振动信号处理基础：FFT中频率和实际频率的关系

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一、四个名词

实际物理频率表示AD采集物理信号的频率，fs为采样频率，由奈奎斯特采样定理可以知道，fs必须≥信号最高频率的2倍才不会发生信号混叠，因此fs能采样到的信号最高频率为fs/2。

角频率是物理频率的2π倍，这个也称模拟频率。(卢注：由于一个信号周期是360度，即2π。故角频率就是转了多少个2π。设置角频率纯粹为了便于计算。)

归一化频率是将实际物理频率按fs归一化之后的结果，最高的信号频率为fs/2对应归一化频率0.5，这也就是为什么在matlab的fdtool工具中归一化频率为什么最大只到0.5的原因。

圆周频率是归一化频率的2π倍，这个也称数字频率。也就是归一化的角频率。

二、FFT频率与实际物理频率分析
做n个点的FFT，表示在时域上对原来的信号取了n个点来做频谱分析，n点FFT变换的结果仍为n个点。

换句话说，就是将2π数字频率ω分成n份，而整个数字频率ω的范围覆盖了从0-2πfs的模拟频率范围。这里的fs是采样频率。而我们通常只关心0-π中的频谱，因为根据奈科斯特定律，只有f=fs/2范围内的信号才是被采样到的有效信号。那么，在ω的范围内，得到的频谱肯定是关于n/2对称的。

举例说，如果做了16个点的FFT分析，你原来的模拟信号的最高频率f=32kHz，采样频率是64kHz，n的范围是0,1,2...15。(卢注：这意味着已经将原来的模拟信号采样了8遍。)这时，64kHz的模拟频率被分成了16分，每一份是4kHz，这个叫频率分辨率(卢注：做FFT用的点越多，频率分辨率越高)。那么在横坐标中，n=1时对应的f是4kHz, n=2对应的是8kHz, n=15时对应的是60kHz，你的频谱是关于n=8对称的。你只需要关心n=0到7以内的频谱就足够了，因为，原来信号的最高模拟频率是32kHz。

这里可以有两个结论：

第一、必须知道原来信号的采样频率fs是多少，才可以知道每个n对应的实际频率是多少，第k个点的实际频率的计算为：

第二、你64kHz做了16个点FFT之后，因为频率分辨率是4kHz，如果原来的信号在5kHz或者63kHz有分量，你在频谱上是看不见的，这就表示你越想频谱画得逼真，就必须取越多的点数来做FFT，n就越大，你在时域上就必须取更长的信号样本来做分析。

但是无论如何，由于离散采样的原理，你不可能完全准确地画出原来连续时间信号的真实频谱，只能无限接近（就是n无限大的时候），这个就叫做频率泄露。在采样频率fs不变得情况下，频率泄漏可以通过取更多的点来改善，也可以通过做FFT前加窗来改善，这就是另外一个话题了。

三、离散信号傅里叶变换的周期性
(从下图可以看出：S平面，相当于直角坐标系，它的实轴是复数的实部，虚轴是复数的虚部。在这里可以理解为信号的在此频率下的幅值；Z平面，相当于极坐标系，与Re轴的夹角相当于频率，向量长度相当于幅值。)

要分析这个，我们先从Laplace变换与Z变换之间的关系谈起。

由上式，可得Z平面与S平面的关系图，如上图。图中的关系有以下几点：

• S平面的虚轴映射到Z平面的单位圆上
• S平面的负半轴映射到Z平面的单位圆内
• S平面的正半轴映射到Z平面的单位圆外
  

Laplace变换是用于连续信号的变换，相对应的Z变换是应用到Z平面的变换。因此从另一个角度，上面谈到的角频率（模拟频率）对应的是S平面，圆周频率对应的是z平面（也是为什么称为圆周频率的原因）。

现在我们来看一下S平面虚轴上模拟频率的变换将会导致z平面单位圆上如何变化：

• 当模拟频率在S平面的虚轴上从0变到fs时，数字频率在Z平面单位圆上从0变到2π。
  
• 当模拟频率在S平面的虚轴上从2fs变到4fs时，数字频率在Z平面单位圆上仍然从0变到2π。
  
• ......Z平面如此循环重复
  

我们知道离散信号的傅里叶变换对应到单位圆上的z变换，因此上面的结论就验证了为什么离散信号的傅里叶变换是周期性：根本原因所是单位圆上的周期性。

考虑到我们实际应用中可选择一个周期，这也能够解释：因为实际信号的频率总是在fs/2以下，这就对应到Z平面单位圆上的0~π，在一个周期范围内就可以进行信号分析了。

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