在上一期的推送中，小编和大家探讨了“在模态测试中，加什么窗最合适”的话题，本期小编将应读者要求，结合测试过程中的实际情况，继续窗话题——窗函数的选择和应用。
又到一年考试季，聊聊这个，是不是感觉这个冬天顿时温暖了许多～
数字信号处理的主要数学工具是傅里叶变换。而傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。连续的正弦波得到如图所示单一谱线。
可实际测试时我们看到是这样：
这是因为采用离散傅立叶变换（DFT）——常常是增强的快速傅立叶变换算法（FFT）——处理一个正弦采样信号时假定了时间信号是周期无限的。但在分析时，我们往往只截取其中的一部分，如果正弦信号在采样时截取的不是整周期采样，其结果由于边缘的不确定性，使得能量从本来的谱线处显著地泄漏至相邻频域。
泄漏是伴随数字信号最严重的问题之一。泄漏可通过采取不同的激励技术和提高频率分辨率来削减，也可采用不同的截取函数对信号进行截断来缩小。截断函数称为窗函数，简称为窗。
在时间域中可采用不同的窗函数来截断信号，让两侧旁瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱。但是加窗本身也会增加误差，加不同的窗函数导致能量的不同分配，因此窗的选择依赖于输入信号的类型，以及测试人员感兴趣的问题属于哪个方面。
窗函数有多种，它们中的多数可视为多个正弦分量的组合做幅值调制，可视为起到一种滤波器的作用，各种窗函数的性质可通过考察其在频域上滤波特性做出比较：
各种窗的差别主要集中于主瓣的能量和两侧所有旁瓣的能量之比例。一般来讲，有效噪声频带越宽，频率分辨率越差，越难以分清有相同幅值的邻近频率，选择性（分辨出强分量频率邻近的弱分量的能力）的提高与旁瓣衰减率有关，通常有效噪声带宽窄的窗，其旁瓣衰减率较低。因此，窗的选择在二者之间权衡，其表如下：
举例：矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度高，幅值识别精度较低;布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度低，但幅值识别精度较高。
东华测试的窗函数
矩形窗（Rectangular）
矩形窗属于时间变量的零次幂窗。矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。矩形窗可用于泄漏不成问题的情况下，常用于整周期正弦波、脉冲、瞬态信号等等，其采样周期的起端和末端的函数值在自然属性就等于零。
注意：对于采样周期与信号周期同步的情况，采用矩形窗优于任何其他窗函数；不能确定信号类型的情况下，矩形窗总是可取的方案之一。
汉窗（Hann）：
汉窗又称升余弦窗、汉宁窗，汉窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，从减小泄漏观点出发，汉窗优于矩形窗.但汉窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。汉窗对随机信号做一般目地分析时最常采用的窗，但不适用于小信号的精确测量。
哈明窗（Hamming）
又称海明窗，哈明窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗。哈明窗与汉窗都是余弦窗，只是加权系数不同。哈明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明，哈明窗比汉窗衰减速度慢。哈明窗与汉窗都是很有用的窗函数。最适用动态范围为50dB。
平顶窗（Flat Top）
具有比较高的幅值精度，误差大约为1%（0.1dB）。然而其频率分辨率是比较低的。可用于纯音（单频）信号的精确幅值测量，特别适用于测量系统的标定。
三角窗（Trangle）
三角窗亦称费杰(Fejer)窗，是幂窗的一次方形式。与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则选用旁瓣幅度小的三角窗。
布莱克曼窗（Blackman）：
布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度较低，但幅值识别精度高，适合检测强信号中的弱分量。
力窗（Force）：
力窗常用与锤击法模态测试情况下瞬态信号分析，可削减激励通道信号的杂散噪声。
指数窗（Exponential）：
也用于瞬态信号分析，目的在于使信号在采样周期的终点衰减到零，适合锤击法模态测试的输出通道。
其他窗
除了以上几种常用窗函数以外，尚有多种窗函数，如高斯窗（Gaussia）、切比雪夫窗（Chebyshev）、帕仁窗（Parzen）、凯塞窗（kaiser）等，欢迎读者联系本公司，小编期待与您交流探讨。
测试过程中的窗函数的应用
类型 |
瞬态信号 |
矩形窗 |
一般目的。 |
力窗 |
用于短促的脉冲信号，提高总体信噪比。 |
指数窗 |
在采样周期内尚未充分衰减的瞬态信号。 |
类型 |
连续信号 |
矩形窗 |
用于测量物体的自振频率等，也可以用在阶次分析中；适用于分析特殊的多正弦合成信号。 |
汉窗 |
一般目的；测试信号有多个频率分量，频谱表现的十分复杂，且测试的目的更多关注频率点而非能量的大小，可选择汉窗；被测信号是随机或者未知的，也可选择汉窗。 |
布莱克曼窗 |
常用来检测两个频率相近幅度不同的信号。 |
平顶窗 |
用于测量系统标定，或者幅值的精确测量 |
类型 |
模态测试（频响函数） |
矩形窗 |
用于伪随机激励的参考通道和响应通道 |
汉窗 |
用于随机激励的参考通道和响应通道 |
力窗 |
用于锤击法的激励信号 |
指数窗 |
用于锤击法的小阻尼系统的响应信号，提高信噪比。 |
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