FFT结果的物理意义及如何决定要使用多少点来做FFT

2018-2-25 09:43| 发布者: weixin| 查看: 632| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。

　　FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。

　　虽然很多人都知道FFT是什么，可以用来做什么，怎么去做，但是却不知道FFT之后的结果是什意思?如何决定要使用多少点来做FFT?

　　现在圈圈就根据实际经验来说说FFT结果的具体物理意义。一个模拟信号，经过ADC采样之后，就变成了数字信号。采样定理告诉我们，采样频率要大于信号频率的两倍，这些我就不在此罗嗦了。

　　采样得到的数字信号，就可以做FFT变换了。N个采样点，经过FFT之后，就可以得到N个点的FFT结果。为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。

　　假设采样频率为Fs，信号频率F，采样点数为N。那么FFT之后结果就是一个为N点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢?

　　假设原始信号的峰值为A，那么FFT的结果的每个点(除了第一个点直流分量之外)的模值就是A的N/2倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是直流分量的N倍。而每个点的相位呢，就是在该频率下的信号的相位。第一个点表示直流分量(即0Hz)，而最后一个点N的再下一个点(实际上这个点是不存在的，这里是假设的第N+1个点，也可以看做是将第一个点分做两半分，另一半移到最后)则表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。

　　例如某点n所表示的频率为：

　　由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。1024Hz的采样率采样1024点，刚好是1秒，也就是说，采样1秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析到1Hz，如果采样2秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析到0.5Hz。如果要提高频率分辨力，则必须增加采样点数，也即采样时间。频率分辨率和采样时间是倒数关系。

　　假设FFT之后某点n用复数a+bi表示，那么这个复数的模就是：

　　相位就是：

　　根据以上的结果，就可以计算出n点(n≠1，且n<=N/2)对应的信号的表达式为：

　　即：

　　对于n=1点的信号，是直流分量，幅度即为A1/N。

　　由于FFT结果的对称性，通常我们只使用前半部分的结果，即小于采样频率一半的结果。

　　好了，说了半天，看着公式也晕，下面圈圈以一个实际的信号来做说明。

　　假设我们有一个信号，它含有2V的直流分量，频率为50Hz、相位为-30度、幅度为3V的交流信号，以及一个频率为75Hz、相位为90度、幅度为1.5V的交流信号。用数学表达式就是如下：

　　式中cos参数为弧度，所以-30度和90度要分别换算成弧度。我们以256Hz的采样率对这个信号进行采样，总共采样256点。按照我们上面的分析：

　　我们可以知道，每两个点之间的间距就是1Hz，第n个点的频率就是n-1。我们的信号有3个频率：0Hz、50Hz、75Hz，应该分别在第1个点、第51个点、第76个点上出现峰值，其它各点应该接近0。实际情况如何呢?我们来看看FFT的结果的模值如图所示。

　　图1 FFT结果

　　从图中我们可以看到，在第1点、第51点、和第76点附近有比较大的值。我们分别将这三个点附近的数据拿上来细看：

　　很明显，1点、51点、76点的值都比较大，它附近的点值都很小，可以认为是0，即在那些频率点上的信号幅度为0。接着，我们来计算各点的幅度值。分别计算这三个点的模值，结果如下：

　　按照公式，可以计算出直流分量为：512/N=512/256=2;50Hz信号的幅度为：384/(N/2)=384/(256/2)=3;75Hz信号的幅度为192/(N/2)=192/(256/2)=1.5。可见，从频谱分析出来的幅度是正确的。

　　然后再来计算相位信息。直流信号没有相位可言，不用管它。先计算50Hz信号的相位，atan2(-192，332.55)=-0.5236，结果是弧度，换算为角度就是180*(-0.5236)/π=-30.0001。再计算75Hz信号的相位，atan2(192，3.4315E-12)=1.5708弧度，换算成角度就是180*1.5708/π=90.0002。可见，相位也是对的。根据FFT结果以及上面的分析计算，我们就可以写出信号的表达式了，它就是我们开始提供的信号。

　　总结：假设采样频率为Fs，采样点数为N，做FFT之后，某一点n(n从1开始)表示的频率为：

　　该点的模值除以N/2就是对应该频率下的信号的幅度(对于直流信号是除以N);该点的相位即是对应该频率下的信号的相位。

　　相位的计算可用函数atan2(b,a)计算。atan2(b,a)是求坐标为(a,b)点的角度值，范围从-π到π。要精确到xHz，则需要采样长度为1/x秒的信号，并做FFT。要提高频率分辨率，就需要增加采样点数，这在一些实际的应用中是不现实的，需要在较短的时间内完成分析。解决这个问题的方法有频率细分法，比较简单的方法是采样比较短时间的信号，然后在后面补充一定数量的0，使其长度达到需要的点数，再做FFT，这在一定程度上能够提高频率分辨力。具体的频率细分法可参考相关文献。

　　[附录：本测试数据使用的matlab程序]

　　本文转自电子工程专辑公众号，原文为圈圈参加END博客大赛的文章。

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