加窗分帧中各种窗函数


在 信号处理中,窗函数是一种除在给定 区间之外取值均为0的实 函数。譬如:在给定区间内为 常数而在区间外为0的窗函数被形象地称为矩形窗。任何函数与窗函数之积仍为窗函数,所以相乘的结果就像透过窗口“看”其他函数一样。窗函数在 光谱分析、 滤波器设计以及音频数据压缩(如在 Ogg Vorbis音频格式中)等方面有广泛的应用。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AA%97%E5%87%BD%E6%95%B0

http://baike.baidu.com/view/2327611.htm

 

数字信号处理的主要数学工具是傅里叶变换.而傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。不过,当运用计算机实现工程测试信号处理时,不可能对无限长的信号进行测量和运算,而是取其有限的时间片段进行分析。做法是从信号中截取一个时间片段,然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理,得到虚拟的无限长的信号,然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。
无线长的信号被截断以后,其频谱发生了畸变,原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了,这种现象称之为频谱能量泄漏。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)是限带宽信号,而在截断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,只要信号一经截断,就不可避免地引起混叠,因此信号截断必然导致一些误差。
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断,截断函数称为窗函数,简称为窗。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断信号。
    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。
    下面介绍几种常用窗函数的性质和特点。
    a) 矩形窗
    矩形窗属于时间变量的零次幂窗。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
    b) 三角窗
    三角窗亦称费杰(Fejer)窗,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
    c) 汉宁(Hanning)窗
    汉宁窗又称升余弦窗,汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和,或者说是 3个 sine(t)型函数之和,而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了 π/T,从而使旁瓣互相抵消,消去高频干扰和漏能。可以看出,汉宁窗主瓣加宽并降低,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。

    d) 海明(Hamming)窗
    海明窗也是余弦窗的一种,又称改进的升余弦窗。海明窗与汉宁窗都是余弦窗,只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明,海明窗的第一旁瓣衰减为一42dB.海明窗的频谱也是由3个矩形时窗的频谱合成,但其旁瓣衰减速度为20dB/(10oct),这比汉宁窗衰减速度慢。海明窗与汉宁窗都是很有用的窗函数。
    5) 高斯窗
    高斯窗是一种指数窗。高斯窗谱无负的旁瓣,第一旁瓣衰减达一55dB。高斯富谱的主瓣较宽,故而频率分辨力低.高斯窗函数常被用来截断一些非周期信号,如指数衰减信号等
    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。信号的截断产生了能量泄漏,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。图6.5是几种常用的窗函数的时域和频域波形,其中矩形窗主瓣窄,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。

    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


http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20081124/1602412/

 

 
 

1 截断、泄漏与窗函数


    在数字处理时必须把长时间的信号序列截断。如图2.35中,x(t)为一余弦信号,其频谱是X(f),它是位于±f0处的d函数。矩形窗函数w(t)的频谱是W(f) ,它是一个sinc(f)函数。当用一个w(t)去截断x(t)时,得到截断后的信号为x(t)*w(t),根据傅立叶变换关系,其频谱为X(f)*W(f)。

    x(t)被截断后的频谱不同于它加窗以前的频谱。由于w(t)是一个频带无限的函数,所以即使x(t)是带限信号,在截断以后也必然变成无限带宽的函数。原来集中在±f0处的能量被分散到以±f0为中心的两个较宽的频带上,也就是有一部分能量泄漏到x(t)的频带以外。为了减少泄漏应该尽量寻找频域中接近d(f)的窗函数W(f),即主瓣窄旁瓣小的窗函数。

 

2 几种常用的窗函数

    窗函数的性能有三个频域指标,对时间窗的一般要求是其频谱(也叫做频域窗)的主瓣尽量窄,以提高频率分辨率;旁瓣要尽量低,以减少泄漏。但两者往往不能同时满足,需要根据不同的测试对象选择窗函数。

 

 一个理想的窗口应该有最小的B和A,最大的D。B、A、D的意义如图2.36所示。

http://col.njtu.edu.cn/zskj/4018/%BF%CE%BC%FE%B9%E2%C5%CC/neutest/llbf/02/2_4_4.htm

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