Matlab, FFT frequency range differences or are they the same?
我正在尝试了解matlab中FFT的工作原理,尤其是如何定义频率范围以对其进行绘制。 碰巧,我已经从matlab帮助链接和此处的其他讨论中阅读了内容,我认为(猜测)对此感到困惑。
在matlab链接中:
http://es.mathworks.com/help/matlab/math/fast-fourier-transform-fft.html
他们将频率范围定义为:
1 | f = (0:n-1)*(fs/n) |
其中
1 2 | n = 2^nextpow2(L); % Next power of 2 from length of signal x fs = N/T; % N number of samples in x and T the total time of the recorded signal |
但是,另一方面,在上一篇了解Matlab FFT示例中
(基于Matlab的先前版本),结果频率范围定义为:
1 |
用
那么,基于此,这些不同的向量(方程式1和最终方程式)如何相同?
如您所见,向量是不同的,因为前者具有
So, based on that, how these different vectors (equation 1 and final equation) could be the same?
Mathworks文档中的示例绘制了FFT的整个
The first half of the frequency range (from 0 to the Nyquist frequency
fs/2 ) is sufficient to identify the component frequencies in the data, since the second half is just a reflection of the first half.
您引用的另一篇文章只是选择不显示多余的后半部分。然后,它使用的点数的一半也覆盖了一半的频率范围。
In fact, the factor (fs/n) is different from fs/2.
1 | 0.000 0.125 0.250 0.500 0.625 0.750 0.875 |
而
1 | 0.000 0.125 0.250 0.500 |
如您所见,频率集与奈奎斯特频率
您所引用的两个示例在绘制fft的结果时有所不同,这可能是造成混淆的原因。请参阅下面的代码以获取此说明中的参考。
在第一个示例中,该图是整个频率范围内的功率谱(周期图)。请注意,在第一个图中,周期图并未以0为中心,这意味着该频率范围似乎是奈奎斯特采样频率的两倍。如mathworks链接中所述,通常的做法是将周期图的中心设置为0,以避免这种混淆(图2)。
对于第二个示例,采用相同的参数,原始图的傅立叶频谱幅度与第一个示例中的归一化不同(图3)。使用Matlab的全频率排序语法(如代码中所述),将这种看似不同的fft结果转换为示例1的结果并不容易。以0为中心的周期图的相同结果如图4所示。
因此,为具体回答您的问题,两种情况下的频率范围都相同,最大频率等于奈奎斯特采样频率,如下所示:
1 |
理解dfft的工作原理(也是在Matlab中)的关键是要了解,您只是将离散数据集投影到傅立叶空间中,而matlab中的fft()函数返回的是展开系数。每个频率分量和系数的阶数通过以下方式给出(在Matlab中,如示例2所示):
1 |
有关其他详细信息,请参见DFT上的Wikipedia页面:
https://zh.wikipedia.org/wiki/Discrete_Fourier_transform
将fft省略长度作为2参数的幂也可能对您有所帮助
1 |
在这种情况下,您将仅在y中看到一些与输入信号的确切系数相对应的非零分量。 mathworks页面声称以下是使用或不使用此长度的动机:
"对变换长度使用2的幂可以优化FFT算法,尽管在实践中,使用n = m通常执行时间几乎没有差异。"
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 | %% First example: % http://www.mathworks.com/help/matlab/math/fast-fourier-transform-fft.html fs = 10; % Sample frequency (Hz) t = 0:1/fs:10-1/fs; % 10 sec sample x = (1.3)*sin(2*pi*15*t) ... % 15 Hz component + (1.7)*sin(2*pi*40*(t-2)); % 40 Hz component % Removed the noise m = length(x); % Window length n = pow2(nextpow2(m)); % Transform length y = fft(x,n); % DFT f = (0:n-1)*(fs/n); % Frequency range power = y.*conj(y)/n; % Power of the DFT subplot(2,2,1) plot(f,power,'-o') xlabel('Frequency (Hz)') ylabel('Power') title('{\\bf Periodogram}') y0 = fftshift(y); % Rearrange y values f0 = (-n/2:n/2-1)*(fs/n); % 0-centered frequency range power0 = y0.*conj(y0)/n; % 0-centered power subplot(2,2,2) plot(f0,power0,'-o') % plot(f0,sqrt_power0,'-o') xlabel('Frequency (Hz)') ylabel('Power') title('{\\bf 0-Centered Periodogram} Ex. 1') %% Second example: % http://stackoverflow.com/questions/10758315/understanding-matlab-fft-example % Let's redefine the parameters for consistency between the two examples Fs = fs; % Sampling frequency % T = 1/Fs; % Sample time (not required) L = m; % Length of signal % t = (0:L-1)*T; % Time vector (as above) % % Sum of a 3 Hz sinusoid and a 2 Hz sinusoid % x = 0.7*sin(2*pi*3*t) + sin(2*pi*2*t); %(as above) NFFT = 2^nextpow2(L); % Next power of 2 from length of y % NFFT == n (from above) Y = fft(x,NFFT)/L; f = Fs/2*linspace(0,1,NFFT/2+1); % Plot single-sided amplitude spectrum. subplot(2,2,3) plot(f,2*abs(Y(1:NFFT/2+1)),'-o') title('Single-Sided Amplitude Spectrum of y(t)') xlabel('Frequency (Hz)') ylabel('|Y(f)|') % Get the 0-Centered Periodogram using the parameters of the second example f = [f(1:end-1) -fliplr(f(1,2:end))]; % This is the frequency ordering used % by the full fft in Matlab power = (Y*L).*conj(Y*L)/NFFT; % Rearrange for nicer plot ToPlot = [f; power]; [~,ind] = sort(f); ToPlot = ToPlot(:,ind); subplot(2,2,4) plot(ToPlot(1,:),ToPlot(2,:),'-o') xlabel('Frequency (Hz)') ylabel('Power') title('{\\bf 0-Centered Periodogram} Ex. 2') |