 </td> 
 <td> 应用 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 矩形窗 Rectangle </td> 
 <td> 矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。频率识别精度最高，幅值识别精度最低，所以矩形窗不是一个理想的窗。 </td> 
 <td> 如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用矩形窗，例如测量物体的自振频率等，也可以用在阶次分析中。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 汉宁窗 Hanning </td> 
 <td> 又称升余弦窗。主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗．但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。它与矩形窗相比，泄漏、波动都减小了,并且选择性也提高。 </td> 
 <td> 是很有用的窗函数。如果测试信号有多个频率分量，频谱表现的十分复杂，且测试的目的更多关注频率点而非能量的大小，需要选择汉宁窗。如果被测信号是随机或者未知的，选择汉宁窗。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 海明窗 （汉明窗） Hamming </td> 
 <td> 与汉宁窗都是余弦窗，又称改进的升余弦窗，只是加权系数不同，使旁瓣达到更小。但其旁瓣衰减速度比汉宁窗衰减速度慢。 </td> 
 <td> 与汉明窗类似，也是很有用的窗函数。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 平顶窗 Flap Top </td> 
 <td> 平顶窗在频域时的表现就象它的名称一样有非常小的通带波动。 </td> 
 <td> 由于在幅度上有较小的误差，所以这个窗可以用在校准上。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 凯塞窗 Kaiser </td> 
 <td> 定义了一组可调的由零阶贝塞尔Bessel 函数构成的窗函数，通过调整参数β可以在主瓣宽度和旁瓣衰减之间自由选择它们的比重。对于某一长度的Kaiser 窗，给定β，则旁瓣高度也就固定了。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 布莱克曼窗 Blackman </td> 
 <td> 二阶升余弦窗，主瓣宽，旁瓣比较低，但等效噪声带宽比汉宁窗要大一点，波动却小一点。频率识别精度最低，但幅值识别精度最高，有更好的选择性。 </td> 
 <td> 常用来检测两个频率相近幅度不同的信号。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 高斯窗 Gaussian </td> 
 <td> 是一种指数窗。主瓣较宽，故而频率分辨力低；无负的旁瓣，第一旁瓣衰减达一55dB。常被用来截短一些非周期信号，如指数衰减信号等。 </td> 
 <td> 对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 三角窗 （费杰窗） Fejer </td> 
 <td> 是幂窗的一次方形式。与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。 </td> 
 <td> 如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等； </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 切比雪夫窗（Chebyshev） </td> 
 <td> 在给定旁瓣高度下，Chebyshev窗的主瓣宽度最小，具有等波动性，也就是说，其所有的旁瓣都具有相等的高度。 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>