短时傅里叶变换怎样在MATLAB中做短时傅立叶变换

短时傅里叶变换  时间:2021-09-21  阅读:()

短时傅立叶变换原理

短时傅里叶变换是给信号在时域上加窗,把信号分成一小段一小段,分别做傅里叶变换; 小波变换直接更换了基函数,将无限长的三角函数基换成了有限长的会衰减的小波基。

相比于窗宽窄不能变化的短时傅里叶变换,小波基的尺度可以伸缩,从而解决了时域、 频域分辨率不可兼得的问题,并且可以实现正交化。

傅里叶变换的例子

一个关于实数离散傅里叶变换(Real DFT)实例 先来看一个变换实例,一个原始信号的长度是16,于是可以把这个信号分解9个余弦波和9个正弦波(一个长度为N的信号可以分解成N/2+1个正余弦信号,这是为什么呢?结合下面的18个正余弦图,我想从计算机处理精度上就不难理解,一个长度为N的信号,最多只能有N/2+1个不同频率,再多的频率就超过了计算机所能所处理的精度范围),如下图: 9个正弦信号: 9个余弦信号: 把以上所有信号相加即可得到原始信号,至于是怎么分别变换出9种不同频率信号的,我们先不急,先看看对于以上的变换结果,在程序中又是该怎么表示的,我们可以看看下面这个示例图: 上图中左边表示时域中的信号,右边是频域信号表示方法,从左向右表示正向转换(Forward DFT),从右向左表示逆向转换(Inverse DFT),用小写x[]表示信号在每个时间点上的幅度值数组, 用大写X[]表示每种频率的幅度值数组, 因为有N/2+1种频率,所以该数组长度为N/2+1,X[]数组又分两种,一种是表示余弦波的不同频率幅度值:Re X[],另一种是表示正弦波的不同频率幅度值:Im X[],Re是实数(Real)的意思,Im是虚数(Imagine)的意思,采用复数的表示方法把正余弦波组合起来进行表示,但这里我们不考虑复数的其它作用,只记住是一种组合方法而已,目的是为了便于表达(在后面我们会知道,复数形式的傅里叶变换长度是N,而不是N/2+1)。

用Matlab进行傅里叶变换 FFT是离散傅里叶变换的快速算法,可以将一个信号变换到频域。

有些信号在时域上是很难看出什么特征的,但是如果变换到频域之后,就很容易看出特征了。

这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。

另外,FFT可以将一个信号的频谱提取出来,这在频谱分析方面也是经常用的。

FFT结果的具体物理意义。

一个模拟信号,经过ADC采样之后,就变成了数字信号。

采样定理告诉我们,采样频率要大于信号频率的两倍。

采样得到的数字信号,就可以做FFT变换了。

N个采样点,经过FFT之后,就可以得到N个点的FFT结果。

为了方便进行FFT运算,通常N取2的整数次方。

假设采样频率为Fs,信号频率F,采样点数为N。

那么FFT之后结果就是一个为N点的复数。

每一个点就对应着一个频率点。

这个点的模值,就是该频率值下的幅度特性。

具体跟原始信号的幅度有什么关系呢?假设原始信号的峰值为A,那么FFT的结果的每个点(除了第一个点直流分量之外)的模值就是A的N/2倍。

而第一个点就是直流分量,它的模值就是直流分量的N倍。

而每个点的相位呢,就是在该频率下的信号的相位。

第一个点表示直流分量(即0Hz),而最后一个点N的再下一个点(实际上这个点是不存在的,这里是假设的第N+1个点,也可以看做是将第一个点分做两半分,另一半移到最后)则表示采样频率Fs,这中间被N-1个点平均分成N等份,每个点的频率依次增加。

例如某点n所表示的频率为:Fn=(n-1)*Fs/N。

由上面的公式可以看出,Fn所能分辨到频率为为Fs/N,如果采样频率Fs为1024Hz,采样点数为1024点,则可以分辨到1Hz。

1024Hz的采样率采样1024点,刚好是1秒,也就是说,采样1秒时间的信号并做FFT,则结果可以分析到1Hz,如果采样2秒时间的信号并做FFT,则结果可以分析到0.5Hz。

如果要提高频率分辨力,则必须增加采样点数,也即采样时间。

频率分辨率和采样时间是倒数关系。

假设FFT之后某点n用复数a+bi表示,那么这个复数的模就是An=根号a*a+b*b,相位就是Pn=atan2(b,a)。

根据以上的结果,就可以计算出n点(n≠1,且n<=N/2)对应的信号的表达式为:An/(N/2)*cos(2*pi*Fn*t+Pn),即2*An/N*cos(2*pi*Fn*t+Pn)。

对于n=1点的信号,是直流分量,幅度即为A1/N。

由于FFT结果的对称性,通常我们只使用前半部分的结果,即小于采样频率一半的结果。

下面以一个实际的信号来做说明。

假设我们有一个信号,它含有2V的直流分量,频率为50Hz、相位为-30度、幅度为3V的交流信号,以及一个频率为75Hz、相位为90度、幅度为1.5V的交流信号。

用数学表达式就是如下:S=2+3*cos(2*pi*50*t-pi*30/180)+1.5*cos(2*pi*75*t+pi*90/180)。

式中cos参数为弧度,所以-30度和90度要分别换算成弧度。

我们以256Hz的采样率对这个信号进行采样,总共采样256点。

按照我们上面的分析,Fn=(n-1)*Fs/N,我们可以知道,每两个点之间的间距就是1Hz,第n个点的频率就是n-1。

我们的信号有3个频率:0Hz、50Hz、75Hz,应该分别在第1个点、第51个点、第76个点上出现峰值,其它各点应该接近0。

实际情况如何呢?我们来看看FFT的结果的模值如图所示。

从图中我们可以看到,在第1点、第51点、和第76点附近有比较大的值。

我们分别将这三个点附近的数据拿上来细看: 1点: 512+0i 2点: -2.6195E-14 - 1.4162E-13i 3点: -2.8586E-14 - 1.1898E-13i 50点:-6.2076E-13 - 2.1713E-12i 51点:332.55 - 192i 52点:-1.6707E-12 - 1.5241E-12i 75点:-2.2199E-13 -1.0076E-12i 76点:3.4315E-12 + 192i 77点:-3.0263E-14 +7.5609E-13i 很明显,1点、51点、76点的值都比较大,它附近的点值都很小,可以认为是0,即在那些频率点上的信号幅度为0。

接着,我们来计算各点的幅度值。

分别计算这三个点的模值,结果如下: 1点: 512 51点:384 76点:192 按照公式,可以计算出直流分量为:512/N=512/256=2;50Hz信号的幅度为:384/(N/2)=384/(256/2)=3;75Hz信号的幅度为192/(N/2)=192/(256/2)=1.5。

可见,从频谱分析出来的幅度是正确的。

然后再来计算相位信息。

直流信号没有相位可言,不用管它。

先计算50Hz信号的相位,atan2(-192, 332.55)=-0.5236,结果是弧度,换算为角度就是180*(-0.5236)/pi=-30.0001。

再计算75Hz信号的相位,atan2(192, 3.4315E-12)=1.5708弧度,换算成角度就是180*1.5708/pi=90.0002。

可见,相位也是对的。

根据FFT结果以及上面的分析计算,我们就可以写出信号的表达式了,它就是我们开始提供的信号。

总结:假设采样频率为Fs,采样点数为N,做FFT之后,某一点n(n从1开始)表示的频率为:Fn=(n-1)*Fs/N;该点的模值除以N/2就是对应该频率下的信号的幅度(对于直流信号是除以N);该点的相位即是对应该频率下的信号的相位。

相位的计算可用函数atan2(b,a)计算。

atan2(b,a)是求坐标为(a,b)点的角度值,范围从-pi到pi。

要精确到xHz,则需要采样长度为1/x秒的信号,并做FFT。

要提高频率分辨率,就需要增加采样点数,这在一些实际的应用中是不现实的,需要在较短的时间内完成分析。

解决这个问题的方法有频率细分法,比较简单的方法是采样比较短时间的信号,然后在后面补充一定数量的0,使其长度达到需要的点数,再做FFT,这在一定程度上能够提高频率分辨力。

具体的频率细分法可参考相关文献。

怎样在MATLAB中做短时傅立叶变换

假设原数据存储在A(...)里面 就这样: B=abs(fft(A)) plot(B) 但这样的横坐标是从1到A的元素个数,并没有意义。

要量化到采样频率: 假设采样率fs,A共有777个元素 则: C=linspace(0,fs,778) 记住要加一。

C(778)=[ ] 把多的那一个去掉。

具体原因,比较复杂。

然后就plot(C,B) 此时横坐标:频率 纵坐标:幅度 但fs/2--fs的那一段其实和前面的对称,可以忽略。

纵坐标,是幅度。

RackNerd:特价美国服务器促销,高配低价,美国多机房可选择,双E526**+AMD3700+NVMe

racknerd怎么样?racknerd今天发布了几款美国特价独立服务器的促销,本次商家主推高配置的服务器,各个配置给的都比较高,有Intel和AMD两种,硬盘也有NVMe和SSD等多咱组合可以选择,机房目前有夏洛特、洛杉矶、犹他州可以选择,性价比很高,有需要独服的朋友可以看看。点击进入:racknerd官方网站RackNerd暑假独服促销:CPU:双E5-2680v3 (24核心,48线程)内存...

LOCVPS-2021年6月香港便宜vps宽带升级,充值就送代金券,其它八折优惠!

LOCVPS怎么样?LOCVPS是一家成立于2011年的稳定老牌国人商家,目前提供中国香港、韩国、美国、日本、新加坡、德国、荷兰等区域VPS服务器,所有机房Ping延迟低,国内速度优秀,非常适合建站和远程办公,所有机房Ping延迟低,国内速度优秀,非常适合做站。XEN架构产品的特点是小带宽无限流量、不超售!KVM架构是目前比较流行的虚拟化技术,大带宽,生态发展比较全面!所有大家可以根据自己业务需求...

Digital-VM暑期全场六折优惠,8个机房

Digital-VM商家目前也在凑热闹的发布六月份的活动,他们家的机房蛮多的有提供8个数据中心,包括日本、洛杉矶、新加坡等。这次六月份的促销活动全场VPS主机六折优惠。Digital-VM商家还是有一点点特点的,有提供1Gbps和10Gbps带宽的VPS主机,如果有需要大带宽的VPS主机可以看看。第一、商家优惠码优惠码:June40全场主机六折优惠,不过仅可以月付、季付。第二、商家VPS主机套餐1...

短时傅里叶变换为你推荐
模拟考试系统全国计算机一级考试模拟系统下载十进制转换成二进制10转换成二进制数是多少?急!!!飘零网络验证如何在飘零网络验证里面加入成品软件有DLL文件张北论坛在北京上班,周六日想出去玩,想去草原玩,跟北京那个团比较好,既便宜又划算?高人指点,急!新中大软件新中大软件公司南京公司怎么样drs系统什么叫做SCM系统?drs系统MIS是什么系统科达视频会议系统摩云视讯这家公司的视频会议系统怎么样?宾馆客房管理系统宾馆客房管理系统哪家好?csol进不去cs online为什么打不开
河南vps 网站域名备案 什么是域名地址 java主机 便宜建站 patcha windows2003iso 轻量 彩虹ip 国外网站代理服务器 河南移动邮件系统 789电视 可外链相册 网络空间租赁 重庆双线服务器托管 监控服务器 谷歌台湾 服务器防火墙 97rb apnic 更多