對時域函數施加非矩形窗的實質,是對被分析信號的不同部分給予不同的加權,這些窗函數的頻諧主瓣越細、旁瓣越小越好。由于這兩點不會同時達到最佳效果,選取窗函數時通常采取折衷的原則。
常用窗函數主要包括以下幾種類型:
①冪窗——采用時間變量某種冪次的函數,如矩形、三角形、梯形或其他時間t的高次冪;
②三角函數窗——應用三角函數,即正弦或余弦函數等組合成的復合函數,如漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗等;
③指數窗——采用指數時間函數(如e-at形式),例如高斯窗等。
下面介紹幾種常用窗函數的性質和特點,對應的時域波形和頻譜如圖3-5所示 。
(1)矩形窗 矩形窗屬于時間變量的零次冪窗,習慣上的不加窗就是使信號通過了矩形窗。矩形窗具有主瓣比較集中的優點,但其旁瓣較高,并有負旁瓣,導致變換中帶進了高頻干擾和泄漏,甚至會出現負頻譜現象。
(2) 漢寧窗 漢寧窗又稱升余弦窗,其主瓣加寬并降低,旁瓣則顯著減小,與矩形窗相比,泄漏明顯減小。但由于主瓣加寬,導致漢寧窗的頻率分辨力下降。
(3)海明窗 海明窗又稱改進的升余弦窗,海明窗與漢寧窗都是余弦窗,只是加權系數不同。海明窗加權的系數能使旁瓣達到更小。海明窗與漢寧窗都是很有用的窗函數。
不同窗函數,產生泄漏的大小不一樣,頻率分辨能力也不一樣。由前述可知,信號截斷產生了能量泄漏,而用FFT算法計算頻譜又產生了柵欄效應(見3.4.5節),從原理上講這兩種誤差都是不能消除的,但是可以通過選擇不同的窗函數對它們的影響進行抑制。對于窗函數的選擇,應綜合考慮被分析信號的性質與處理要求,才能選擇出最合適的窗函數。
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