一種基于頻域卷積的加窗方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于頻域卷積的加窗方法，涉及到時(shí)頻變換中加窗降低旁瓣的情況?；跁r(shí)域相乘相當(dāng)于頻域卷積的原理，將常規(guī)加窗在時(shí)域進(jìn)行相乘轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行卷積。常用的余弦窗在頻域表達(dá)式只需要用少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)表示即可，所以卷積運(yùn)算采用簡(jiǎn)單的濾波器結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)，對(duì)于只對(duì)部分頻點(diǎn)感興趣的時(shí)頻變換，在頻域進(jìn)行特定頻點(diǎn)的卷積加窗，可以極大程度地減少運(yùn)算量。該方法用于時(shí)頻變換后再降低旁瓣，具有結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單，通用性好，計(jì)算量少等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種基于頻域卷積的加窗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)頻譜分析【技術(shù)領(lǐng)域】，設(shè)及一種時(shí)頻變換中用于降低旁瓣的加窗方 法，具體地說(shuō)就是利用頻域卷積運(yùn)算來(lái)代替時(shí)域相乘的加窗操作，達(dá)到減少存儲(chǔ)資源和計(jì) 算量的目的。

【背景技術(shù)】
[0002] 在信號(hào)頻譜分析時(shí)，窗函數(shù)用于降低旁瓣。傳統(tǒng)的窗函數(shù)在硬件上的實(shí)現(xiàn)方法，是 利用查找表（LUT)存儲(chǔ)窗系數(shù)，占用大量的存儲(chǔ)資源，乘法器的計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度也正比于 系統(tǒng)字長(zhǎng)，而且窗系數(shù)的長(zhǎng)度不能更改。根據(jù)余弦窗需要預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)余弦值的特點(diǎn)，學(xué) 者提出了利用CORDIC計(jì)算窗函數(shù)的方法，該方法能直接計(jì)算窗系數(shù)，并完成窗系數(shù)與數(shù)據(jù) 相乘的操作，且方便更改窗的長(zhǎng)度。但是CORDIC計(jì)算消耗資源多，而且需要計(jì)算出與整個(gè) 時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)拇跋禂?shù)，同樣會(huì)消耗較大的硬件資源。
[0003] 在大部分應(yīng)用場(chǎng)合下，由于采用高采樣率，在時(shí)頻變換之后只需要其中部分感興 趣的頻點(diǎn)。比如在線性調(diào)頻系統(tǒng)中的stretch處理時(shí)頻變換，只對(duì)其中極少部分頻點(diǎn)感興 趣，即輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。如果是進(jìn)行時(shí)域加窗，無(wú)論計(jì)算的頻點(diǎn)數(shù)多少， 都要進(jìn)行與時(shí)域點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)某朔ㄟ\(yùn)算，而且需要存儲(chǔ)相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的窗系數(shù)。
[0004] 在常規(guī)加窗條件下，使用較多的是余弦窗函數(shù)，=個(gè)余弦窗的表達(dá)式如下所示，將 他們的值預(yù)先計(jì)算好并存儲(chǔ)起來(lái)，分別與時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，然后再進(jìn)行時(shí)頻變換，達(dá)到降 低旁瓣的目的。
[000引 Harming; vv'("）二0.5(1-cos口兄一))，0<"5；八'-1; (0 N
[0006] Hamming： vv、("）二 0.54 - 0.46cos(2;r-)，0 < 巧 /V -1; (2) N
[0007] Blackman: vv(") = 0.42-0.5cos(2;r~^) + 0.08cos(2;r蘭與，0<"<'V-1。（3) N N


【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明主要解決時(shí)頻變換中加窗操作需要預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的窗系數(shù)，消 耗大量存儲(chǔ)和計(jì)算資源，而且通用性差的問(wèn)題。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于頻域卷積的加窗方法，其特征在于，包括W 下步驟：
[0010] 步驟1;對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到特定的感興趣的頻點(diǎn)；
[0011] 步驟2 ;根據(jù)選用的窗函數(shù)確定濾波器階數(shù)，并計(jì)算相應(yīng)的濾波器系數(shù)；
[0012] 步驟3 ;將濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)換為canonic si即ed digit (CSD)編碼，利用移位加法運(yùn) 算完成濾波器系數(shù)相乘；
[0013] 步驟4 ;將特定感興趣的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)拓展，并將數(shù)據(jù)送入濾波器，濾波器輸 出結(jié)果即為加窗降低旁瓣的數(shù)據(jù)。
[0014] 作為優(yōu)選，步驟2中所述的窗函數(shù)僅限于余弦窗，包括Hanning窗、Hamming窗和 Blackman 窗。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟2中所述的濾波器系數(shù)由窗函數(shù)決定。
[0016] 作為優(yōu)選，步驟4中所述的循環(huán)拓展，循環(huán)拓展的點(diǎn)數(shù)由濾波器的階數(shù)決定，當(dāng)采 用5階濾波器時(shí)，拓展兩個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)；當(dāng)采用3階濾波器時(shí)，拓展一個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0017] 本發(fā)明基于時(shí)域相乘等效于頻域卷積的原理，提供了一種在頻域加窗的方法，無(wú) 需計(jì)算和存儲(chǔ)窗系數(shù)，方便更改加窗數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，對(duì)特定頻點(diǎn)進(jìn)行加窗，極大程度減少了計(jì)算 量。
[0018] 本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0019] 1、在時(shí)頻變換中，可W只計(jì)算感興趣的頻點(diǎn)，當(dāng)只對(duì)感興趣的頻點(diǎn)進(jìn)行卷積加窗 時(shí)，運(yùn)算量少；
[0020] 2、不用預(yù)先計(jì)算和存儲(chǔ)窗系數(shù)，而且可W適用于任何長(zhǎng)度的頻點(diǎn)加窗；
[0021] 3、采用濾波器實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，采用移位相加的方式實(shí)現(xiàn)濾波器系 數(shù)相乘，提高運(yùn)算速度減小硬件壓力。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1 ;本發(fā)明實(shí)施例的濾波器結(jié)構(gòu)；
[0023] 圖2 ;本發(fā)明實(shí)施例的移位累加運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波器系數(shù)相乘原理圖；
[0024] 圖3 ;本發(fā)明實(shí)施例的Hamming窗效果對(duì)比圖；
[002引圖4 ;本發(fā)明實(shí)施例的化nning窗效果對(duì)比圖；
[0026] 圖5 ;本發(fā)明實(shí)施例的Blackman窗效果對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[002引本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于頻域卷積的加窗方法，其特征在于，包括W 下步驟：
[0029] 步驟1 ;對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到特定的感興趣的頻點(diǎn)；
[0030] 步驟2 ;根據(jù)選用的窗函數(shù)確定濾波器階數(shù)，并計(jì)算相應(yīng)的濾波器系數(shù)；窗函數(shù)僅 限于余弦窗，包括Hanning窗、Hamming窗和Blackman窗；濾波器系數(shù)由窗函數(shù)決定。
[003"1] 步驟3 ;將濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)換為canonic si即ed digit (CSD)編碼，利用移位加法運(yùn) 算完成濾波器系數(shù)相乘；
[0032] 步驟4 ;將特定感興趣的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)拓展，并將數(shù)據(jù)送入濾波器，濾波器輸 出結(jié)果即為加窗降低旁瓣的數(shù)據(jù)；其中循環(huán)拓展的點(diǎn)數(shù)由濾波器的階數(shù)決定，當(dāng)采用5階 濾波器時(shí)，拓展兩個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)；當(dāng)采用3階濾波器時(shí)，拓展一個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0033] 本發(fā)明主要是對(duì)信號(hào)加余弦窗，將余弦窗用統(tǒng)一的表達(dá)式書(shū)寫(xiě)如下： /7 ^ II
[0034] u'("）二 ％-巧 cos(2;r_) +化 cos(2 兄 ^). 0<"<'、/-! (4) N 一 N
[003引其中，w(n)表示窗函數(shù)值，a。，a。a 2分別為對(duì)應(yīng)的階次的系數(shù)，窗函數(shù)不同，他 們的系數(shù)就不同，N表示窗函數(shù)長(zhǎng)度。
[0036] 將上式進(jìn)行DFT變換，可得窗函數(shù)在頻域的表達(dá)式W比]，k = 0, 1，... N-1，
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于頻域卷積的加窗方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到特定的感興趣的頻點(diǎn)； 步驟2 :根據(jù)選用的窗函數(shù)確定濾波器階數(shù)，并計(jì)算相應(yīng)的濾波器系數(shù)； 步驟3:將濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)換為canonic signed digit(CSD)編碼，利用移位加法運(yùn)算完 成濾波器系數(shù)相乘； 步驟4 :將特定感興趣的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)拓展，并將數(shù)據(jù)送入濾波器，濾波器輸出結(jié) 果即為加窗降低旁瓣的數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域卷積的加窗方法，其特征在于：步驟2中所述的窗 函數(shù)僅限于余弦窗，包括Hanning窗、Hamming窗和Blackman窗。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域卷積的加窗方法，其特征在于：步驟2中所述的濾 波器系數(shù)由窗函數(shù)決定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于頻域卷積的加窗方法，其特征在于：步驟4中所 述的循環(huán)拓展，循環(huán)拓展的點(diǎn)數(shù)由濾波器的階數(shù)決定，當(dāng)采用5階濾波器時(shí)，拓展兩個(gè)頻點(diǎn) 數(shù)據(jù)；當(dāng)采用3階濾波器時(shí)，拓展一個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/14GK104503951SQ201510027417
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月20日
【發(fā)明者】文必洋, 譚劍, 田應(yīng)偉, 李柯 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)