信号处理第一篇

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信号处理第一篇

2023-08-26 01:11| 来源: 网络整理| 查看: 265

在这篇博客中,我们不讨论有关于正弦信号数学层面的意义,而是将理论结合工程,讨论信号处理中一些要注意的事项。

图 1

上图是一个用matlab生成的频率为10Hz的正弦信号,需要注意的是,matlab生成的正弦信号,本质是一组离散有限长度的周期信号。实际上,我们任何的一个数字信号系统(比如雷达系统),所得到的信号都是离散的,持续时间有限的信号。

我们对上述信号新型FFT处理,得到:

       图 2

在上述频谱图中,出现了两个峰值,可以看到第一个峰在10Hz左右的位置,这与信号的频率一致。还有一个峰出现在190Hz左右的位置。这是什么呢?按道理而言,正弦信号的确有两个峰。但是是关于零频(0Hz)对称的。也就是说另一个峰应该出现在频率等于-10Hz的地方。原因在于,FFT之后,得到是数组,显然,数组的索引代表了频率值,然而索引值显然是从1开始的,因此无法表示负频率。因此只能把-10Hz的频率成分放在最后,变成201-10Hz=190Hz。这也就是为什么我们在190Hz的地方看到峰的原因。使用fftshift函数,则可以得到我们想要的结果:

图 3

上图中,两个峰值分别出现在10Hz和-10Hz的位置,出现在正确的位置。

图 4

 对比图3和图4,可以看出,模拟信号的采样率提升了,则在采样周期相同的情况下,采样点数更多了,那么其对应的频率分辨率就更高。

图5

增加FFT点数,并不能提高频谱分辨率,但是可以细化频谱,图5中,可以较为清楚的看到频域信号的sinc函数的形状。

幅度失真后果

频率失真的结果

频率偏移的运行结果:

可见频率失真对于频谱的影响是非常大的。

 代码:

%% 正弦信号频谱分析,matlab代码 clear close all clc %% signal A=1; %幅度 f=10; %频率 w=2*pi*f; % p=0; %相位 %采样 T=1; %s %观测时间 fs=20*f; %Hz %采样频率 d=1/fs; %s %采样间隔 t0=-T/2:d:T/2; %离散时间t s1=A*sin(w*t0+p); %正弦信号 figure(1) plot(t0,s1); xlabel('时间/s'); ylabel('幅度'); %% FFT %FFT (这里会多一个镜像信号,但是位置不对) NFFT = length(t0); FFTres = fft(s1,NFFT); FFTAmu = abs(FFTres); n = 0:NFFT-1; ft0=n*fs/NFFT; %频率序列 figure(2) plot(ft0,FFTAmu) xlabel('频率/Hz'); ylabel('幅度'); title('信号频率f=10Hz,傅里叶变换点数NFFT=N'); %% 采用fftshift将对称干扰信号搬移到正确位置。 FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(3) plot(ft,FFTAmu) title('采样频率fs=200Hz,傅里叶变换点数NFFT=N') xlabel('频率/Hz'); ylabel('幅度'); %% 改变采样频率,看结果会怎么样 fs=5*f; %Hz %采样频率,10倍信号频率 T=1; %s %观测时间,信号长度 %采样间隔 d=1/fs; %s %采样间隔 t1=-T/2:d:T/2; %离散时间t s1=A*sin(w*t1+p); %正弦信号 NFFT1 = length(t1); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT1)); FFTAmu = abs(FFTres); ft1=(-NFFT1/2:NFFT1/2-1)*fs/NFFT1; %频率序列 figure(4) plot(ft1,FFTAmu) % 结果表明采样频率降低之后,信号频谱分辨率会降低 %从另外一个角度讲, title('采样频率fs=50Hz,信号时长T=1S') xlabel('频率/Hz'); ylabel('幅度'); %% 改变傅里叶变换的点数 fs=20*f; %Hz %采样频率,10倍信号频率 T=1; %s %观测时间,信号长度 %采样间隔 d=1/fs; %s %采样间隔 t1=-T/2:d:T/2; %离散时间t s1=A*sin(w*t1+p); %正弦信号 NFFT = 8*length(t1); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(5) plot(ft,FFTAmu) % 结果表明采样频率降低之后,信号频谱分辨率会降低 %从另外一个角度讲, title('采样频率fs=200Hz,傅里叶变换点数NFFT = 4*N') xlabel('频率/Hz'); ylabel('幅度'); %% 改变信号持续周期 fs=5*f; %Hz %采样频率,10倍信号频率 T=4; %s %观测时间,信号长度 %采样间隔 d=1/fs; %s %采样间隔 t2=-T/2:d:T/2; %离散时间t s1=A*sin(w*t2+p); %正弦信号 NFFT = length(t2); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(6) plot(ft,FFTAmu) title('采样频率fs=50Hz,信号时长T=4S') xlabel('频率/Hz'); ylabel('幅度'); %% 假设信号的初始相位不为0,会发生什么? A=1; %幅度 f=10; %频率 w=2*pi*f; % p=pi/3; %相位 %采样 T=1; %s %观测时间 fs=20*f; %Hz %采样频率 d=1/fs; %s %采样间隔 t0=-T/2:d:T/2; %离散时间t s1=A*sin(w*t0+p); %正弦信号 NFFT = length(t0); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(7) plot(ft,FFTAmu) title('采样频率fs=20f,信号观测时长T =1s,初始相位p=pi/3') %% 假设信号的幅度有失真,会发生什么? f=10; %频率 w=2*pi*f; % p=0; %相位 %采样 T=1; %s %观测时间 fs=20*f; %Hz %采样频率 d=1/fs; %s %采样间隔 t0=-T/2:d:T/2; %离散时间t NFFT = length(t0); % 随机生成幅度值 pd = makedist('Normal',1,0.2) % Normal(mu,sigma) pdt = truncate(pd,0.5,1.5) % truncated to interval (0,1) numRows = 1; numCols = NFFT; A = random(pdt,numRows,numCols); % Sample from distribution `pdt` s1=A.*sin(w*t0+p); %正弦信号 figure(8) plot(t0,s1); xlabel('时间/s'); ylabel('幅度'); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(9) plot(ft,FFTAmu) title('采样频率fs=20f,信号观测时长T =1s') %% %% 假设信号的频率有失真,会发生什么? A=1; %幅度 p=0; %相位 %采样 T=1; %s %观测时间 fs=20*10; %Hz %采样频率 d=1/fs; %s %采样间隔 t0=-T/2:d:T/2; %离散时间t NFFT = length(t0); % 随机生成幅度值 pd = makedist('Normal',10,0.5); % Normal(mu,sigma) pdt = truncate(pd,9,11) ; % truncated to interval (0,1) numRows = 1; numCols = NFFT; f= random(pdt,numRows,numCols); % Sample from distribution `pdt` w=2*pi.*f; % s1=A.*sin(w.*t0+p); %正弦信号 figure(10) plot(t0,s1); xlabel('时间/s'); ylabel('幅度'); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(11) plot(ft,FFTAmu) title('采样频率fs=20f,信号观测时长T =1s') %% 处理接收两路的回波信号 A=1; %幅度 f1=10; %频率 f2=25; w1=2*pi*f1; w2=2*pi*f2; p=0; %采样 T=1/10; %s %观测时间 fs=20*f2; %Hz %采样频率 d=1/fs; %s %采样间隔 t0=-T/2:d:T/2; %离散时间t s1=A*sin(w1*t0+p)+A*sin(w2*t0+p); %正弦信号 figure(10) plot(t0,s1); FFTres = fftshift(fft(s1,NFFT)); FFTAmu = abs(FFTres); ft=(-NFFT/2:NFFT/2-1)*fs/NFFT; %频率序列 figure(12) plot(ft,FFTAmu) title('采样频率fs=20f,信号观测时长T =1s')

 



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