实时频谱分析仪应用的窗函数有哪些呢?我们以虹科模块化实时频谱分析仪和D4卫星载波检测频谱分析仪为例,来介绍几种较为常用的窗函数:
Rectangular(矩形窗):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
Flattop(平顶窗):主瓣稍宽,幅度的准确性更高
Blackman-Harris(布莱克曼窗):是一种类似于汉明窗与汉宁窗的窗函数,但是主瓣宽,旁瓣小,频率识别精度最低,但幅值识别精度最高
Hamming(汉明窗):是一种改进的升余弦窗,旁瓣较汉明窗来讲更小,频率分辨率高
Hanning(汉宁窗):升余弦窗,汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和,它可以使用旁瓣互相抵消,消去高频干扰和漏能。
各种窗的差别主要在于集中于主瓣的能量和分散在所有旁瓣的能量之比,而主瓣的集中度与旁瓣的衰减程度决定着频率分辨率与幅值精度,我们对各个窗进行了总结:
为什么使用窗函数?
我们在加窗函数时,最理想的情况是使窗函数频谱的主瓣宽度应尽量窄(频率分辨率高),旁瓣衰减应尽量大(频谱拖尾小)但实际上我们需要做一个选择题。“鱼与熊掌不可兼得”,这两个参数处在跷跷板的两端,我们在加窗时只能更顾及其中一点。
因此,对于窗函数的选择,我们应考虑被分析信号的性质与自身的处理需求。
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。
我们总结了各个窗函数的特性与应用场合:
在我们日常使用频谱仪时,窗函数的选择对于最终测试影响不会特别大,因此无须刻意纠结选取哪一种来使用,当我们需要准确的结果时,可以参照上表,根据自身需求进行设置,这在一定程度上会保证测量的精度与准确度。