Python实现信号的时域与频域之间的转换

Python015

Python实现信号的时域与频域之间的转换,第1张

用FFT(快速傅里叶变换)可以将时域的数字信号转换为频域信号,转换为频域信号之后就可以分析出信号的频率成分,最后还可以将处理完毕的频域信号通过IFFT(逆变换)转换为时域信号。 这里使用Scipy模块中的fft实现时域信号的FFT变换,如下: 时域信号:该信号为带有噪声的正弦信号经过小波去噪后的图像 转换结果:

1.傅利叶逆变换得到原始信号

注意fft的结果是个复数,这时取绝对值得到频率对应的振幅。ifft的结果也是复数,有正有负,因为原始信号也是有正有负,这时不能取绝对值,而应取实数部分。虚数部分都接近于0.当然如果原始信号没有负数,也可取绝对值。

2.模拟去除高频噪声

现在原始信号中加入了频率为450,500的两个小幅的高频信号,模拟高频噪声,可以发现信号波形中有很多毛刺。fft的结果频率是正频率从0到最高,然后负频率再从最高到0,所以去除高频信号就是让中间那部分为0。

二维FFT常用在图像处理上,首先要能理解二维FFT的意义,否则很难明白它到底是怎么工作的。

第一列是原图和对应的频率信息,第二列是去除低频部分后,FFT逆变换得到的图像。第三列是去除高频部分后FFT逆变换得到的图像。

从第二列可以看出高频贡献了图像的细节。从白到黑的边界保留了下来。而原图中大片的白与大片的黑在这个图中没什么区别。

第三列中保留了原图中的亮部与灰部,而由黑到白的临界线却很模糊。细小的白线黑线也没能显示。所以低频贡献了图像的明暗。

2.工作原理理解

二维FFT就是先对行做次一维FFT,这样每个元素都是关于行频率信息了,然后再对列做一维FFT,这样每个元素都包含了行和列的频率信息。每个元素都是个复数,取绝对值可得到振幅,从实部与虚部的比值可等到相位,在二维矩阵的位置信息包含了频率大小和方向。方向在一维FFT中是不用考虑的。

FFT2的结果也是正频率从0到高然后负频率从高到0.fftshift()之后会将低频放到中间位置。

第一幅图的频谱是中间一条白线,也就是说许多个正弦波沿横向传播。纵向上没有变化。

第三幅图的频谱是十字形加一条从左下角到右上角的直线。说明原图在横向,纵向都有变化,变化的方向从左下角到右上角。

从中心到频谱图上某一点构成的向量方向就是这个波传播的方向。

正负对称才能消除虚部,这点与一维FFT原理一致。