快速傅立叶变换FFT频谱分析程序1.doc
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4、波,振幅5的250Hz正弦波)进行FFT频谱分析。 通过ScopFFT快速傅立叶频谱分析程序进行FFT频谱分析可以得到下图的分析结果,可以清晰的分析出振幅约6的50Hz正弦波,振幅约4的200Hz正弦波和振幅约5的250Hz正弦波这三个主要频率成分。 使用Matlab对采样数据进行频谱分析(1)最近做毕设,要对采集到的数据进行频谱分析。刚开始将所有采样数据全部送入Matlab进行分析,效果总是很不理想。翻阅课本、搜查网页,总结出使用Matlab对采样数据进行频谱分析的理论和方法,特整理于此,和大家分享。1、采样数据导入Matlab采样数据的导入至少有三种方法。第一就是手动将数据整理成Matla
5、b支持的格式,这种方法仅适用于数据量比较小的采样。第二种方法是使用Matlab的可视化交互操作,具体操作步骤为:File - Import Data,然后在弹出的对话框中找到保存采样数据的文件,根据提示一步一步即可将数据导入。这种方法适合于数据量较大,但又不是太大的数据。据本人经验,当数据大于15万对之后,读入速度就会显著变慢,出现假死而失败。第三种方法,使用文件读入命令。数据文件读入命令有textread、fscanf、load等,如果采样数据保存在txt文件中,则推荐使用 textread命令。如 a,b=textread(data.txt,%f%*f%f); 这条命令将data.txt中
6、保存的数据三个三个分组,将每组的第一个数据送给列向量a,第三个数送给列向量b,第二个数据丢弃。命令类似于C语言,详细可查看其帮助文件。文件读入命令录入采样数据可以处理任意大小的数据量,且录入速度相当快,一百多万的数据不到20秒即可录入。强烈推荐!2、对采样数据进行频谱分析频谱分析自然要使用快速傅里叶变换FFT了,对应的命令即 fft ,简单使用方法为:Y=fft(b,N),其中b即是采样数据,N为fft数据采样个数。一般不指定N,即简化为Y=fft(b)。Y即为FFT变换后得到的结果,与b的元素数相等,为复数。以频率为横坐标,Y数组每个元素的幅值为纵坐标,画图即得数据b的幅频特性;以频率为横坐
7、标,Y数组每个元素的角度为纵坐标,画图即得数据b的相频特性。典型频谱分析M程序举例如下:clcfs=100;t=0:1/fs:100;N=length(t)-1;%减1使N为偶数%频率分辨率F=1/t=fs/Np=1.3*sin(0.48*2*pi*t)+2.1*sin(0.52*2*pi*t)+1.1*sin(0.53*2*pi*t).+0.5*sin(1.8*2*pi*t)+0.9*sin(2.2*2*pi*t);%上面模拟对信号进行采样,得到采样数据p,下面对p进行频谱分析figure(1)plot(t,p);grid ontitle(信号 p(t);xlabel(t)ylabel(p)
8、Y=fft(p);magY=abs(Y(1:1:N/2)*2/N;f=(0:N/2-1)*fs/N;figure(2)%plot(f,magY);h=stem(f,magY,fill,-);set(h,MarkerEdgeColor,red,Marker,*)grid ontitle(频谱图 (理想值:0.48Hz,1.3、0.52Hz,2.1、0.53Hz,1.1、1.8Hz,0.5、2.2Hz,0.9) );xlabel(f (Hz)ylabel(幅值)对于现实中的情况,采样频率fs一般都是由采样仪器决定的,即fs为一个给定的常数;另一方面,为了获得一定精度的频谱,对频率分辨率F有一个人为
9、的规定,一般要求F100秒;由采样时间ts和采样频率fs即可决定采样数据量,即采样总点数N=fs*ts。这就从理论上对采样时间ts和采样总点数N提出了要求,以保证频谱分析的精准度。3、数据长度的选择频率分辨率F,顾名思义就是频谱中能够区分出的最小频率刻度。如F=0.01,则频谱图中横坐标频率的最小刻度为0.01,即0.02Hz和 0.03Hz是没有准确数据的,但Matlab在画图时对其进行了插值,故而plot作图时看到的频谱是连续的。但用stem来作图就可以看出频率是离散的,stem对了解F的含义非常有帮助。由此,我们可以进一步思考。如果信号所包含的频率分量不是F的整数倍,那么这个频率分量就不
10、会得到正确的反映。如信号包含1.13Hz频率分量,而 F=1/ts=fs/N=0.02,则1.13/0.02=56.5,不等于整数,即在频谱图中找不到准确的刻度,而只能在第56和57个频率刻度上分开显示其幅值,这自然就不准确了。因此,请大家在频谱分析时一定要使F能够被频率精度整除。如要求频率精确度为0.01,则F最大为0.01,也可取值为0.02、0.05、0.001等数据,使0.01/F=整数。而F仅仅由采样时间ts(也称数据长度)决定,因此一定要选择好ts,且要首先确定ts的值。作为验证,对上面的程序做一个修改:将t=0:1/fs:100;改为t=0:1/fs:83;即ts由100改为83
11、,则F=1/ts由0.01变为0.012。二者分别作出频谱图对比如下:上图1 频谱图:ts=100s,F=1/ts=0.01上图2 频谱图:ts=83s,F=1/ts=0.012对比上面两个图即可发现,图2中由于f/F不是整数,在横坐标中找不到对应的刻度,从而使得各个频率的幅值泄漏到了其他频率。总结上面的结论,在保证采样定理所要求的二倍频的前提下,并不是采样频率fs或采样点数N越大越好,而是要控制好数据长度ts,使频率分辨率F满足频率精度。FFT实践及频谱分析(2)%FFT实践及频谱分析 %*%*1.正弦波*%fs=100;%设定采样频率N=128;n=0:N-1;t=n/fs;f0=10;%
12、设定正弦信号频率%生成正弦信号x=sin(2*pi*f0*t);figure(1);subplot(231);plot(t,x);%作正弦信号的时域波形xlabel(t);ylabel(y);title(正弦信号y=2*pi*10t时域波形);grid;%进行FFT变换并做频谱图y=fft(x,N);%进行fft变换mag=abs(y);%求幅值f=(0:length(y)-1)*fs/length(y);%进行对应的频率转换figure(1);subplot(232);plot(f,mag);%做频谱图axis(0,100,0,80);xlabel(频率(Hz);ylabel(幅值);tit
13、le(正弦信号y=2*pi*10t幅频谱图N=128);grid;%求均方根谱sq=abs(y);figure(1);subplot(233);plot(f,sq);xlabel(频率(Hz);ylabel(均方根谱);title(正弦信号y=2*pi*10t均方根谱);grid;%求功率谱power=sq.2;figure(1);subplot(234);plot(f,power);xlabel(频率(Hz);ylabel(功率谱);title(正弦信号y=2*pi*10t功率谱);grid;%求对数谱ln=log(sq);figure(1);subplot(235);plot(f,ln);
14、xlabel(频率(Hz);ylabel(对数谱);title(正弦信号y=2*pi*10t对数谱);grid;%用IFFT恢复原始信号xifft=ifft(y);magx=real(xifft);ti=0:length(xifft)-1/fs;figure(1);subplot(236);plot(ti,magx);xlabel(t);ylabel(y);title(通过IFFT转换的正弦信号波形);grid;%*2.矩形波*%fs=10;%设定采样频率t=-5:0.1:5;x=rectpuls(t,2);x=x(1:99);figure(2);subplot(231);plot(t(1:9
15、9),x);%作矩形波的时域波形xlabel(t);ylabel(y);title(矩形波时域波形);grid;%进行FFT变换并做频谱图y=fft(x);%进行fft变换mag=abs(y);%求幅值f=(0:length(y)-1)*fs/length(y);%进行对应的频率转换figure(2);subplot(232);plot(f,mag);%做频谱图xlabel(频率(Hz);ylabel(幅值);title(矩形波幅频谱图);grid;%求均方根谱sq=abs(y);figure(2);subplot(233);plot(f,sq);xlabel(频率(Hz);ylabel(均方
16、根谱);title(矩形波均方根谱);grid;%求功率谱power=sq.2;figure(2);subplot(234);plot(f,power);xlabel(频率(Hz);ylabel(功率谱);title(矩形波功率谱);grid;%求对数谱ln=log(sq);figure(2);subplot(235);plot(f,ln);xlabel(频率(Hz);ylabel(对数谱);title(矩形波对数谱);grid;%用IFFT恢复原始信号xifft=ifft(y);magx=real(xifft);ti=0:length(xifft)-1/fs;figure(2);subplo
17、t(236);plot(ti,magx);xlabel(t);ylabel(y);title(通过IFFT转换的矩形波波形);grid;%*3.白噪声*%fs=10;%设定采样频率t=-5:0.1:5;x=zeros(1,100);x(50)=100000;figure(3);subplot(231);plot(t(1:100),x);%作白噪声的时域波形xlabel(t);ylabel(y);title(白噪声时域波形);grid;%进行FFT变换并做频谱图y=fft(x);%进行fft变换mag=abs(y);%求幅值f=(0:length(y)-1)*fs/length(y);%进行对应
18、的频率转换figure(3);subplot(232);plot(f,mag);%做频谱图xlabel(频率(Hz);ylabel(幅值);title(白噪声幅频谱图);grid;%求均方根谱sq=abs(y);figure(3);subplot(233);plot(f,sq);xlabel(频率(Hz);ylabel(均方根谱);title(白噪声均方根谱);grid;%求功率谱power=sq.2;figure(3);subplot(234);plot(f,power);xlabel(频率(Hz);ylabel(功率谱);title(白噪声功率谱);grid;%求对数谱ln=log(sq)
19、;figure(3);subplot(235);plot(f,ln);xlabel(频率(Hz);ylabel(对数谱);title(白噪声对数谱);grid;%用IFFT恢复原始信号xifft=ifft(y);magx=real(xifft);ti=0:length(xifft)-1/fs;figure(3);subplot(236);plot(ti,magx);xlabel(t);ylabel(y);title(通过IFFT转换的白噪声波形);grid;FFT的计算结果,对应的频点计算公式(3)1. FFT的频率分辨率计算公式为:f=fs/N;其中fs为采样频率;N为FFT变换的点数2.
20、FFT的计算结果,对应的频点计算公式:1*fs/N, 2f*s/N, 3f*s/N, N*fs/N。举例说明:用1KHZ的采样率采样信号128点,则FFT结果的128个数据即对应的频率点分别是1k/128,2k/128, 3k/128, 128k/128HZ。FFT结果的物理意义(转圈圈)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
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