時間領域のアベレージング処理が周波数領域に与える影響の勉強  varlal.com
1.
 時間領域のアベレージング処理(離散の時間関数をある時刻の前後で平均を取った値にする)が周波数領域に与
える影響を調べてみる。数学上は高周波成分を取り除くいわゆるローパスフィルタになっていると考えられるが、実際
にどうなのかを実験してみる。実験環境は matlab とほぼ互換であるフリーの octave を使用した。
2.
 以下のソースファイルを少しづつ交え、実験を行った。シャープ(#)でつけたところのみを実験によって変化させてい
る。
######################## ソース ###########################
N=4096;
L=1;
a=L/N;
n=0:(N­1);
xn=n*a;
wave=sin(2*pi*xn)+sin(20*pi*xn)+sin(200*pi*xn)+sin(2000*pi*xn); #W
#wave=zeros(1,N); #W
#wave(1,N/2)=10000; #W
waveave=zeros(1,N);
AVENUM=30;  #アベレージングの数(片側)
for i=(1+AVENUM):(N­AVENUM)
for j=(­1*AVENUM):(AVENUM)
waveave(1,i)=waveave(1,i)+wave(1,i+j);
        end
waveave(1,i)=(waveave(1,i)/(2*AVENUM+1));
end
spec=abs(fft(wave));
specave=abs(fft(waveave));
subplot(2,2,1);
plot(xn,wave,"3");
grid on
subplot(2,2,3);
f=log(n*1/(N*a));
plot(f,spec,"1");
axis([0 110]);
grid on
subplot(2,2,2);
plot(xn,waveave,"3");
grid on
subplot(2,2,4);
plot(f,specave,"1");
axis([0 110]);
grid on
########################################################
        時間領域のアベレージング処理が周波数領域に与える影響の勉強  varlal.com
 サンプリング長さ L=1[sec]とサンプリング個数 N=4096 を固定し実験を行った。よって、サンプリング間隔は
a=L/N=1/4096 よって大体 0.24[msec]で固定。また、サンプリング周波数は fs=N/L=4096[Hz]となる。また、サン
プリングの定理よりエリアシング現象を引き起こさない範囲は fs/2 つまり 2048[Hz]までである(表1)。このことを考
慮し、以下の実験を行った。
サンプリング長さ L=1[sec]
サンプリング個数 N=4096[]
サンプリング間隔 a=1/4096[sec]
サンプリング周波数 fs=4096[Hz]
得られる有効周波数範囲 02048[Hz]
               表 1.1 実験環境
 実験は、1Hz 10Hz 100Hz 1000Hz の成分を一様に含む波形(#W1)といわゆるインパルス波形(#W2
に対し、それぞれアベレージングの個数を変えて Ex01 から Ex10 の実験を行った。対応表は以下のとおり。
※アベレージング個数はソースの AVENUM*2+1 である。
アベレージング個数
0 3 11 21 31
W1(4 つの周波数を含む波形) Ex1 Ex2 Ex3 Ex4 Ex5
W2(インパルス波形) Ex6 Ex7 Ex8 Ex9 Ex10
   表 1.2 実験対応表
3.
Ex1 Ex2
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Ex3 Ex4
Ex5 Ex6
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Ex7 Ex8
Ex9 Ex10
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4.
 時間領域でアベレージング処理を行うと、確かに本来の周波数特性が失われることが分かった。歪みはインパルス
波形の結果より、アベレージング長 X に対し、1/aX[Hz]以上の周波数を完全に歪める(a はサンプリング間隔[sec])。
 Ex1 から Ex5 までを見てみると、周波数領域で歪んだとしても、アベレージングにより存在していたピークが変動す
るわけではない。(ただし、明確なピークが存在していた場合に限る。折り返しが起きた場合ピークができる可能性が
ある。)また、1/aX[Hz]以上の周波数に対しては完全に消える可能性が高い。
しかし、シグナルがノイズに比べ低周波であるなら、一定の結果が期待でき、本来の周波数特性も推定できる可能性
が高い。なぜなら、アベレージング処理は、時間領域のフィルタにかけること(畳み込み)であるので、周波数領域では
単に窓の掛け算になっているからである。