Difference between revisions of "Signal Representation/Spectrum Analysis"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Zeit- und frequenzdiskrete Signaldarstellung
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|Untermenü=Time and Frequency-Discrete Signal Representation
|Vorherige Seite=Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT
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|Vorherige Seite=Possible Errors When Using DFT
|Nächste Seite=Fast-Fouriertransformation (FFT)
+
|Nächste Seite=Fast Fourier Transform (FFT)
 
}}
 
}}
  
==Spektraler Leckeffekt==
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==Spectral leakage effect==
 
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<br>   
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
$\text{Definition:}$&nbsp;  
 
$\text{Definition:}$&nbsp;  
Als&nbsp; '''spektralen Leckeffekt'''&nbsp; bezeichnet man die Verfälschung des Spektrums eines periodischen und damit zeitlich unbegrenzten Signals aufgrund der impliziten Zeitbegrenzung der Diskreten Fouriertransformation (DFT). Dadurch werden zum Beispiel von einem Spektrumanalyzer
+
The term&nbsp; &raquo;'''spectral leakage effect'''&laquo;&nbsp; is used to describe the distortion of the spectrum of a periodic and thus temporally unlimited signal due to the implicit time limit of the&nbsp; &raquo;Discrete Fourier Transform&laquo;&nbsp; $\rm (DFT)$.&nbsp; This means that,&nbsp; for example,&nbsp; a spectrum analyzer
*im Zeitsignal nicht vorhandene Frequenzanteile vorgetäuscht, und/oder
+
* fake frequency components that are not present in the time signal,&nbsp; and/or
*tatsächlich vorhandene Spektralkomponenten durch Seitenkeulen verdeckt.}}
 
  
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*actually existing spectral components are hidden by side lobes.}}
  
Das folgende&nbsp; $\text{Beispiel 1}$&nbsp; wird zeigen, dass bei einem periodischen Signal die Anwendung der&nbsp; [[Signal_Representation/Diskrete_Fouriertransformation_(DFT)|Diskreten Fouriertransformation]]&nbsp; (DFT) ohne Zusatzmaßnahmen nicht sinnvoll ist. Die Güte der Spektralanalyse – das heißt die Richtigkeit des gefundenen Spektrums – wird hier hauptsächlich durch die (mehr oder weniger geglückte) Anpassung der DFT-Parameter an die vorliegenden Signalparameter bestimmt.
 
*Ist die Periodendauer&nbsp; $T_0$&nbsp; des Signals bekannt, so sollte die Dauer&nbsp; $T_{\rm P}$&nbsp; des für die DFT verwendeten Signalausschnittes ein ganzzahliges Vielfaches von&nbsp; $T_0$&nbsp; betragen. Aufgabe der Spektralanalyse ist aber gerade das Auffinden beliebiger Signalanteile, so dass die Kenntnis von&nbsp; $T_0$&nbsp; im allgemeinen nicht vorausgesetzt werden kann.
 
*Eine Maßnahme zur Verbesserung des Spektralanalyse ist die Fensterung mit einer „geeigneten” Zeitfunktion&nbsp; $w(t)$. Analysiert wird dann das Produktsignal&nbsp; $x(t) \cdot w(t)$.
 
*Aus der Literatur sind eine Vielzahl solcher Fensterfunktionen&nbsp; $w(t)$&nbsp; bekannt, die je nach Aufgabenstellung zu guten oder weniger befriedigenden Ergebnissen führen.
 
  
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The following&nbsp; $\text{Example 1}$&nbsp; will show that for a periodic signal the application of the&nbsp; [[Signal_Representation/Discrete_Fourier_Transform_(DFT)|&raquo;Discrete  Fourier Transform&laquo;]]&nbsp; $\text{(DFT)}$&nbsp;  is not useful without additional measures.&nbsp; The quality of the spectral analysis &ndash; i.e. the correctness of the spectrum found &ndash; is mainly determined here by the&nbsp; $($more or less successful$)$&nbsp; adaptation of the DFT parameters to the signal parameters at hand.
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#If the period&nbsp; $T_0$&nbsp; of the signal is known,&nbsp; the duration&nbsp; $T_{\rm P}$&nbsp; of the signal section used for the DFT should be an integer multiple of&nbsp; $T_0$.&nbsp;
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#However,&nbsp; the task of spectral analysis is precisely to find arbitrary signal components,&nbsp; so that the knowledge of&nbsp; $T_0$&nbsp; cannot generally be assumed.
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#A measure to improve the spectral analysis is the windowing with a&nbsp; suitable&nbsp; time function&nbsp; $w(t)$.&nbsp; The product signal&nbsp; $x(t) \cdot w(t)$&nbsp; is then analyzed.
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#A large number of such window functions&nbsp; $w(t)$&nbsp; are known from the literature,&nbsp; which lead to good or less satisfactory results depending on the task.
  
Auf den nächsten Seiten wird der spektrale Leckeffekt an Beispielen verdeutlicht und es wird auf die Vorteile und Nachteile der verschiedenen Fensterfunktionen eingegangen. So viel vorneweg: &nbsp; '''Es gibt keine „beste” Fensterfunktion für alle Anwendungen'''.
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In the next sections the spectral leakage effect will be illustrated by examples and the advantages and disadvantages of the different window functions will be discussed.&nbsp; So much up front:&nbsp; '''There is no&nbsp; "best"&nbsp; window function for all applications'''.
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;  
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$\text{Example 1:}$&nbsp;  
Die obere Grafik&nbsp; '''(a)'''&nbsp; aus&nbsp; [Söd93]<ref name='Söd93'>Söder, G.: ''Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.'' In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.</ref>&nbsp; zeigt das zeitdiskrete Signal&nbsp; $d(\nu)$&nbsp; einer harmonischen Schwingung mit der Frequenz&nbsp; $f_0 = 125\,\text{ kHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Periodendauer&nbsp; $T_0 = 8 \,{\rm &micro; s}$. Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Zeitabtastwerte ist bei diesem Beispiel zu&nbsp; $T_{\rm A} = 1 \,{\rm &micro; s}$&nbsp; gewählt.
+
The upper graph&nbsp; '''(a)'''&nbsp; from [Söd93]<ref name='Söd93'>Söder, G.:&nbsp; Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.&nbsp; In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.</ref>&nbsp; shows the discrete-time signal&nbsp; $d(\nu)$&nbsp; of a harmonic oscillation with frequency&nbsp; $f_0 = 125\,\text{ kHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; period duration&nbsp; $T_0 = 8 \,{\rm &micro; s}$. The distance between two successive time samples in this example is chosen to be&nbsp; $T_{\rm A} = 1 \,{\rm &micro; s}$&nbsp;.
  
Rechts ist in logarithmierter Form (in dB) das frequenzdiskrete Spektrum&nbsp; $\vert D(\mu) \vert$&nbsp; nach einer DFT mit&nbsp; $N = 32$&nbsp; Abtastwerten dargestellt, woraus sich die weiteren DFT–Parameter wie folgt ergeben:
+
[[File:P_ID1160__Sig_T_5_4_S1_neu.png|right|frame|Example of applying  spectral analysis]]
*Dauer des Zeitausschnitts: &nbsp; $T_{\rm P} = 32 \,{\rm &micro; s}$,
 
*Rasterung der Frequenzachse: &nbsp; $f_{\rm A} = 31.25 \,\text{ kHz}$.  
 
  
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&rArr; &nbsp; On the right the frequency discrete spectrum&nbsp; $\vert D(\mu) \vert$&nbsp; after a DFT with&nbsp; $N = 32$&nbsp; samples is shown in logarithmic form (in dB),&nbsp; from which the further DFT parameters result as follows:
 +
*Duration of the time segment: &nbsp; $T_{\rm P} = 32 \,{\rm &micro; s}$,
  
Da hier durch die Intervallbreite&nbsp; $T_{\rm P}$&nbsp; ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer&nbsp; $T_0$&nbsp; erfasst wird, liefert die DFT das richtige Ergebnis. Die beiden Diracfunktionen liegen genau bei&nbsp; $\pm4  \cdot f_{\rm A}$.
+
*gridding of the frequency axis: &nbsp; $f_{\rm A} = 31.25 \,\text{ kHz}$.  
  
[[File:P_ID1160__Sig_T_5_4_S1_neu.png|center|frame|Beispiel für die Anwendung der Spektralanalyse]]
 
  
Vermisst man mit der gleichen Anordnung eine Schwingung der Frequenz&nbsp; $f_0 = 109.375\,\text{ kHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Periodendauer $T_0 = 9.14 \,{\rm &micro; s}$&nbsp; entsprechend der unteren Grafik&nbsp; '''(b)''', so kommt es zu signifikanten Verfälschungen des Spektrums.  
+
Since the interval width&nbsp; $T_{\rm P}$&nbsp; captures an integer multiple of period&nbsp; $T_0$,&nbsp; the DFT delivers the correct result.&nbsp; The two Dirac delta functions lie exactly at&nbsp; $\pm4 \cdot f_{\rm A}$.
  
*Da nun&nbsp; $T_{\rm P}/T_0 = 3.5$&nbsp; nicht mehr ganzzahlig ist, entstehen durch die periodische Fortsetzung des Zeitausschnittes Phasensprünge, in unserem Beispiel um&nbsp; $\pi$.
+
&rArr; &nbsp;  If one measures an oscillation of frequency&nbsp; $f_0 = 109.375\,\text{ kHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; period $T_0 = 9.14 \,{\rm &micro; s}$&nbsp; corresponding to the graph below&nbsp; '''(b)''',&nbsp; significant distortions of the spectrum occur.  
*Der Spektralbereich besteht nun nicht mehr aus zwei Diracfunktionen wie im Beispiel&nbsp; '''(a)''', sondern aus einer annähernd „kontinuierlichen” Frequenzfunktion mit dem Maximum in der Nähe der tatsächlichen Signalfrequenz und einer Reihe weiterer Anteile, die man&nbsp; '''Seitenkeulen'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Side Lobes'') nennt.}}
 
  
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*Since now&nbsp; $T_{\rm P}/T_0 = 3.5$&nbsp; is no longer an integer,&nbsp; the periodic continuation of the time section causes phase jumps,&nbsp; in our example by&nbsp; $\pi$.
  
==Systemtheoretische Beschreibung der Fensterung==   
+
*The spectral range now no longer consists of two Dirac delta functions as in the sketch&nbsp; '''(a)''',&nbsp; but of an approximately continuous frequency function with the maximum near the actual signal frequency and a series of further parts,&nbsp; which are called&nbsp; &raquo;side lobes&laquo;.}}
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==Describing windowing from a system theory perspective==   
 
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[[File:EN_Sig_T_5_4_S2.png|right|frame|Rechteck-Fenster und Bartlett-Fenster]]
+
The occurrence of such unwanted side lobes is now to be explained using the following diagram.&nbsp; This graphic was also taken from the book&nbsp; [Söd93]<ref name='Söd93'>Söder, G.:&nbsp; Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.&nbsp; In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.</ref>
Das Zustandekommen solcher unerwünschter Seitenkeulen soll nun anhand der folgenden Grafik systemtheoretisch erklärt werden. Auch diese Grafik wurde dem Buch&nbsp; [Söd93]<ref name='Söd93'>Söder, G.: ''Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.'' In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.</ref>&nbsp;  entnommen.
 
  
Betrachten Sie zunächst die obere Grafik&nbsp; '''(a)'''&nbsp; für das&nbsp; '''Rechteckfenster'''.
+
[[File:EN_Sig_T_5_4_S2.png|right|frame|Rectangular window&nbsp; $($top$)$&nbsp; and Bartlett window&nbsp; $($bottom$)$]]
*Die in der DFT implizit enthaltene Zeitbegrenzung entspricht der Multiplikation des Signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; mit einer Rechteck&ndash;Fensterfunktion&nbsp; $w(t)$&nbsp; der Höhe&nbsp; $1$&nbsp; und der Dauer&nbsp; $T_{\rm P}$. Das linke obere Bild zeigt die zeitdiskrete Darstellung dieser Rechteckfunktion mit der normierten Zeitvariablen&nbsp; $\nu= t/T_{\rm A}$:
+
 
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First consider the upper graph&nbsp; '''(a)'''&nbsp; for the&nbsp; &raquo;'''rectangular window'''&laquo;.
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*The time limit implicit in the DFT corresponds to the multiplication of the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; by a rectangular window function&nbsp; $w(t)$&nbsp; of height&nbsp; $1$&nbsp; and duration&nbsp; $T_{\rm P}$.
 +
 +
*The upper left graph shows the discrete-time representation of this rectangular function with the normalized time variable&nbsp; $\nu= t/T_{\rm A}$:
 
   
 
   
 
:$${w} (\nu)  = \left\{ \begin{array}{c} 1 \\
 
:$${w} (\nu)  = \left\{ \begin{array}{c} 1 \\
 
  0 \\  \end{array} \right.\quad
 
  0 \\  \end{array} \right.\quad
\begin{array}{*{10}c}    {\rm{f\ddot{u}r}}
+
\begin{array}{*{10}c}    {\rm{for}}
 
\\    \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}
 
\\    \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}
 
-N/2 \le \nu < N/2 \hspace{0.05cm}, \\
 
-N/2 \le \nu < N/2 \hspace{0.05cm}, \\
{\rm sonst} \hspace{0.05cm}. \\
+
{\rm else} \hspace{0.05cm}. \\
 
\end{array}$$
 
\end{array}$$
  
*Aus der Multiplikation&nbsp; $y(t) = x(t) \cdot w(t)$&nbsp; des zu analysierenden Signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; und der Fensterfunktion&nbsp; $w(t)$&nbsp; folgt für die Spektralfunktion&nbsp; $Y(f) = X(f) \ast W(f)$, wobei bei rechteckförmiger Fensterfunktion mit&nbsp; $f_{\rm A} = 1/T_{\rm P}$&nbsp; gilt (die Funktion&nbsp; $W(f)$&nbsp; ist in der rechten oberen Grafik in logarithmierter Form dargestellt):
+
*From the multiplication&nbsp; $y(t) = x(t) \cdot w(t)$&nbsp; of the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; to be analyzed and the window function&nbsp; $w(t)$&nbsp; follows for the spectral function&nbsp; $Y(f) = X(f) \ast W(f)$,&nbsp; where for the rectangular window with&nbsp; $f_{\rm A} = 1/T_{\rm P}$&nbsp; and&nbsp; ${\rm si}(x) = \sin(x)/x = {\rm sinc}(x/\pi) $&nbsp; holds:
 
   
 
   
:$$W(f) = T_{\rm P} \cdot {\rm si}(\pi \cdot f \cdot T_{\rm P}) = {1}/{f_{\rm A}}\cdot {\rm si}(\pi \cdot {f}/{f_{\rm A}})\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$W(f) = T_{\rm P} \cdot {\rm sinc}(f \cdot T_{\rm P}) = {1}/{f_{\rm A}}\cdot {\rm sinc}({f}/{f_{\rm A}})\hspace{0.05cm}.$$
 
 
*Liegen alle Spektralanteile vons&nbsp; $x(t)$&nbsp; im Frequenzraster&nbsp; $\mu \cdot f_{\rm A}$, so bleiben die frequenzdiskreten Spektralwerte&nbsp; $D(\mu )$&nbsp; durch die Faltung mit&nbsp; $W(f)$&nbsp; unverändert.
 
*Andernfalls führt die Faltung mit&nbsp; $W(f)$&nbsp; zu Verfälschungen, da die Nullstellen der&nbsp; $\rm si$–Funktion nun nicht mehr zu den diskreten Werten des Eingangsspektrums passen.
 
  
 +
*The spectral  function&nbsp; $W(f)$&nbsp; is shown logarithmically in the upper right graph.&nbsp; If all spectral components of&nbsp; $x(t)$&nbsp; lie in the frequency grid&nbsp; $\mu \cdot f_{\rm A}$,&nbsp; the discrete frequency spectral values&nbsp; $D(\mu )$&nbsp; remain unchanged by the convolution with&nbsp; $W(f)$.
 +
 +
*Otherwise,&nbsp; convolution with&nbsp; $W(f)$&nbsp; leads to distortions,&nbsp; since the zeros of the&nbsp; $\rm sinc$&nbsp; function no longer fit the discrete values of the input spectrum.
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The discontinuities in the time domain caused by limitation and periodic continuation are reduced if,&nbsp; instead of the constant one weighting by the rectangle,&nbsp; the two edge areas of the window are weighted weaker than the center.
  
Die durch Begrenzung und periodische Fortsetzung entstehendenen Unstetigkeiten im Zeitbereich werden vermindert, wenn statt der konstanten Eins–Bewertung durch das Rechteck die beiden Randbereiche des Fensters schwächer gewichtet werden als die Mitte.
+
Consider the graph&nbsp; '''(b)'''&nbsp; for the&nbsp; &raquo;'''Bartlett window'''&laquo; &ndash; also called&nbsp; "triangular window":
 
+
*The discrete-time description of the Bartlett window is with&nbsp; $\nu = t/T_{\rm A}$:
Betrachten Sie dazu die untere Grafik&nbsp; '''(b)'''&nbsp; für das&nbsp; '''Bartlett–Fenster''' – auch Dreieckfenster genannt:
 
*Die zeitdiskrete Beschreibung des Bartlett–Fensters lautet mit&nbsp; $\nu = t/T_{\rm A}$:
 
 
:$${w} (\nu)  = \left\{ \begin{array}{c} 1 - {2  \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm} |\nu|}/{N} \\
 
:$${w} (\nu)  = \left\{ \begin{array}{c} 1 - {2  \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm} |\nu|}/{N} \\
 
  0 \\  \end{array} \right.\quad
 
  0 \\  \end{array} \right.\quad
\begin{array}{*{10}c}    {\rm{f\ddot{u}r}}
+
\begin{array}{*{10}c}    {\rm{for}}
 
\\    \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}
 
\\    \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}
 
-N/2 \le \nu < N/2 \hspace{0.05cm}, \\
 
-N/2 \le \nu < N/2 \hspace{0.05cm}, \\
{\rm sonst} \hspace{0.05cm}. \\
+
{\rm else} \hspace{0.05cm}. \\
 
\end{array}$$
 
\end{array}$$
*Daraus folgt für die zeitkontinuierliche Fensterfunktion&nbsp; $w(t)$&nbsp; und die Spektraldarstellung&nbsp; $W(f)$:
+
*From this follows for the continuous-time window function&nbsp; $w(t)$&nbsp; and the spectral representation&nbsp; $W(f)$:
 
:$${w} (t)  = \left\{ \begin{array}{c} 1 -{|t|}/{(T_{\rm P}/2)} \\
 
:$${w} (t)  = \left\{ \begin{array}{c} 1 -{|t|}/{(T_{\rm P}/2)} \\
 
   0 \\ \end{array} \right.\hspace{0.05cm}
 
   0 \\ \end{array} \right.\hspace{0.05cm}
 
\begin{array}{*{20}c}
 
\begin{array}{*{20}c}
 
|t| \le  T_{\rm P}/2\\  
 
|t| \le  T_{\rm P}/2\\  
{\rm sonst}  \\
+
{\rm else}  \\
 
\end{array}\hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,
 
\end{array}\hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,
\hspace{0.2cm}W(f) ={1}/({2f_{\rm A}})\cdot {\rm si}^2(\pi \cdot
+
\hspace{0.2cm}W(f) ={1}/({2f_{\rm A}})\cdot {\rm sinc}^2(
 
{f}/({2f_{\rm A}}))\hspace{0.05cm}.$$
 
{f}/({2f_{\rm A}}))\hspace{0.05cm}.$$
*Durch die geringere Bewertung der bei unbegrenzten Signalen besonders problematischen Randbereiche hat das (logarithmisch gezeichnete) Spektrum&nbsp; $W(f)$&nbsp; geringere Seitenschwinger als die&nbsp; $\rm si$–Funktion im oberen Bild, was zu geringeren Leckkomponenten führt.
+
*Due to the lower weighting of the edge regions,&nbsp; which are particularly problematic with unbounded signals,&nbsp; the&nbsp; $($logarithmically drawn$)$&nbsp; spectrum&nbsp; $W(f)$&nbsp; has lower side lobes than the&nbsp; $\rm sinc$ function in the upper graph,&nbsp; which leads to lower leakage components.
*Die bessere Unterdrückung der Seitenkeulen geht allerdings auf Kosten einer merkbaren Verkleinerung und Verbreiterung der Hauptkeule, wodurch das Auflösungsvermögen des Bartlett–Fensters gegenüber der Rechteck–Fensterung eingeschränkt wird.
+
 
 +
*The better suppression of the side lobes,&nbsp; however,&nbsp; comes at the cost of a noticeable reduction and broadening of the main lobe,&nbsp; limiting the resolving power of the Bartlett window compared to rectangular windowing.
 
   
 
   
  
  
==Spezielle Fensterfunktionen==
+
==Special window functions==
 
<br>   
 
<br>   
[[File:EN_Sig_T_5_4_S3.png|right|frame|Hanning-, Hamming- und Kaiser-Bessel-Fenster]]
+
[[File:EN_Sig_T_5_4_S3_v2.png|right|frame|Hanning window,&nbsp; Hamming window and Kaiser-Bessel window]]
Nun werden einige häufig eingesetzte&nbsp; [https://de.m.wikipedia.org/wiki/Fensterfunktion Fensterfunktionen], nämlich
+
Now some frequently used&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Window_function &raquo;window functions&laquo;], viz.
*das Hanning–Fenster,  
+
*the Hanning window,
*das Hamming–Fenster und
+
*das Kaiser–Bessel–Fenster
+
*the Hamming window,&nbsp; and
 +
 
 +
*the Kaiser-Bessel window
 
   
 
   
  
anhand von Grafiken und darin enthaltenen Gleichungen beschrieben. Für die Laufvariable im Zeitbereich gilt stets&nbsp; $–N/2 ≤ \nu < N/2$.
+
will be described by means of graphs and equations contained therein.&nbsp;  
 +
 
 +
For the running variable in the time domain always applies:
 +
:$$-N/2 ≤ \nu < N/2.$$&nbsp; 
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''Hinweise:''
+
<u>Notes:</u>
*Beim Kaiser–Bessel–Fenster sind die Funktionen im Zeit– und Frequenzbereich jeweils für&nbsp; $\alpha = 3.5$&nbsp; dargestellt.
+
*In the Kaiser-Bessel window,&nbsp; the functions in the time and frequency domain are each shown for&nbsp; $\alpha = 3.5$.
* ${\rm I}_0(.)$&nbsp; bezeichnet die&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Besselsche_Differentialgleichung Modifizierte Besselfunktion nullter Ordnung].
 
*Weitere Fensterfunktionen wie das Blackman–Harris–Fenster, das&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Raised-Cosine-Filter Cosinus–Rolloff–Fenster]&nbsp; (auch Tukey–Fenster genannt) und noch viele andere mehr finden Sie im Buch&nbsp; [Söd93]<ref name='Söd93'>Söder, G.: ''Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.'' In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.</ref>.
 
  
 +
* ${\rm I}_0(.)$&nbsp; denotes the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_function &raquo;modified zero-order Bessel function&laquo;].
  
Die Eignung dieser Fensterfunktionen für verschiedenartige Aufgaben der Spektralanalyse nennen wir auf der nächsten Seite.
+
*Further window functions such as the&nbsp; &raquo;Blackman-Harris window&raquo;,&nbsp; the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Raised-cosine_filter&nbsp; &raquo;cosine rolloff window&laquo;]&nbsp; $($also called Tukey window$)$&nbsp; and many more can be found in the book&nbsp; [Söd93]<ref name='Söd93'>Söder, G.:&nbsp; Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.&nbsp; In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.</ref>.
 +
 
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The suitability of these window functions for various tasks of spectral analysis is mentioned in the next section.
 
<br clear=all>  
 
<br clear=all>  
==Gütekriterien von Fensterfunktionen==
+
==Quality criteria of window functions==
<br>
+
<br>  
[[File:EN_Sig_T_5_4_S4.png|right|frame|Zusammenstellung wichtiger Gütekriterien von Fensterfunktionen]]
+
The table shows quality criteria for the window functions described in the last sections.&nbsp; The selection of a suitable window function should be made according to the following aspects:
Die Tabelle gibt Gütekriterien für die auf den letzten Seiten beschriebenen Fensterfunktionen wieder. Die Auswahl einer geeigneten Fensterfunktion sollte nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen:
+
[[File:EN_Sig_T_5_4_S4_v2.png|right|frame|Compilation of important quality criteria of window functions<br><br><br><br><br><br>]]
*Der&nbsp; '''minimale Abstand zwischen Hauptkeule und Seitenkeulen'''&nbsp; sollte möglichst groß sein, um den Einfluss des Leckeffektes gering zu halten und die Amplitudenauflösung zu verbessern.
+
[[File:EN_Sig_T_5_4_S4b.png|right|frame|Illustrating the&nbsp; &raquo;6dB bandwidth&laquo;<br><br>]]
*Aus Gründen einer guten Frequenzselektivität sollte die&nbsp; '''6dB–Bandbreite'''&nbsp; gering sein. Ist diese zu groß, so überdeckt eine dominante Spektrallinie kleinere Anteile in der Umgebung.
 
*Der&nbsp; '''maximale Prozessverlust'''&nbsp; (in dB) beinhaltet den maximalen Skalierungsfehler und die äquivalente Rauschbandbreite. Diese Größe sollte auf keinen Fall&nbsp; $\text{3.7 dB}$&nbsp; überschreiten.
 
  
 +
*The&nbsp; &raquo;'''minimum distance between main lobe and side lobes'''&laquo;&nbsp; should be as large as possible to keep the influence of the leakage effect low and to improve the amplitude resolution.
  
Diese wichtigsten Gütekriterien sind in nebenstehender Tabelle durch rote Schrift hervorgehoben.
+
*For reasons of good frequency selectivity,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''6dB bandwidth'''&laquo;&nbsp; should be small.&nbsp; If this parameter is too large,&nbsp; a dominant spectral line will mask smaller components in the surrounding area.
*In jeder Zeile sind eher günstige Fensterfunktionen grün und eher ungünstigste grau hinterlegt.
+
 
*Aus der Verteilung der grünen und grauen Flächen ist bereits ersichtlich, dass es die optimale Fensterfunktion nicht gibt.
+
*The&nbsp; &raquo;'''maximum process loss'''&laquo;&nbsp; includes the maximum scaling error and the equivalent noise bandwidth. This value should never exceed&nbsp; $\text{3.7 dB}$.
<br clear=all>
+
 
Nun werden die in der Tabelle angegebenen Gütekriterien etwas genauer beschrieben:
+
 
*Je größer der ''minimale Haupt–zu–Seitenkeulen–Abstand'' &nbsp; &nbsp; Verhältnis der Hauptkeule zur höchsten Seitenkeule, desto besser ist die Amplitudenauflösung einer Fensterfunktion. Beim Rechteck ist dieser Abstand erwartungsgemäß am kleinsten&nbsp; $\text{(13 dB)}$. Das beste Ergebnis liefert mit&nbsp; $\text{92 dB}$&nbsp; das Blackman–Harris–Fenster vierter Ordnung.
+
These three most important quality criteria are highlighted in red in the adjacent table.
*Da jedoch nicht nur die höchste, sondern auch alle weiteren Seitenkeulen zum Leckeffekt beitragen, ist der&nbsp; '''Seitenkeulenabfall'''&nbsp; ein weiteres Maß für das Auflösungsvermögen. Von den angegebenen Fensterfunktionen weisen diesbezüglich das Hanning–Fenster sowie das Cosinus–Rolloff–Fenster mit Rolloff&nbsp; $r = 0.5$&nbsp; die günstigsten Werte auf&nbsp; $\text{(18 dB/Oktave)}$.
+
#In each row,&nbsp; rather favourable window functions are highlighted in green and rather unfavourable ones in grey.
*Die&nbsp; '''6 dB–Bandbreite''', die aus der logarithmierten Spektralfunktion abgelesen werden kann, ist ein wichtiges Maß für das Frequenzauflösungsvermögen. Zwei im Signal vorhandene Spektralanteile bei&nbsp; $f_1$&nbsp; und&nbsp; $f_2$&nbsp; können nur dann aufgelöst werden, wenn die Differenz&nbsp; $f_2 - f_1$&nbsp; größer als die&nbsp; $\text{6 dB}$–Bandbreite der verwendeten Fensterfunktion ist (siehe nachfolgende rechte Grafik).
+
#From the distribution of the green and grey areas it is already evident that the optimal window function does not exist.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Now the quality criteria given in the table are described in more detail:
 +
*The larger the&nbsp; &raquo;'''minimum main-to-side lobe distance'''&laquo; &nbsp; &nbsp; ratio of the main lobe to the highest side lobe,&nbsp; the better the amplitude resolution of a window function.&nbsp;  
 +
::As expected,&nbsp; for the rectangle this distance is  smallest&nbsp; $\text{(13 dB)}$.&nbsp; The best result&nbsp; $\text{(92 dB)}$&nbsp; is achieved with the fourth-order Blackman-Harris window.
  
 +
*However,&nbsp; since not only the highest but also all other side lobes contribute to the leakage effect,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''side lobe drop'''&laquo;&nbsp; is another measure for the resolving power.&nbsp;
 +
::Of the given window functions,&nbsp; the Hanning window and the cosine rolloff window with rolloff&nbsp; $r = 0.5$&nbsp; have the most favourable values in this respect&nbsp; $\text{(18 dB/octave)}$.
  
[[File:EN_Sig_T_5_4_S4b.png|center|frame|Zur Verdeutlichung der&nbsp; $\text{6 dB}$-Bandbreite]]
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*The&nbsp; &raquo;'''6 dB bandwidth'''&laquo;,&nbsp; which can be read from the logarithmized spectral function,&nbsp; is an important measure of frequency resolving.&nbsp;
*Die&nbsp; '''Fensterfläche'''&nbsp; der Funktion&nbsp; $w(t)$&nbsp; gibt zugleich die Höhe&nbsp; $W(0)$&nbsp; im Spektralbereich an. Bei allen Fenstern mit Ausnahme des Rechtecks ergibt sich aufgrund der Unterdrückung der äußeren Abtastwerte eine Fensterfläche kleiner&nbsp; $1$&nbsp; und damit ein Fehler in der Amplitude des DFT–Ergebnisses, der jedoch bei Kenntnis von&nbsp; $w(t)$&nbsp; vollständig korrigierbar ist.
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::Two spectral components  in the signal at&nbsp; $f_1$&nbsp; and&nbsp; $f_2$&nbsp; can only be resolved if the difference&nbsp; $f_2 - f_1$&nbsp; is greater than the&nbsp; &raquo;6dB bandwidth&laquo;&nbsp; of the window function used&nbsp; $($see lower graph$)$.
  
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*The&nbsp; &raquo;'''window area'''&laquo;&nbsp; of the function&nbsp; $w(t)$&nbsp; at the same time gives the height&nbsp; $W(0)$&nbsp; in the spectral domain.&nbsp;
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::For all windows except the rectangle,&nbsp;  $W(0)<1$&nbsp; and thus a DFT amplitude error results due to the suppression of outer samples,&nbsp; which,&nbsp; however,&nbsp; can be completely corrected if&nbsp; $w(t)$&nbsp; is known.
  
{{BlaueBox|TEXT=
 
$\text{Fazit:}$&nbsp;
 
*Ein guter Kompromiss ist das&nbsp; '''Hanning–Fenster'''&nbsp; (in der Tabelle blau hervorgehoben), das bezüglich der drei Hauptkriterien (rote Markierungen) nie mit „Grau” abschneidet.
 
*Das&nbsp; '''Hamming–Fenster'''&nbsp; unterscheidet sich hiervon im Zeitbereich nur geringfügig, aber im Spektralbereich beträchtlich. So beträgt der Seitenkeulenabfall pro Oktave nur mehr&nbsp; $\text{6 dB}$&nbsp; $($statt&nbsp; $\text{18 dB})$.}}
 
  
 
   
 
   
==Maximaler Prozessverlust==
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==Maximum process loss==
 
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Dieses kombinierte Gütekriterium berücksichtigt den&nbsp; '''maximalen Skalierungsfehler'''&nbsp; ebenso wie die (normierte)&nbsp; '''äquivalente Rauschbandbreite'''. Der maximale Prozessverlust wird meist in&nbsp; $\text{dB}$&nbsp; angegeben und sollte entsprechend seines Namens eher klein sein:
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This combined quality criterion considers
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*the&nbsp; &raquo;'''maximum scaling error'''&laquo;&nbsp; as well as
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*the (normalized)&nbsp; &raquo;'''equivalent noise bandwidth'''&laquo;.&nbsp;
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The maximum process loss is usually given in&nbsp; $\text{dB}$&nbsp; and should be&nbsp; $($according to its name$)$&nbsp; rather small:
 
   
 
   
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}V_{\rm P}\hspace{0.15cm}{\rm (in}\hspace{0.15cm}{\rm dB)}= 20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}V_{\rm P}\hspace{0.15cm}{\rm (in}\hspace{0.15cm}{\rm dB)}= 20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}
Line 148: Line 179:
 
  \frac{\int_{-\infty}^{\infty}|W(f)|^2\hspace{0.05cm}{\rm d}f}{f_{\rm A} \cdot |W(f=0)|^2} \hspace{0.05cm}.$$
 
  \frac{\int_{-\infty}^{\infty}|W(f)|^2\hspace{0.05cm}{\rm d}f}{f_{\rm A} \cdot |W(f=0)|^2} \hspace{0.05cm}.$$
  
Aus der&nbsp; [[Signal_Representation/Spektralanalyse#G.C3.BCtekriterien_von_Fensterfunktionen|Tabelle]]&nbsp; erkennt man, dass&nbsp; $V_{\rm P}$&nbsp; für die betrachteten Fensterfunktionen Werte zwischen&nbsp; $\text{3 dB}$&nbsp; und&nbsp; $\text{4 dB}$&nbsp; annimmt, wobei Fensterfunktionen mit&nbsp; $V_{\rm P} > 3.7 \,\text{dB}$&nbsp; (Rechteck, Blackman–Harris, Kaiser–Bessel)&nbsp; nicht verwendet werden sollten. Gerade diese sind aber bezüglich des Haupt–zu–Seitenkeulen–Abstands am besten.
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From the&nbsp; [[Signal_Representation/Spectrum_Analysis#Quality_criteria_of_window_functions|&raquo;table in the last section&laquo;]]&nbsp; it can be seen that for the window functions considered&nbsp; $V_{\rm P}$&nbsp; takes values between&nbsp; $\text{3 dB}$&nbsp; and&nbsp; $\text{4 dB}$,&nbsp; where window functions with&nbsp; $V_{\rm P} > 3. 7 \,\text{dB}$&nbsp; $($rectangle,&nbsp; Blackman-Harris,&nbsp; Kaiser-Bessel$)$&nbsp; should not be used.&nbsp; However,&nbsp; it is precisely these that are best with regard to the main-to-side lobe distance.
  
Die beiden Anteile sind wie folgt zu interpretieren:
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The two proportions are to be interpreted as follows:
*Der ''maximale Skalierungsfehler''&nbsp; ist das Verhältnis, um das sich die mit der DFT ermittelte Amplitude von der tatsächlichen Signalamplitude unterscheidet. Der Amplitudenfehler aufgrund einer Fensterfläche kleiner als&nbsp; $1$&nbsp; wird dabei als korrigiert vorausgesetzt.
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#The&nbsp; &raquo;maximum scaling error&laquo;&nbsp; is the ratio by which the amplitude determined with the DFT differs from the actual signal amplitude.&nbsp; Hereby,&nbsp; the amplitude error due to a window area smaller than&nbsp; $1$&nbsp; is assumed to be corrected.
*Je breiter die Hauptkeule der Fensterfunktion ist, um so kleiner ist dieser Skalierungsfehler. Der Fehler ist am größten, wenn die Frequenz&nbsp; $f_0$&nbsp; einer harmonischen Schwingung in der Mitte zwischen zwei DFT–Stützstellen liegt &nbsp; ⇒ &nbsp; Quotient $|W(f = 0)| / |W(f = f_{\rm A}/2)|$.  
+
#The wider the main lobe of the window function,&nbsp; the smaller this scaling error.&nbsp; The error is largest when the frequency&nbsp; $f_0$&nbsp; of a harmonic oscillation lies midway between two DFT support points &nbsp; ⇒ &nbsp; quotient $|W(f = 0)| / |W(f = f_{\rm A}/2)|$.
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#The&nbsp; &raquo;equivalent noise bandwidth&laquo;&nbsp; of the window function is calculable as the width of the equal-area rectangle with respect to the magnitude square&nbsp; $|W(f)|^2$&nbsp; of the spectral function.&nbsp; This parameter captures the disturbing influence of white noise and should be as small as possible.
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#The smallest noise bandwidth results for the rectangle.&nbsp; All other window functions have a larger noise bandwidth and thus,&nbsp; in the presence of noise,&nbsp; also a&nbsp; $($significantly$)$&nbsp; less favourable signal-to-noise power ratio.
  
*Die ''äquivalente Rauschbandbreite''&nbsp; der verwendeten Fensterfunktion – berechenbar als Breite des flächengleichen Rechtecks bezüglich dem Betragsquadrat&nbsp; $|W(f)|^2$&nbsp; der Spektralfunktion – erfasst den störenden Einfluss von weißem Rauschen und sollte möglichst gering sein.
 
*Die kleinste Rauschbandbreite ergibt sich für das Rechteck. Alle anderen Fensterfunktionen besitzen eine größere Rauschbandbreite und damit bei Vorhandensein von Rauschstörungen auch ein (deutlich) ungünstigeres Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnis.
 
  
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{{BlaueBox|TEXT=
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$\text{The results of this section can be summarized as follows:}$&nbsp;
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*'''An ideal window function does not exist'''.&nbsp; Depending on the task&nbsp; $($good amplitude or frequency resolution$)$&nbsp; different windows provide the best result in each case.&nbsp; It is therefore recommended that one always uses several window functions for spectral analysis or at least one window function with different parameters.
  
{{BlaueBox|TEXT=
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*A workable compromise with regard to all criteria is the&nbsp; &raquo;'''Hamming window'''&laquo; which only gives one unfavourable value&nbsp; $($&raquo;side lobe drop&laquo;&nbsp; only&nbsp; 6 dB per octave$)$.
$\text{Fazit:}$&nbsp;
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Die Ergebnisse dieses Abschnitts können wie folgt zusammengefasst werden:
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*Although the&nbsp; &raquo;'''Hanning window'''&laquo;&nbsp; differs only marginally from the Hamming window in the time domain,&nbsp; in the spectral domain&nbsp; $($&raquo;minimum distance between main lobe and side lobes&laquo;)&nbsp; the difference between these two windows is considerable.}}
*Eine ideale Fensterfunktion gibt es nicht. Je nach Aufgabenstellung&nbsp; (gute Amplituden– bzw. Frequenzauflösung)&nbsp; liefern unterschiedliche Fenster das jeweils beste Ergebnis. Zu empfehlen ist deshalb, dass man zur Spektralanalyse stets mehrere Fensterfunktionen heranzieht oder zumindest eine Fensterfunktion mit verschiedenen Parametern verwendet.
 
*Ein tragbarer Kompromiss hinsichtlich aller Kriterien ist das&nbsp; '''Hamming–Fenster''', das lediglich beim Seitenkeulenabfall&nbsp; $($nur&nbsp; $\text{6 dB pro Oktave})$&nbsp; einen ungünstigen Wert liefert. Obwohl sich das&nbsp; '''Hanning–Fenster'''&nbsp; im Zeitbereich vom Hamming-Fenster nur mariginal unterscheidet, ist im Spektralbereich&nbsp; (minimaler Abstand zwischen Hauptkeule und Seitenkeulen)&nbsp; der Unterschied zwischen beiden beträchtlich.}}
 
  
 
   
 
   
  
==Aufgaben zum Kapitel==  
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==Exercises for the chapter==  
 
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[[Aufgaben:Aufgabe_5.4:_Vergleich_von_Rechteck-_und_Hanningfenster|Aufgabe 5.4: Vergleich von Rechteck&ndash; und Hanningfenster]]
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[[Aufgaben:Exercise_5.4:_Comparison_of_Rectangular_and_Hanning_Window|Exercise 5.4: Comparison of Rectangular and Hanning Window ]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_5.4Z:_Zum_Hanning-Fenster|Aufgabe 5.4Z: Zum Hanning-Fenster]]
+
[[Aufgaben:Exercise_5.4Z:_On_the_Hanning_Window|Exercise 5.4Z: On the Hanning Window]]
  
  
==Quellenverzeichnis==  
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==References==  
  
  

Latest revision as of 17:02, 27 June 2023

Spectral leakage effect


$\text{Definition:}$  The term  »spectral leakage effect«  is used to describe the distortion of the spectrum of a periodic and thus temporally unlimited signal due to the implicit time limit of the  »Discrete Fourier Transform«  $\rm (DFT)$.  This means that,  for example,  a spectrum analyzer

  • fake frequency components that are not present in the time signal,  and/or
  • actually existing spectral components are hidden by side lobes.


The following  $\text{Example 1}$  will show that for a periodic signal the application of the  »Discrete Fourier Transform«  $\text{(DFT)}$  is not useful without additional measures.  The quality of the spectral analysis – i.e. the correctness of the spectrum found – is mainly determined here by the  $($more or less successful$)$  adaptation of the DFT parameters to the signal parameters at hand.

  1. If the period  $T_0$  of the signal is known,  the duration  $T_{\rm P}$  of the signal section used for the DFT should be an integer multiple of  $T_0$. 
  2. However,  the task of spectral analysis is precisely to find arbitrary signal components,  so that the knowledge of  $T_0$  cannot generally be assumed.
  3. A measure to improve the spectral analysis is the windowing with a  suitable  time function  $w(t)$.  The product signal  $x(t) \cdot w(t)$  is then analyzed.
  4. A large number of such window functions  $w(t)$  are known from the literature,  which lead to good or less satisfactory results depending on the task.


In the next sections the spectral leakage effect will be illustrated by examples and the advantages and disadvantages of the different window functions will be discussed.  So much up front:  There is no  "best"  window function for all applications.

$\text{Example 1:}$  The upper graph  (a)  from [Söd93][1]  shows the discrete-time signal  $d(\nu)$  of a harmonic oscillation with frequency  $f_0 = 125\,\text{ kHz}$   ⇒   period duration  $T_0 = 8 \,{\rm µ s}$. The distance between two successive time samples in this example is chosen to be  $T_{\rm A} = 1 \,{\rm µ s}$ .

Example of applying spectral analysis

⇒   On the right the frequency discrete spectrum  $\vert D(\mu) \vert$  after a DFT with  $N = 32$  samples is shown in logarithmic form (in dB),  from which the further DFT parameters result as follows:

  • Duration of the time segment:   $T_{\rm P} = 32 \,{\rm µ s}$,
  • gridding of the frequency axis:   $f_{\rm A} = 31.25 \,\text{ kHz}$.


Since the interval width  $T_{\rm P}$  captures an integer multiple of period  $T_0$,  the DFT delivers the correct result.  The two Dirac delta functions lie exactly at  $\pm4 \cdot f_{\rm A}$.

⇒   If one measures an oscillation of frequency  $f_0 = 109.375\,\text{ kHz}$   ⇒   period $T_0 = 9.14 \,{\rm µ s}$  corresponding to the graph below  (b),  significant distortions of the spectrum occur.

  • Since now  $T_{\rm P}/T_0 = 3.5$  is no longer an integer,  the periodic continuation of the time section causes phase jumps,  in our example by  $\pi$.
  • The spectral range now no longer consists of two Dirac delta functions as in the sketch  (a),  but of an approximately continuous frequency function with the maximum near the actual signal frequency and a series of further parts,  which are called  »side lobes«.


Describing windowing from a system theory perspective


The occurrence of such unwanted side lobes is now to be explained using the following diagram.  This graphic was also taken from the book  [Söd93][1]

Rectangular window  $($top$)$  and Bartlett window  $($bottom$)$

First consider the upper graph  (a)  for the  »rectangular window«.

  • The time limit implicit in the DFT corresponds to the multiplication of the signal  $x(t)$  by a rectangular window function  $w(t)$  of height  $1$  and duration  $T_{\rm P}$.
  • The upper left graph shows the discrete-time representation of this rectangular function with the normalized time variable  $\nu= t/T_{\rm A}$:
$${w} (\nu) = \left\{ \begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} -N/2 \le \nu < N/2 \hspace{0.05cm}, \\ {\rm else} \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$
  • From the multiplication  $y(t) = x(t) \cdot w(t)$  of the signal  $x(t)$  to be analyzed and the window function  $w(t)$  follows for the spectral function  $Y(f) = X(f) \ast W(f)$,  where for the rectangular window with  $f_{\rm A} = 1/T_{\rm P}$  and  ${\rm si}(x) = \sin(x)/x = {\rm sinc}(x/\pi) $  holds:
$$W(f) = T_{\rm P} \cdot {\rm sinc}(f \cdot T_{\rm P}) = {1}/{f_{\rm A}}\cdot {\rm sinc}({f}/{f_{\rm A}})\hspace{0.05cm}.$$
  • The spectral function  $W(f)$  is shown logarithmically in the upper right graph.  If all spectral components of  $x(t)$  lie in the frequency grid  $\mu \cdot f_{\rm A}$,  the discrete frequency spectral values  $D(\mu )$  remain unchanged by the convolution with  $W(f)$.
  • Otherwise,  convolution with  $W(f)$  leads to distortions,  since the zeros of the  $\rm sinc$  function no longer fit the discrete values of the input spectrum.


The discontinuities in the time domain caused by limitation and periodic continuation are reduced if,  instead of the constant one weighting by the rectangle,  the two edge areas of the window are weighted weaker than the center.

Consider the graph  (b)  for the  »Bartlett window« – also called  "triangular window":

  • The discrete-time description of the Bartlett window is with  $\nu = t/T_{\rm A}$:
$${w} (\nu) = \left\{ \begin{array}{c} 1 - {2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} |\nu|}/{N} \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} -N/2 \le \nu < N/2 \hspace{0.05cm}, \\ {\rm else} \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$
  • From this follows for the continuous-time window function  $w(t)$  and the spectral representation  $W(f)$:
$${w} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 1 -{|t|}/{(T_{\rm P}/2)} \\ 0 \\ \end{array} \right.\hspace{0.05cm} \begin{array}{*{20}c} |t| \le T_{\rm P}/2\\ {\rm else} \\ \end{array}\hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm}W(f) ={1}/({2f_{\rm A}})\cdot {\rm sinc}^2( {f}/({2f_{\rm A}}))\hspace{0.05cm}.$$
  • Due to the lower weighting of the edge regions,  which are particularly problematic with unbounded signals,  the  $($logarithmically drawn$)$  spectrum  $W(f)$  has lower side lobes than the  $\rm sinc$ function in the upper graph,  which leads to lower leakage components.
  • The better suppression of the side lobes,  however,  comes at the cost of a noticeable reduction and broadening of the main lobe,  limiting the resolving power of the Bartlett window compared to rectangular windowing.


Special window functions


Hanning window,  Hamming window and Kaiser-Bessel window

Now some frequently used  »window functions«, viz.

  • the Hanning window,
  • the Hamming window,  and
  • the Kaiser-Bessel window


will be described by means of graphs and equations contained therein. 

For the running variable in the time domain always applies:

$$-N/2 ≤ \nu < N/2.$$ 




Notes:

  • In the Kaiser-Bessel window,  the functions in the time and frequency domain are each shown for  $\alpha = 3.5$.
  • Further window functions such as the  »Blackman-Harris window»,  the  »cosine rolloff window«  $($also called Tukey window$)$  and many more can be found in the book  [Söd93][1].


The suitability of these window functions for various tasks of spectral analysis is mentioned in the next section.

Quality criteria of window functions


The table shows quality criteria for the window functions described in the last sections.  The selection of a suitable window function should be made according to the following aspects:

Compilation of important quality criteria of window functions





Illustrating the  »6dB bandwidth«

  • The  »minimum distance between main lobe and side lobes«  should be as large as possible to keep the influence of the leakage effect low and to improve the amplitude resolution.
  • For reasons of good frequency selectivity,  the  »6dB bandwidth«  should be small.  If this parameter is too large,  a dominant spectral line will mask smaller components in the surrounding area.
  • The  »maximum process loss«  includes the maximum scaling error and the equivalent noise bandwidth. This value should never exceed  $\text{3.7 dB}$.


These three most important quality criteria are highlighted in red in the adjacent table.

  1. In each row,  rather favourable window functions are highlighted in green and rather unfavourable ones in grey.
  2. From the distribution of the green and grey areas it is already evident that the optimal window function does not exist.


Now the quality criteria given in the table are described in more detail:

  • The larger the  »minimum main-to-side lobe distance«   ⇒   ratio of the main lobe to the highest side lobe,  the better the amplitude resolution of a window function. 
As expected,  for the rectangle this distance is smallest  $\text{(13 dB)}$.  The best result  $\text{(92 dB)}$  is achieved with the fourth-order Blackman-Harris window.
  • However,  since not only the highest but also all other side lobes contribute to the leakage effect,  the  »side lobe drop«  is another measure for the resolving power. 
Of the given window functions,  the Hanning window and the cosine rolloff window with rolloff  $r = 0.5$  have the most favourable values in this respect  $\text{(18 dB/octave)}$.
  • The  »6 dB bandwidth«,  which can be read from the logarithmized spectral function,  is an important measure of frequency resolving. 
Two spectral components in the signal at  $f_1$  and  $f_2$  can only be resolved if the difference  $f_2 - f_1$  is greater than the  »6dB bandwidth«  of the window function used  $($see lower graph$)$.
  • The  »window area«  of the function  $w(t)$  at the same time gives the height  $W(0)$  in the spectral domain. 
For all windows except the rectangle,  $W(0)<1$  and thus a DFT amplitude error results due to the suppression of outer samples,  which,  however,  can be completely corrected if  $w(t)$  is known.


Maximum process loss


This combined quality criterion considers

  • the  »maximum scaling error«  as well as
  • the (normalized)  »equivalent noise bandwidth«. 


The maximum process loss is usually given in  $\text{dB}$  and should be  $($according to its name$)$  rather small:

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}V_{\rm P}\hspace{0.15cm}{\rm (in}\hspace{0.15cm}{\rm dB)}= 20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{|W(f=0)|}{|W(f=f_{\rm A}/2)|} + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{\int_{-\infty}^{\infty}|W(f)|^2\hspace{0.05cm}{\rm d}f}{f_{\rm A} \cdot |W(f=0)|^2} \hspace{0.05cm}.$$

From the  »table in the last section«  it can be seen that for the window functions considered  $V_{\rm P}$  takes values between  $\text{3 dB}$  and  $\text{4 dB}$,  where window functions with  $V_{\rm P} > 3. 7 \,\text{dB}$  $($rectangle,  Blackman-Harris,  Kaiser-Bessel$)$  should not be used.  However,  it is precisely these that are best with regard to the main-to-side lobe distance.

The two proportions are to be interpreted as follows:

  1. The  »maximum scaling error«  is the ratio by which the amplitude determined with the DFT differs from the actual signal amplitude.  Hereby,  the amplitude error due to a window area smaller than  $1$  is assumed to be corrected.
  2. The wider the main lobe of the window function,  the smaller this scaling error.  The error is largest when the frequency  $f_0$  of a harmonic oscillation lies midway between two DFT support points   ⇒   quotient $|W(f = 0)| / |W(f = f_{\rm A}/2)|$.
  3. The  »equivalent noise bandwidth«  of the window function is calculable as the width of the equal-area rectangle with respect to the magnitude square  $|W(f)|^2$  of the spectral function.  This parameter captures the disturbing influence of white noise and should be as small as possible.
  4. The smallest noise bandwidth results for the rectangle.  All other window functions have a larger noise bandwidth and thus,  in the presence of noise,  also a  $($significantly$)$  less favourable signal-to-noise power ratio.


$\text{The results of this section can be summarized as follows:}$ 

  • An ideal window function does not exist.  Depending on the task  $($good amplitude or frequency resolution$)$  different windows provide the best result in each case.  It is therefore recommended that one always uses several window functions for spectral analysis or at least one window function with different parameters.
  • A workable compromise with regard to all criteria is the  »Hamming window« which only gives one unfavourable value  $($»side lobe drop«  only  6 dB per octave$)$.
  • Although the  »Hanning window«  differs only marginally from the Hamming window in the time domain,  in the spectral domain  $($»minimum distance between main lobe and side lobes«)  the difference between these two windows is considerable.


Exercises for the chapter


Exercise 5.4: Comparison of Rectangular and Hanning Window

Exercise 5.4Z: On the Hanning Window


References

  1. 1.0 1.1 1.2 Söder, G.:  Modellierung, Simulation und Optimierung von Nachrichtensystemen.  In: Berlin – Heidelberg: Springer, 1993.