專利名稱：全相位fft頻譜分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及FFT頻譜分析裝置，具體講是涉及帶時間窗或不帶時間窗的全相位FFT頻譜分析裝置。
背景技術(shù)：
常用的FFT頻譜分析如圖1所示，輸入信號的N個抽樣經(jīng)離散變換FFT，取振幅或振幅平方后輸出。由于有限離散變換FFT會產(chǎn)生泄露，可加窗函數(shù)來減少泄露，加窗FFT頻率或功率譜分析如圖2所示。
上述FFT頻譜分析只考慮到分割輸入信號的N個抽樣信號的一種情況，若將全部可能的分割都計入，則可明顯改善FFT頻譜分析的性能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的是提供具有良好的分析性能，分析性能包括頻率或功率明顯改善，泄露小的全相位FFT頻譜分析裝置。
本實用新型采用的技術(shù)方案是，一種全相位FFT頻譜分析裝置，包括延遲單元、離散變換器、振幅輸出器，此外還包括滑動窗和加法器，輸入信號依次經(jīng)2N-2個延遲單元，每2個延遲單元間輸出一路信號，每2個延遲單元間輸出信號、輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號分別輸入到滑動窗，輸入到滑動窗的第N個信號不通過加法器直接輸出到離散變換器，其余輸入到滑動窗的信號經(jīng)平移相加后輸出到離散變換器，即輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號經(jīng)滑動窗、第一個加法器相加后輸出到離散變換器；第1個延遲單元和第2個延遲單元間的輸出信號與第2N-3個和第2N-2個延遲單元間的輸出信號經(jīng)滑動窗、第二個加法器相加后輸出到離散變換器；其余依次類推，N為離散變換器的階數(shù)。
上述全相位FFT頻譜分析裝置中，離散變換器的階數(shù)可以為4。
上述全相位FFT頻譜分析裝置中，每2個延遲單元間輸出信號、輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號經(jīng)時間窗后輸出。
本實用新型提供的全相位FFT頻譜分析裝置可以帶來如下效果由于采用平移相加的結(jié)構(gòu)，N個抽樣信號的N種可能全部計入，相位互相補償，因而本實用新型提供的全相位FFT頻譜分析裝置具有良好的分析性能，分析性能包括頻率或功率明顯改善，且泄露小。


圖1現(xiàn)有技術(shù)不帶時間窗的濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖2現(xiàn)有技術(shù)帶時間窗的濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖3不帶時間窗全相位濾波器結(jié)構(gòu)圖，并作為摘要附圖。
圖4帶時間窗的全相位濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖5信號的振幅譜和功率譜分析。
具體實施方式
下面參照附圖和實施例，進(jìn)一步說明本實用新型。
無窗全相位FFT頻譜分析裝置如圖3所示，詳見[1-4]。它將分割輸入信號的N個抽樣信號全部N種可能分割都計入，相位互相補倘，明顯改善濾波器或頻譜分析的性能。
圖3全相位FFT頻譜分析裝置中輸入數(shù)據(jù)作了處理，若作4階FFT分析，在輸入序列an中，取7個樣點，乘以三角窗函數(shù)，得序列a0，2a1，3a2，4a3，3a4，2a5，a6以a0為中心，平移相加，組成一個新的N階序列，4a3，3a4+a0.，2a5+2a1，a6+3a2對其作FFT變換，取振幅平方后輸出功率譜。如圖5中c部分所示。
全相位輸入數(shù)據(jù)可用圖4顯示，圖4中以N＝4為例，在輸入數(shù)據(jù)a0-a6中，滑動窗截取4組N＝4的數(shù)據(jù)，a0a1a2a3，a1a2a3a4，a2a3a4a5，a3a4a5a6.每一個都作周期延伸，F(xiàn)FT分析就是對周期延伸信號的分析。這4組延伸信號對a3對齊后相加，即得全相位輸入數(shù)據(jù)，如圖2右中間恬號內(nèi)4組N＝4的輸入之和。注意第2組中a4代替第1組的a0，第3組中a5a4代替第1組的ata0.，第4組中a6a5a4代替第1組的a2a1a0。
...a6a5a4a3a2a1a0...
.....a3a2a1a0.. .......(a3a2a1a0)a3a2a1a0a3a2a1a0..
.......a4a3a2a1.......a4(a3a2a1a4)a3a2a1a4a3a2a1..
...a5a4a3a2.. .....a5a4(a3a2a5a4)a3a2a5a4a3a2..
a6a5a4a3...........a6a5a4(a3a6a5a4)a3a6a5a4a3a6..
...................(4a3，3a2+a6，2a1+2a5，a0+3a4)其它的頻譜分析法如Welch法是對a0ata2a3，a1a2a3a4，a2a3a4a5，a3a4a5a6.4組數(shù)據(jù)分別作FFT，求振幅的平均，注意第2組數(shù)據(jù)是ata2a3a4.不是全相位的a4a1a2a3，第3、4組也不同於全相位的，相位互相沒有補倘作用。
圖3是不加窗的全相位頻譜分析裝置框圖，若加窗函數(shù)，圖中三角窗改為N階窗函數(shù)window和N階矩形窗(Rec)卷積產(chǎn)生的一個2N-1階窗函數(shù)，如圖4所示。
全相位FFT頻譜分析，如余弦信號cos(3/128×2πt)+cos(15.125/128×2πt)+cos(28.25/128×2πt)+cos(42.375/128×2πt)+cos(56.5/128×2πt)在N＝128的振幅譜如圖5左面部分所示。圖5中a部分是現(xiàn)有技術(shù)FFT，圖5中b部分是現(xiàn)有技術(shù)FFT加Hamming窗。圖5中c部分是全相位FFT，圖5中d部分是全相位FFT加Hamming窗。
這5條頻譜第1條3/128是周期整數(shù)倍，后面4條分別偏離0.125，0.25，0.375，0.5個周期.笫1和2條整數(shù)倍和接近整數(shù)倍時圖3a為1條頻線其它3種偏離情況都有泄漏，加窗后(圖5b)整數(shù)倍和接近整數(shù)倍時變成3條，但其它3種偏離情況都是加窗后明顯改善。而圖5c全相位時全部改善。第1和2條整數(shù)倍和接近整數(shù)倍時圖5c仍為1條頻線，其它3種偏離情況也顯改善，是一種性能良好的方法。而圖3d加Hamming窗全相位FFT也全部改善。
圖5右是N＝128時信號的功率譜，圖3a是原有FFT，圖5b是原FFT加Hamming窗。圖5c是全相位FFT，圖5d是全相位FFT+Hamming窗。
原來的FFT法(圖5a)功率譜泄漏約在-20db，加窗FFT(圖5b)在-40db，提高了一倍，全相位法(圖5c)在-50db以上，比圖5a提高了1倍，比圖5b提高了10db.圖5d全相位FFT+Hamming窗在-70db以上。
全相位輸入數(shù)據(jù)分析下面給出N＝6全相位信號的FFT頻譜數(shù)值分析，頻率為1.02(偏離整數(shù)倍)余弦信號cos(2×pi×1.02/6×t)的11個取樣信號為0.4818 -0.5358 -0.9980-0.4258 0.5878 0.9921 0.3681 -0.6374 -0.9823-0.3090 0.6845全相位輸入信號由6組N＝6的取樣信號組成，第1組是11個取樣信號的最右6個組成，第2組由向左移1位的6個組成，但首位0.9911和第1個首位0.9911對齊，這樣其左邊的0.5878移到右邊。第3個向左移2位，下類同。
0.99210.3681 -0.6374 -0.9823 -0.30900.68450.99210.3681 -0.6374 -0.9823 -0.30900.58780.99210.3681 -0.6374 -0.9823 -0.42580.58780.99210.3681 -0.6374 -0.9980 -0.42580.58780.99210.3681 -0.5358 -0.9980 -0.42580.58780.99210.4818 -0.5358 -0.9980 -0.42580.5878這6組N＝6的取樣信號的FFT頻譜分別為0.11612.9740 +0.5584i -0.0433 -0.0104i -0.0247 -0.0433 +0.0104i2.9740 -0.5584i0.01932.9256 +0.4746i 0.0051 -0.0942i 0.0721 0.0051 +0.0942i2.9256 -0.4746i-0.0975 2.9840 +0.3735i 0.0635 +0.0069i -0.0447 0.0635 -0.0069i2.9840 -0.3735i-0.1132 2.9997 +0.3735i 0.0477 +0.0069i -0.0290 0.0477 -0.0069i2.9997 -0.3735i-0.0116 2.9489 +0.2855i -0.0031 +0.0949i 0.0726 -0.0031 -0.0949i2.9489 -0.2855i0.10203.0057 +0.1871i -0.0599 -0.0035i -0.0410 -0.0599 +0.0035i3.0057 -0.1871i它們除笫2個主譜外都有數(shù)值較大旁譜，如笫1個約0.1，但6個旁譜中3個正3個負(fù)。
全相位數(shù)據(jù)是上面6組信號之和的平均，即0.99210.3871 -0.6036 -0.9902 -0.38690.6039全相位數(shù)據(jù)的FFT頻譜也6個頻譜之和的平均0.0025 2.9730 +0.3755i 0.0017 +0.0001i 0.0009 0.0017 -0.0001i2.9730 -0.3755i它的主譜外旁譜數(shù)值很小，如笫1個從0.1降0.0025，相互抵消了。從全相位信號的FFT頻譜數(shù)值分析可清楚了解全相位頻譜分析性能好的機理。
綜上所述，本文提出的全相位FFT頻譜分析有良好的頻率分析特性，泄漏小，它和原FFT法在輸入數(shù)據(jù)上有區(qū)別。本文以余弦信號為例，類同輸入方法用於隨機信號的譜估計和時頻分析。
權(quán)利要求1.一種全相位FFT頻譜分析裝置，包括延遲單元、離散變換器、振幅輸出器，其特征是，還包括滑動窗和加法器，輸入信號依次經(jīng)2N-2個延遲單元，每2個延遲單元間輸出一路信號，每2個延遲單元間輸出信號、輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號分別輸入到滑動窗，輸入到滑動窗的第N個信號不通過加法器直接輸出到離散變換器，其余輸入到滑動窗的信號經(jīng)平移相加后輸出到離散變換器，即輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號經(jīng)滑動窗、第一個加法器相加后輸出到離散變換器；第1個延遲單元和第2個延遲單元間的輸出信號與第2N-3個和第2N-2個延遲單元間的輸出信號經(jīng)滑動窗、第二個加法器相加后輸出到離散變換器；其余依次類推，N為離散變換器的階數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全相位FFT頻譜分析裝置，其特征是，離散變換器的階數(shù)為4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全相位FFT頻譜分析裝置，其特征是，每2個延遲單元間輸出信號、輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號經(jīng)時間窗后輸出。
專利摘要本實用新型涉及頻譜分析裝置，尤其涉及帶時間窗或不帶時間窗的全相位FFT頻譜分析裝置。為提供具有良好的分析性能，分析性能包括頻率或功率明顯改善，泄露小的全相位FFT頻譜分析裝置，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種全相位FFT頻譜分析裝置，包括延遲單元、離散變換器、振幅輸出器，此外還包括滑動窗和加法器，輸入信號依次經(jīng)2N－2個延遲單元，每2個延遲單元間輸出一路信號，每2個延遲單元間輸出信號、輸入信號和最后一個延遲單元的輸出信號分別輸入到滑動窗，輸入到滑動窗的第N個信號不通過加法器直接輸出到離散變換器，其余輸入到滑動窗的信號經(jīng)平移相加后輸出到離散變換器。本實用新型主要用于制作頻譜分析裝置。
文檔編號G01R23/16GK2739645SQ200420028959
公開日2005年11月9日 申請日期2004年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者王兆華, 侯正信 申請人:天津大學(xué)