Sheng Wang

FFT终点截断引起的错误

我看过很多例FFT计算中端点处理的错误,先来看以下的例子:
下图中,1Hz的周期正弦信号$sin(2\pi t)$,通过FFT计算,其功率频谱中,存在1Hz以外的信号,这显然是不对的。
在很多案例中,这一现象被忽视,或者被解释为计算误差。特别是当信号的序列足够长时,这一特征会十分的不明显。亦有一部分案例期望通过补零来优化结果。

错误的原因

要分析这一错误出现的原因,需要从FFT的隐含周期性条件出发。时间域的离散化对应了频率域的周期化,而频率域的离散化对应了时间域的周期化。故由时间域的离散序列变换得到频率域的离散序列,隐含了信号在时频域皆为周期信号的约束。因此,FFT计算,实际上对应了周期化的时间序列的频谱。
针对以上时间序列信号,我们构建其周期化波形如下:

显然,周期化之后的信号并非我们预想的$sin(2\pi t)$,所以利用FFT得到的频谱显然也不是预想的1Hz。
而出现频谱泄漏,也是由$t=1$处间断引起的吉布斯效应。

正确的做法

那么,要得到正确的频谱,我们需要抹掉原始序列末尾的采样点:

此时,周期化对应的信号如下图,显然是我们预期的正弦信号$sin(2\pi t)$。

信号处理注意事项

实际信号处理中,对于采样点为$N$,采样间隔为$\delta t$的离散序列,其周期为$N\delta t$,而不是$(N-1)\delta t$。