振动与
/rj1
Tn'
第
31
卷第
1
J
到
JOURNAL
OF
VIBRATION
AND
SHOCK
Vo
l.
31
No.1
2012
一种改进的基于相位差法的频谱校正方法
胡文彪,夏立,向东阳,吴正国
(海军工程大学电气与信息工程学院,武汉
430033
)
摘
要:采用相位差校正法进行频谱校正,对
I~
面值进行校正需要依赖于窗函数的谱函数。而实际上很多窗函数都
十分复杂,其谱函数的解析表达式难以取得。该文提出基于相位差法取得频率修正量后,可以将原加窗序列乘以一个由
频率修正量产生的复数序列,相当于进行一个小的频移,产生一个新的序列。新序列的信号频率正好对准离散频谱上的
某一根谱线,不会产生泄漏。因此在幅值校正时不需要依赖窗函数的谱函数,通用性好。仿真研究和应用实例表明,采用
该文提出的方法,选择合适的窗函数,即使是密集分布的频谱,也可以达到理想的校正精度。
关键词:频谱分析;校正;相位差;窗函数
中图分类号
TN99
1.
6
文献标识码
A
An
improved
frequency
spectrum
correction
method
based
on
phase
difference
correction
method
HU
Wen-bi
α
0
,
XIA
Li
,
XIANG
Dong-y
α
ng
,
WU
Zheng-guo
(College
of
Electrical
and
Information
Engineering
,
Naval
University
of
Engineeri
吨,
Wuhan
430033 , China)
Abstract:
Amplitude correction was
dependent
upon spectral functions of window functions , when the
phase
difference correction method was employed to correct frequency spectra. However, many window functions were very
complex actually
and
the analytic expressions of their spectral function could not be obtained. A novel amplitude correction
method was proposed here.
Mter
frequency correction value was calculated
based
on the
phase
difference correction
method
, a new numerical
sequence
could be obtained by multiplying the original
sequence
with a complex
number
sequence
produced by the frequency correction value.
Then
, the signal frequency of the new
sequence
just
aimed at a
certain spectral line
, and the frequency spectral analysis
didn't
cause a leak for frequency spectra. 50 , the amplitude
correction
didn't
depend
on the spectral functions of window functions. Numerical simulation results
and
application
examples demonstrated that the ideal correction precision
can
be reached even for frequency spectra with
dense
distribution
by using the proposed method
and
choosing an appropriate window function.
Key
words:
spectral analysis; correction; phase difference; window function
频谱分析是数字信号处理的重要手段。由于
F
盯
和谱分析只能在有限的时间区间内进行,不可避免地造
成由于时域截断产生的能量泄露,使谱峰值变小、精度降
低。已有研究表明,加矩形窗时单谐波频率成分的幅值
误差最大可达
36.4%[IJ
,即使加其它窗时,也不能完全
消除影响,如加
Hannir
差仍高达
1
臼
5.3%
,相位误差高达
90
0
。因此采用各种有
效的方法对频谱进行校正具有十分重要的意义。
目前国内外学者
[1
-21
J
在频谱校正方面做了大量研
究工作,提出的频谱校正方法主要有:能量重心法
[2
,气
比值法
[4
-6J
、
FFT
+
DFT
谱连续细化法[町、相位差
法
[8
-18J
。其中采用相位差法进行校正时,幅值校正公
基金项目:国家自然科学基金项目
(50677069)
收稿日期:
2010
-09 -25
修改稿收到日期
:2010-11
-25
第一作者胡文彪男,博士生,
1979
年生
式也完全依赖于窗函数的谱函数。在实际的工程应用
中,窗函数的选择十分重要。根据不同的情况,选择适
当的窗函数,可以取得比较好的效果。以密集频谱的
情况为例,为确保校正精度,选取的窗函数的旁瓣必须
能够快速衰减,避免不同频率分量的主瓣和旁瓣之间
互相影响。
Kaiser
窗可定义一组可调的窗函数,其主瓣
能量和旁瓣能量之间的比例近乎最大,且可自由选择
主瓣宽度和旁瓣高度之间比重,本来十分适合密集频
谱的情况。但由于
Kaiser
窗的窗函数十分复杂,其谱
函数数学表达式无法求出[叫,限制了
Kaiser
窗的应用。
因此基于相位差法,研究一种通用的不依赖窗谱函数
的具有统一的幅值校正公式的校正方法具有十分重要
的意义。
1
相位差校正法
设有一周期信号
x
(
t)
= A cos (
2τrfo
+t
+0)
,
其傅里