我們知道數字信號處理的主要數學(xué)工具是傅里葉變換，而傅里葉變換是研究整個(gè)時(shí)間域和頻率域的關(guān)系，當運用計算機實(shí)現測試信號處理時(shí)，不可能對無(wú)限長(cháng)的信號進(jìn)行測量和運算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析。具體做法是從信號中截取一個(gè)時(shí)間片段，然后用截取的信號時(shí)間片段進(jìn)行周期延拓處理，得到虛擬的無(wú)限長(cháng)信號，再進(jìn)行傅里葉變換和相關(guān)分析。無(wú)限長(cháng)信號被截斷后，其頻譜發(fā)生了畸變，我們稱(chēng)為頻譜能量泄漏，為了減少頻譜泄漏，可采用不同的截取函數對信號進(jìn)行截斷，截斷函數稱(chēng)為窗函數，簡(jiǎn)稱(chēng)為窗。

一為什么要加窗

　　每次FFT變換只能對有限長(cháng)度的時(shí)域數據進(jìn)行變換，因此需要對時(shí)域信號進(jìn)行信號截斷，即使是周期信號，如果截斷的時(shí)間長(cháng)度不是周期的整數倍(整周期截斷)，那么截取后的信號將會(huì )存在頻譜泄漏，為了將這個(gè)泄漏誤差減少到最小程度(不是消除)，我們需要使用窗函數。加窗主要是為了使時(shí)域信號似乎更好的滿(mǎn)足FFT處理的周期性要求，減少泄漏。

圖1 整周期截斷、非整周期截斷及加窗后的頻譜

　　如上圖1所示，若整周期截斷，則FFT頻譜為單一譜線(xiàn)。若為非整周期截斷，則頻譜出現拖尾，可以看出泄漏很?chē)乐?。為了減少泄漏，給信號施加一個(gè)窗函數，原始截斷后的信號與這個(gè)窗函數相乘之后得到的信號為圖1最右側的信號?？梢钥闯?，此時(shí)信號的起始時(shí)刻和結束時(shí)刻幅值都為0，也就是說(shuō)在這個(gè)時(shí)間長(cháng)度內，信號為周期信號，但是只有一個(gè)周期，對這個(gè)信號做FFT分析，相比之前未加窗的頻譜，泄漏已明顯改善，但并未完全消除，因此窗函數只能減少泄漏，不能消除泄漏。

二窗函數的定義

　　信號截斷時(shí)，只能截取一定長(cháng)度，哪怕原始信號是無(wú)限長(cháng)，就好像是用一個(gè)“窗”(確切來(lái)說(shuō)更像一個(gè)“框”)去做這樣的截取。如下圖2所示，原始信號是周期信號，時(shí)間很長(cháng)，截取時(shí)用紅色的“窗”去截取這個(gè)周期信號，截取得到的信號如圖3所示。

圖2 原始信號

圖3 時(shí)間窗截斷后的信號

　　當然，這個(gè)“窗”是一個(gè)單位權重的加權函數，成為“矩形窗”。這個(gè)“窗”外的信號是看不到的，就好比通過(guò)窗戶(hù)看外面的世界，世界很大也很精彩，但您能看到的只是位于窗內的世界。這就是為什么這樣的加權函數被成為窗函數的真正原因。

　　上圖3中用于截取信號的時(shí)域截取函數稱(chēng)為窗函數，它是一種加權函數，不同窗的加權是不一樣的，也就是說(shuō)，可以用不同的窗函數來(lái)做信號截斷。常用的窗函數有矩形窗、漢寧窗、平頂窗和指數窗等。

三窗函數的時(shí)頻域特征

　　加窗實(shí)質(zhì)是用一個(gè)所謂的窗函數與原始的時(shí)域信號做乘積的過(guò)程，使得相乘后的信號似乎更好的滿(mǎn)足傅里葉變換的周期性要求，如下圖4所示，原始的信號是不滿(mǎn)足FFT變換的周期性要求的，變換后存在泄漏，如果施加一個(gè)窗函數，會(huì )在一定程度上減少泄漏。

原始周期信號                                      窗函數                             加窗后的信號

圖4 信號加窗

　　使用不同的時(shí)間窗，他們的時(shí)域形狀和頻域特征是不相同的，這里主要介紹三種常見(jiàn)的窗函數的時(shí)域表達形式，以及他們的時(shí)域窗形狀和頻域特征。這三種窗分別是矩形窗、漢寧窗和平頂窗。它們的時(shí)域表達式如下表所示，并且假設時(shí)間窗的范圍為0≤t≤T，t的取值區間不同，窗函數的表達形式會(huì )略有差異。

窗函數	時(shí)域表達式
矩形窗
漢寧窗
平頂窗

　　矩形窗、漢寧窗和平頂窗的時(shí)域形狀和頻域特征如下圖5~圖6所示，可以看出，窗函數不同，時(shí)域和頻域都是不同的。

圖5 三種窗函數的時(shí)域形狀

圖6 三種窗函數的頻域特征

　　窗函數的典型頻譜特征如下圖7所示：

圖7 窗函數的典型頻譜特征

四加窗函數的原則

　　加窗函數時(shí)，應使窗函數頻譜的主瓣寬度應盡量窄，以獲得高的頻率分辨能力；旁瓣衰減應盡量大，以減少頻譜拖尾。但通常都不能同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求，各種窗的差別主要在集中于主瓣的能量和分散在所有旁瓣的能量之比。

　　窗函數的選擇取決于分析的目標和被分析信號的類(lèi)型，一般來(lái)說(shuō)，有效噪聲頻帶越寬，頻率分辨能力越差，越難于分清有相同幅值的鄰近頻率。選擇性的提高與旁瓣的衰減率有關(guān)，通常有效噪聲帶寬窄的窗，其旁瓣的衰減率較低，因此窗的選擇在二者中進(jìn)行折中處理。

　　窗函數的選擇一般原則如下：

　　1. 如果截斷的信號仍為周期信號，則不存在泄漏，無(wú)需加窗，相當于加矩形窗；

　　2. 如果信號是隨機信號或者未知信號，或者有多個(gè)頻率分量，測試關(guān)注的是頻率點(diǎn)而非能量大小，建議選擇漢寧窗；

　　3. 對于校準目的，則要求幅值精確，平頂窗是個(gè)不錯的選擇；

　　4. 如果同時(shí)要求幅值精度和頻率精度，可選擇凱塞窗；

　　5. 如果檢測兩個(gè)頻率相近、幅值不同的信號，建議用布萊克曼窗；

　　6. 錘擊法試驗，力信號加力窗，響應可加指數窗。

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