數據補零與離散傅里葉變換的分辨率

離散傅里葉變換(DFT)的輸入是一組離散的值,輸出同樣是一組離散的值。在輸入信號而言,相鄰兩個採樣點的間隔爲採樣時間Ts。在輸出信號而言,相鄰兩個採樣點的間隔爲頻率分辨率fs/N,其中fs爲採樣頻率,其大小等於1/Ts,N爲輸入信號的採樣點數。這也就是說,DFT的頻域分辨率不僅與採樣頻率有關,也與信號的採樣點數有關。那麼,如果保持輸入信號長度不變,但卻對輸入信號進行補零,增加DFT的點數,此時的分辨率是變還是不變?

       答案是此時分辨率不變。從時域來看,假定要把頻率相差很小的兩個信號區分開來,直觀上理解,至少要保證兩個信號在時域上相差一個完整的週期,也即是相位相差2pi。舉個例子,假定採樣頻率爲1Hz,要將週期爲10s的正弦信號和週期爲11s的正弦信號區分開來,那麼信號至少要持續110s,兩個信號才能相差一個週期,此時週期爲10s的那個信號經歷的週期數爲11,而11s的那個信號經歷的週期書爲10。轉化到頻域,這種情況下,時域採樣點爲110,分辨率爲1/110=0.00909,恰好等於兩個信號頻率只差(1/10-1/11)。如果兩個信號在時域上不滿足“相差一個完整週期“的話,補零同樣也不能滿足“相差一個完整週期”,即分辨率不發生變化。另外,從信息論的角度,也很好理解,對輸入信號補零並沒有增加輸入信號的信息,因此分辨率不會發生變化。

       那麼,補零到底會帶來什麼樣的影響呢?因爲DFT可以看做是對DTFT的採樣,補零僅是減小了頻域採樣的間隔。這樣有利於克服由於柵欄效應帶來的有些頻譜泄露的問題。也就是說,補零可以使信號能在頻域被更細緻地觀察。如果不滿足上述“至少相差一個完整週期”的要求,即便是如DTFT一般在頻域連續,也無法分辨出兩個信號。

       那麼,影響DFT分辨率最本質的物理機制是什麼呢?在於DFT的積累時間,分辨率爲積累時間T的倒數。這點從數學公式上可以很容易得到:

                          fs/N=1/(NTs)=1/T

        舉個例子說,如果輸入信號的時長爲10s,那麼無論採樣頻率爲多少,當然前提是要滿足奈奎斯特定理,其分辨率爲1/10=0.1Hz。

 


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