数字信号处理实验二FFT频谱分析

实验三：用FFT 对信号作频谱分析

10.3.1 实验指导

1．实验目的

学习用FFT 对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析 误差及其原因，以便正确应用FFT 。

2. 实验原理

用FFT 对信号作频谱分析是学习数字信号处理的重要容。经常需要进行谱分析的信号是模拟信号和时域离散信号。对信号进行谱分析的重要问题是频谱分辨率D 和分析误差。频谱分辨率直接和FFT 的变换区间N 有关，因为FFT 能够实现的频率分辨率是N /2π，因此要求D N ≤/2π。可以根据此式选择FFT 的变换区间N 。误差主要来自于用FFT 作频谱分析时，得到的是离散谱，而信号（周期信号除外）是连续谱，只有当N 较大时离散谱的包络才能逼近于连续谱，因此N 要适当选择大一些。

周期信号的频谱是离散谱，只有用整数倍周期的长度作FFT ，得到的离散谱才能代表周期信号的频谱。如果不知道信号周期，可以尽量选择信号的观察时间长一些。

对模拟信号进行谱分析时，首先要按照采样定理将其变成时域离散信号。如果是模拟周期信号，也应该选取整数倍周期的长度，经过采样后形成周期序列，按照周期序列的谱分析进行。

3．实验步骤及容

（1）对以下序列进行谱分析。

?????≤≤-≤≤-=??

???≤≤-≤≤+==其它n

n n n n n x 其它n n n n n n x n R n x ,074,

330,4)(,074,

830,1)()

()(3241 选择FFT 的变换区间N 为8和16 两种情况进行频谱分析。分别打印其幅频特性曲线。 并进行对比、分析和讨论。

（2）对以下周期序列进行谱分析。 4()cos 4

x n n π= 5()cos(/4)cos(/8)x n n n ππ=+

选择FFT 的变换区间N 为8和16 两种情况分别对以上序列进行频谱分析。分别打印其幅频特性曲线。并进行对比、分析和讨论。

（3）对模拟周期信号进行谱分析

6()cos8cos16cos20x t t t t πππ=++

选择 采样频率Hz F s 64=，变换区间N=16,32,64 三种情况进行谱分析。分别打印其幅频特性，并进行分析和讨论。

4．思考题

（1）对于周期序列，如果周期不知道，如何用FFT 进行谱分析？

（2）如何选择FFT 的变换区间？（包括非周期信号和周期信号）

（3）当N=8时，)(2n x 和)(3n x 的幅频特性会相同吗？为什么？N=16 呢？

5．实验报告要求

（1）完成各个实验任务和要求。附上程序清单和有关曲线。

（2）简要回答思考题。

实验容（1）

x1n=[ones(1,4)];

X1k8=fft(x1n,8);

X1k16=fft(x1n,16);

N=8;

f=2/N*(0:N-1);

subplot(1,2,1);stem(f,abs(X1k8),'.');

title('(la) 8点DFT[x_1(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

N=16;

f=2/N*(0:N-1);

subplot(1,2,2);stem(f,abs(X1k16),'.');

title('(la) 16点DFT[x_1(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

M=8;xa=1:(M/2);xb=(M/2):-1:1;

x2n=[xa,xb];

x3n=[xb,xa];

X2k8=fft(x2n,8);

X2k16=fft(x2n,16);

X3k8=fft(x3n,8);

X3k16=fft(x3n,16);

figure(2);

N=8;

f=2/N*(0:N-1);

subplot(2,2,1);stem(f,abs(X2k8),'.'); title('(2a) 8点DFT[x_2(n)]'); xlabel('频谱特性');ylabel('幅度'); subplot(2,2,3);stem(f,abs(X3k8),'.'); title('(3a) 8点DFT[x_3(n)]'); xlabel('频谱特性');ylabel('幅度'); N=16;

f=2/N*(0:N-1);

subplot(2,2,2);stem(f,abs(X2k16),'.'); title('(2a) 16点DFT[x_2(n)]'); xlabel('频谱特性');ylabel('幅度'); subplot(2,2,4);stem(f,abs(X3k16),'.'); title('(3a) 16点DFT[x_3(n)]'); xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

图（1a ）和（1b ）说明14()

()x n R n =的8点DFT 和16点DFT 分别是1()x n 的频谱函数的8点和16点采样；

因为3288()((3))()x n x n R n =+，所以，3()x n 与2()x n 的8点DFT 的模相等，如

图（2a ）和（3a ）。但是，当N=16时，3()x n 与2()x n 不满足循环移位关系，所以图（2b ）和（3b ）的模不同。

（2）

N=8;n=0:N-1;

x4n=cos(pi*n/4);

x5n=cos(pi*n/4)+cos(pi*n/8); X4k8=fft(x4n,8);

X4k16=fft(x4n,16);

X5k8=fft(x5n,8);

X5k16=fft(x5n,16);

figure(3);

N=8;

f=2/N*(0:N-1);

subplot(2,2,1);stem(f,abs(X4k8),'.'); title('(4a) 8点DFT[x_4(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度'); subplot(2,2,3);stem(f,abs(X5k8),'.'); title('(5a) 8点DFT[x_5(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度'); N=16;

f=2/N*(0:N-1);

subplot(2,2,2);stem(f,abs(X4k16),'.'); title('(4b) 16点DFT[x_4(n)]'); xlabel('频谱特性');ylabel('幅度'); subplot(2,2,4);stem(f,abs(X5k16),'.'); title('(5b) 16点DFT[x_5(n)]'); xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

对周期序列谱分析

4()cos 4x n n π=的周期为8，所以N=8和N=16均是其周期的整数倍，得到正确的单一频率正弦波的频谱，仅在0.25π处有1根单一谱线。如图（4b ）和（4b ）所示。

5()cos(/4)cos(/8)x n n n ππ=+的周期为16，

所以N=8不是其周期的整数倍，得到的频谱不正确，如图（5a ）所示。N=16是其一个周期，得到正确的频谱，仅在0.25π和0.125π处有2根单一谱线, 如图（5b ）所示。

（3）

Fs=64;T=1/Fs;

N=16;n=0:N-1;

nT=n*T;

x8n=cos(8*pi*nT)+cos(16*pi*nT)+cos(20*pi*nT);

X8k16=fft(x8n,16);

N=16;f=2/N*(0:N-1);

figure(4);

subplot(2,2,1);stem(f,abs(X8k16),'.');

title('(6a) 16点DFT[x_8(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

N=32;n=0:N-1;

nT=n*T;

x8n=cos(8*pi*nT)+cos(16*pi*nT)+cos(20*pi*nT);

X8k32=fft(x8n,32);

N=32;f=2/N*(0:N-1);

figure(4);

subplot(2,2,2);stem(f,abs(X8k32),'.');

title('(6b) 32点DFT[x_8(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

N=64;n=0:N-1;

nT=n*T;

x8n=cos(8*pi*nT)+cos(16*pi*nT)+cos(20*pi*nT);

X8k64=fft(x8n,64);

N=64;f=2/N*(0:N-1);

figure(4);

subplot(2,2,3);stem(f,abs(X8k64),'.');

title('(6c) 64点DFT[x_8(n)]');

xlabel('频谱特性');ylabel('幅度');

实验容（3），对模拟周期信号谱分析

6()cos8cos16cos20x t t t t πππ=++

6()x t 有3个频率成分，1234,8,10f Hz f Hz f Hz ===。所以6()x t 的周期为0.5s 。 采样频率12364168 6.4s F Hz f f f ====。变换区间N=16时，观察时间Tp=16T=0.25s ，不是6()x t 的整数倍周期，所以所得频谱不正确，如图（6a ）所示。变换区间N=32,64 时，观察时间Tp=0.5s ，1s ，是6()x t 的整数周期，所以所得频谱正确，如图（6b ）

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