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频谱里的小峰会从哪里来

频谱里的小峰可能来自另一个音调,也可能是强音被截断后留下的旁瓣。记录只能持续有限时间;这道截口会把原本集中的谱线摊开。把记录两端逐渐压低,可以减弱远处的泄漏,代价是主峰变宽。

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截下一段,再把两头接起来

想象一条持续起伏的正弦波,像一根来回抖动的细绳。我们只截下一秒,交给计算机分析。FFT把这段记录写成许多周期振荡的叠加。每一种振荡都能在记录边界接上自己,等于把截下来的那一段反复铺开。

如果截口恰好落在完整周期之后,两头容易接上。若一头正在上升,另一头已经降到别处,反复铺开时便出现突变。描述这个突变需要加入许多频率,于是强峰旁边也出现小峰。这种能量摊到其他频率的现象叫频谱泄漏。

来源:[1]

把两端压低,远处的旁瓣会小一些

可以先给记录中的每个样本乘一个权重:中间保留得多,两端保留得少。权重随时间排成的形状,叫窗函数。Hann窗像一座平缓的小山,让接缝附近的电压逐渐变小;矩形窗则从头到尾给同样的权重,保留原来的硬截口。

换成Hann窗后,远处旁瓣会明显降低。如果一个弱音原本被强音的旁瓣盖住,它就可能显现。仪器厂商的FFT应用说明用旁瓣图解释这个取舍:Hann窗把能量更集中在强峰附近,附近主峰也比矩形窗宽。

弱音离强音很近时,更宽的主峰又会把两者包在一起。选窗要看想分开的是什么:隔得较远、强弱悬殊的两个音调,还是靠得很近、大小相仿的一对。比较同一份样本的不同窗,才容易看出小峰跟着哪一种处理在变化。

来源:[1][4]

真正多看一会儿,才会得到更细的区别

把观察时间从一秒延长到两秒,计算机得到更多真实起伏。两个频率稍有不同的音调,在更长时间里会逐渐错开节拍,差别更容易被记录下来。原始频点间隔也从一赫兹缩到半赫兹。

在已有记录后面补上很多零,则没有增加观察到的起伏。它会把原来频点之间的曲线画得更密,这叫零填充。宽主峰仍是宽主峰:同一段数据里没有分开的双音,不能靠补零获得新的分辨能力。

这里的频点间隔也不是对任意双峰都适用的分辨门槛。窗形和两个信号的强弱都会影响能否看出两峰。报告时保留真实观察时长与窗,比只报图上有多少个点更有用。

Δfrecord=1T\Delta f_{\mathrm{record}}=\frac{1}{T}
左侧是未补零时的相邻频点间隔,右侧的观察时长用秒计,结果单位为赫兹。它描述频率网格;主峰宽度还取决于选用的窗。

来源:[1][2]

读噪声高度时,还要看每一点包含多宽

白噪声把电压起伏分散在很宽的频段。观察得更久,每个频点接收的频带更窄,其中的噪声就少。按每频点均方电压显示时,噪声底会下降。要比较不同观察时长,可以把均方电压按每一赫兹摊开,称为功率谱密度。对同样的白噪声,这种密度的平均水平大致保持不变。

窗函数决定每个频点会接收多少周围噪声。等效噪声带宽用一个理想矩形频带作比较:只要放过相同的白噪声,就把它的宽度记作这扇窗的带宽。Hann窗在一秒观察下约为一点五赫兹。FFT仪器与扫频超外差仪器所报的分辨带宽,可能采用不同定义,读数应连同定义一起看。

实际分析还要先把采集码换成电压,并确认时钟。独立已知电平能检查电压比例和零偏,独立时间参考能检查采样速度。随后在选定频带内积分谱密度,便得到这段频带的均方电压;强峰泄漏、弱音和噪声只要落在里面,都会一起进入结果。

来源:[2][3]

来源与延伸阅读

  1. Tektronix · FFT Applications for TDS Oscilloscopes · 55W-8815-2, 05/05

    第15–23页、1.16–1.24节说明记录长度、泄漏、窗主峰变宽、栅栏损失与相干增益修正。采用这份2005年应用说明中的物理解释,不把其中仪器参数当作教学模型的性能。

  2. National Instruments · LabVIEW Analysis Concepts · March 2004, 370192C-01

    印刷页4-22–4-29区分单边与双边谱、线谱幅度和噪声谱密度;5-23–5-24说明窗归一化与等效噪声带宽。

  3. Keysight 89600 VSA Help · About Resolution Bandwidth · 2026 Update 2.0

    区分FFT分析仪所用等效噪声带宽,与扫频仪器中频滤波器三分贝宽度。查阅于2026年10月28日。

  4. Keysight 89600 VSA Help · Window Shapefactor and Equivalent Noise Bandwidth · 2026 Update 2.0

    窗参数表给出Hann窗噪声带宽为一点五除以观察时长,并说明主峰宽度与旁瓣之间的取舍。

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