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FFT ビン分解能およびスペクトル解析計算ツール

FFT 周波数ビンの解像度、ナイキスト範囲、時間レコード長、ノイズフロア処理ゲイン、およびウィンドウスキャロップ損失の計算

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公式

Δf=fs/NΔf = f_s / N
Δf周波数ビンの解像度 (Hz)
f_sサンプルレート (Hz)
NFFT サイズ (ポイント数)
Tタイムレコード長 (N/F_s) (s)

仕組み

FFT Bin Resolution Calculatorは、スペクトラムアナライザーの設計、振動解析、およびオーディオ周波数測定に不可欠な周波数分解能とスペクトル解析パラメーターを計算します。DSP エンジニア、テスト機器開発者、音響エンジニアは、これを使用して FFT パラメーターを設定して最適な周波数識別を行います。オッペンハイムの「離散時間信号処理」(第 3 版、第 8 章) によると、周波数分解能 df = fs/n、ここで fs = サンプリングレート、N = FFT 長。44.1 kHz で 1024 ポイントの FFT を行うと、43.1 Hz の分解能が得られます。N を 2 倍にすると解像度は半分になりますが、計算量は 2 倍になります (クーリー・テューキーアルゴリズムでは O (N*Log2 (N)))。Harris (1978) によると、ウィンドウ処理によってスペクトル漏れは減少しますが、メインローブは 1.5 ~ 2 倍広くなります。ハンウィンドウには 1.5 ビンの等価ノイズ帯域幅があります。最新のFFTアナライザは、4096-16384ポイントを使用してオーディオ帯域で0.1~1 Hzの分解能を実現しています。

計算例

FFTスペクトラム・アナライザを分解能1Hzの50/60 Hz電力線高調波解析用に構成します。ステップ 1: 必要な分解能 df = 1 Hzステップ 2: fs = 10 kHz の場合:N = fs/df = 10000 ポイントです。ステップ 3:2 の累乗に最も近い値:N = 16384 (df = 0.61 Hz)。ステップ 4: アクイジション時間 = N/fs = 1.64 秒。ステップ 5: ハンウィンドウ (ENBW = 1.5 ビン) の場合:実効分解能 = 0.92 Hz。ステップ 6: ナイキスト周波数 = 5 kHz、高調波を 100 次 (6 kHz) までキャプチャします。ステップ 7: オッペンハイムによると、ゼロパッドを 32768 に設定すると、実際の解像度は向上しなくても表示がスムーズになります。この構成は、電力品質アナライザに関するIEC 61000-4-7の要件に適合しています。

実践的なヒント

  • Harris(1978)によると、常にウィンドウ関数を適用してください。長方形のウィンドウでは-13dBのサイドローブが発生し、Hannは-31dBになります
  • オッペンハイムによると、ゼロパディングはビン間を補間しますが(表示が滑らかになります)、実際の解像度は向上しません
  • 連続解析には 50% のオーバーラップを使用 — ウェルチ法 (1967) によるウィンドウ処理による SNR 損失を回復
  • リアルタイムオーディオの場合、48 kHzでN=4096の場合、11.7 Hzの解像度と85ミリ秒のレイテンシーが得られます。これはほとんどのアプリケーションで許容範囲です。

よくある間違い

  • ビンの分解能と周波数の精度が混同される — 分解能はfS/nだが、精度はビンの補間とSNRに依存する
  • 窓のトレードオフを理解していない — Hannはメインローブを1.5倍に広げたが、リーク電流は長方形と比べて18dB減少している
  • ゼロパディングが新しい情報を生み出すと仮定すると、既存のスペクトルを補間し、隠れた周波数を明らかにするのではない

よくある質問

解像度 = fs/n: サンプルを 2 倍にするとビンの幅が半分になります。48 kHz: N=1024 では 46.9 Hz、N=4096 では 11.7 Hz、N=16384 では 2.93 Hz の解像度が得られます。クーリー・テューキーによると、計算は O (n*log2N) のようにスケーリングされます。16384 ポイントの FFT では、4096 ポイントの 4 倍の計算量が必要です。
シャノンの定理によると、最大一義周波数 = fs/2。44.1 kHz サンプリングの場合、ナイキスト = 22.05 kHz です。FFT ビン 0 ~ N/2 は DC からナイキストまで広がります。オッペンハイムによると、fs/2 より大きい周波数は低いビンにエイリアスされます。サンプリングの前には必ずアンチエイリアシングフィルタを使用してください。
Oppenheim Ch. 8 によると、ゼロパディング (信号にゼロを追加) は既存のビン間を補間してスムーズに表示しますが、fs/n_original よりも近い周波数は表示されません。真の解像度の向上には、より長い取得時間またはより狭い解析帯域幅 (ズーム FFT 法) が必要です。

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