Qu'est-ce que Fonction de fenêtrage ?

Fonction de pondération appliquée à un intervalle fini d'un signal ou de coefficients, dans l'analyse par DFT et dans la conception des filtres FIR. Se contenter de découper l'intervalle (fenêtre rectangulaire) laisse ses deux extrémités discontinues et provoque une fuite spectrale ou des ondulations, qu'une fenêtre ramenant en douceur les deux extrémités vers 0 permet de réduire. La fenêtre de Hann (de Hanning), très courante, a un lobe secondaire le plus haut d'environ −31 dB, plus bas que les −13 dB de la fenêtre rectangulaire, mais un lobe principal environ deux fois plus large. On choisit entre les fenêtres de Hamming, de Blackman, à sommet plat, etc. selon que des lobes secondaires bas ou un lobe principal étroit importent le plus.

Nom japonais: 窓関数

« Fonction de fenêtrage » apparaît dans 2 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Bases du traitement numérique du signal.

Domaine: Bases du traitement numérique du signal

Lobe principal et lobes secondaires

Le spectre d'une fenêtre se compose d'un grand pic central (le lobe principal) et de pics plus petits de part et d'autre (les lobes secondaires). Plus le lobe principal est étroit, plus il est facile de distinguer deux composantes à des fréquences proches ; plus les lobes secondaires sont bas, moins une composante faible proche d'une composante forte risque d'être noyée. Les deux se font concurrence : la fenêtre rectangulaire a le lobe principal le plus étroit mais des lobes secondaires élevés, et la fenêtre de Hann l'inverse.

Lire et corriger les amplitudes

Appliquer une fenêtre réduit en moyenne l'amplitude du signal : on corrige donc les amplitudes en les divisant par la valeur moyenne de la fenêtre (0,5 pour la fenêtre de Hann). Une fréquence située à mi-chemin entre deux bins est en outre lue trop faible (perte de festonnage, ou scalloping loss), d'environ 3,9 dB avec la fenêtre rectangulaire et d'environ 1,4 dB avec la fenêtre de Hann. Quand les amplitudes doivent être mesurées avec précision, on utilise une fenêtre à sommet plat (flat-top), dont le lobe principal a un sommet plat.

Les fenêtres dans la conception des filtres FIR

La réponse impulsionnelle d'un filtre passe-bas idéal (une fonction sinc) se prolonge indéfiniment : il faut donc la tronquer à un nombre fini de prises. Une simple troncature produit des ondulations dans la bande passante et dans la bande atténuée (le phénomène de Gibbs), mais appliquer d'abord une fonction de fenêtrage donne une réponse aux ondulations réduites. Le type de fenêtre modifie l'équilibre entre l'atténuation dans la bande atténuée et la largeur de la bande de transition.

S'entraîner : questions sur Fonction de fenêtrage

Quelle comparaison entre la fenêtre rectangulaire (aucune pondération appliquée) et la fenêtre de Hann (fenêtre de Hanning), en tant que fonction de fenêtrage appliquée avant une DFT, est correcte ?

  1. ALa fenêtre de Hann rend le lobe principal environ deux fois plus étroit que celui de la fenêtre rectangulaire et abaisse aussi les lobes secondaires : elle est donc meilleure à tous points de vue
  2. BLa fenêtre de Hann a des lobes secondaires plus bas et moins de fuite vers les bins éloignés, mais son lobe principal est environ deux fois plus large que celui de la fenêtre rectangulaire
  3. CLa fenêtre de Hann rétrécit le lobe principal, mais en contrepartie ses lobes secondaires sont plus hauts que ceux de la fenêtre rectangulaire
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. La fenêtre de Hann a des lobes secondaires plus bas et moins de fuite vers les bins éloignés, mais son lobe principal est environ deux fois plus large que celui de la fenêtre rectangulaire

La fenêtre rectangulaire a un lobe principal étroit de ±1 bin (jusqu'aux premiers zéros), mais son lobe secondaire le plus haut est élevé, environ −13 dB, si bien que la fuite s'étend jusqu'aux bins éloignés. La fenêtre de Hann ramène en douceur les deux extrémités de l'intervalle à 0, ce qui abaisse le lobe secondaire le plus haut à environ −31 dB, mais son lobe principal s'élargit à ±2 bins, soit environ le double. Le choix dépend de l'objectif : une fenêtre comme celle de Hann pour observer un signal faible proche d'un signal fort, et la fenêtre rectangulaire pour distinguer des signaux d'intensités semblables à des fréquences proches.

Questions fréquentes

Quand une fonction de fenêtrage est-elle nécessaire ?

On applique normalement une fenêtre dès qu'il n'est pas garanti que le signal mesuré fasse tenir un nombre entier de périodes dans l'intervalle d'observation. Lorsque la période correspond exactement à l'intervalle, ou pour un signal transitoire qui s'éteint à l'intérieur de l'intervalle, la fuite ne pose pas de problème, même avec la fenêtre rectangulaire (sans fenêtre).

Quelle différence y a-t-il entre les fenêtres de Hann et de Hamming ?

Les deux sont des fenêtres en forme de cosinus, mais la fenêtre de Hann tombe exactement à 0 aux deux extrémités, et ses lobes secondaires éloignés décroissent rapidement. La fenêtre de Hamming laisse environ 0,08 aux deux extrémités au lieu de 0, ce qui abaisse son lobe secondaire le plus haut à environ −43 dB, mais ses lobes secondaires éloignés décroissent plus lentement.

« Fonction de fenêtrage » dans les explications

Questions mentionnant « Fonction de fenêtrage » (2)

  1. Quelle comparaison entre la fenêtre rectangulaire (aucune pondération appliquée) et la fenêtre de Hann (fenêtre de Hanning), en tant que fonction de fenêtrage appliquée avant une DFT, est correcte ?
  2. Quelle est la cause principale de la fuite spectrale dans une DFT ?

Termes associés

Fuite spectrale Repliement de spectre (aliasing) Convolution Décimation Équation aux différences Filtre à moyenne mobile Filtre FIR Filtre IIR Phase linéaire Réponse impulsionnelle

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