Спектрограммы являются двумерным представлением спектра мощности сигнала, когда этот сигнал развертывается в течение времени. Они дают визуальное понимание содержимого частоты вашего сигнала. Каждая строка спектрограммы является вычисленным использованием одной периодограммы или подход набора фильтров или алгоритм валлийцев усреднения измененной периодограммы.
Чтобы показать концепции спектрограммы, этот пример использует модель ex_psd_sa в качестве отправной точки. Обратите внимание на то, что модели Simulink® не поддержаны в MATLAB Online.
Откройте модель и дважды кликните блок Spectrum Analyzer. В панели Spectrum Settings измените View на Spectrogram. Method установлен в Filter bank. Запустите модель. Вы видите спектрограмму вывод в спектре окно анализатора. Чтобы получить и хранить данные для последующей обработки, создайте объект Spectrum Analyzer Configuration и запустите функцию getSpectrumData на этом объекте.
Спектр мощности вычисляется как функция частоты f и построен как горизонтальная строка. Каждой точке на этой строке дают определенный цвет на основе значения степени на той особой частоте. Цвет выбран на основе палитры, замеченной наверху отображения. Чтобы изменить палитру, нажмите View> Configuration Properties и выберите одну из опций в карте цветов. Убедитесь, что View установлен в Spectrogram. По умолчанию карта цветов установлена в jet(256).
Две частоты синусоиды отчетливо видимы на уровне 5 кГц и 10 кГц. Начиная со спектра анализатор использует подход набора фильтров, нет никакой спектральной утечки в peaks. Синусоида встраивается в Гауссов шум, который имеет отклонение 0,0001. Это значение соответствует степени-40 dBm. Цвет, который сопоставляет с-40 dBm, присвоен шумовому спектру. Степень синусоиды является 26.9 dBm на уровне 5 кГц и 10 кГц. Цвет, используемый в отображении на этих двух частотах, соответствует 26.9 dBm на палитре. Для получения дополнительной информации о том, как степень вычисляется в dBm, см. 'Преобразование мощности в ваттах к dBW и dBm'.
Чтобы подтвердить dBm значения, измените View на Spectrum. Это представление показывает степень сигнала на различных частотах.
Вы видите, что два peaks в отображении степени имеют амплитуду приблизительно 26 dBm, и белый шум составляет в среднем вокруг-40 dBm.
В отображении спектрограммы, прокрутки времени сверху донизу, таким образом, новые данные показывают наверху отображения. Когда время симуляции увеличивается, время смещения также увеличивается, чтобы сохранить вертикальные пределы по осям постоянными при составлении входящих данных. Значение Offset, наряду со временем симуляции, отображено в нижнем правом углу осциллографа спектрограммы.
Пропускная способность разрешения (RBW) является минимальной пропускной способностью частоты, которая может быть разрешена спектром анализатор. По умолчанию RBW (Hz) установлен в Auto. В автоматическом режиме RBW является отношением промежутка частоты к 1 024. В двухстороннем спектре этим значением является Фс/1024, в то время как в одностороннем спектре, это (Фс/2)/1024. В этом примере RBW (44100/2)/1024 или 21,53 Гц.
Если Method установлен в Filter bank, с помощью этого значения RBW, количество входных выборок, используемых, чтобы вычислить одно спектральное обновление, дано Nsamples = Fs/RBW, который является 44100/21.53 или 2048 в этом примере.
Если Method установлен в Welch, с помощью этого значения RBW, длина окна (Nsamples) вычисляется итеративно с помощью этого отношения:
Op является суммой перекрытия между предыдущими и текущими буферизированными сегментами данных. NENBW является эквивалентной шумовой пропускной способностью окна.
Для получения дополнительной информации о деталях спектрального алгоритма оценки смотрите Спектральный анализ.
Чтобы различать две частоты в отображении, расстоянием между этими двумя частотами должен быть, по крайней мере, RBW. В этом примере расстояние между двумя peaks составляет 5 000 Гц, который больше, чем RBW. Следовательно, вы видите peaks отчетливо.
Измените частоту второй синусоиды с 10 000 Гц до 5 015 Гц. Различие между этими двумя частотами составляет 15 Гц, который является меньше, чем RBW.
На изменении масштаба вы видите, что peaks не различим.
Чтобы увеличить разрешение частоты, уменьшите RBW до 1 Гц и запустите симуляцию. На изменении масштаба два peaks, которые на расстоянии в 15 Гц, теперь различимы
Разрешение времени является расстоянием между двумя спектральными строками на вертикальной оси. По умолчанию Time res (s) установлен в Auto. В этом режиме значением разрешения времени является 1/RBW s, который является минимальным достижимым разрешением. Когда вы увеличиваете разрешение частоты, уменьшения разрешения времени. Чтобы сохранить хорошее равновесие между разрешением частоты и разрешением времени, измените RBW (Hz) на Auto. Можно также задать Time res (s) как числовое значение.
Спектр анализатор обеспечивает три модуля, чтобы задать степень спектральная плотность: Watts/Hz, dBm/Hz и dBW/Hz. Соответствующими модулями степени является Watts, dBm и dBW. Для электротехнических приложений можно также просмотреть RMS сигнала в Vrms или dBV. Типом спектра по умолчанию является Power в dBm.
Степенью в dBW дают:
Степенью в dBm дают:
Для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В степенью одностороннего спектра в Watts дают:
В этом примере эта степень равняется 0,5 Вт. Соответствующей степенью в dBm дают:
Здесь, степень равняется 26.9897 dBm. Чтобы подтвердить это значение с пиковым средством поиска, нажмите Tools> Measurements> Peak Finder.
Для белого шумового сигнала спектр является плоским для всех частот. Спектр анализатор в этом примере показывает односторонний спектр в области значений [0 Фс/2]. Для белого шумового сигнала с отклонением 1e-4 степень на модульную пропускную способность (Punitbandwidth) является 1e-4. Общей степенью белого шума в ваттах по целому частотному диапазону дают:
Количество интервалов частоты является отношением общей пропускной способности к RBW. Для одностороннего спектра общая пропускная способность является половиной уровня выборки. RBW в этом примере составляет 21,53 Гц. С этими значениями общая степень белого шума в ваттах составляет 0,1024 Вт. В dBm степень белого шума может быть вычислена с помощью 10*log10 (0.1024/10^-3), который равняется 20.103 dBm.
Если вы устанавливаете спектральные модули на dBFS и устанавливаете полный масштаб (FullScaleSource) на Auto, степень в dBFS вычисляется как:
где:
Pwatts является мощностью в ваттах
Для двойных и сигналов плавающих Full_Scale является максимальным значением входного сигнала.
Для фиксированной точки или целочисленных сигналов, Full_Scale является максимальным значением, которое может быть представлено.
Если вы задаете ручной полный масштаб (установите FullScaleSource на Property), степенью в dBFS дают:
Где FS является полным масштабным коэффициентом, заданным в свойстве FullScale.
Для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В степенью одностороннего спектра в Watts дают:
В этом примере эта степень равняется 0,5 Вт, и максимальный входной сигнал для синусоиды составляет 1 В. Соответствующей степенью в dBFS дают:
Здесь, степень равняется-3.0103. Чтобы подтвердить это значение в спектре анализатор, запустите эти команды:
Fs = 1000; % Sampling frequency
sinef = dsp.SineWave('SampleRate',Fs,'SamplesPerFrame',100);
scope = dsp.SpectrumAnalyzer('SampleRate',Fs,...
'SpectrumUnits','dBFS','PlotAsTwoSidedSpectrum',false)
%%
for ii = 1:100000
xsine = sinef();
scope(xsine)
end
Степенью в dBm дают:
Напряжением в RMS дают:
От предыдущего примера PdBm равняется 26.9897 dBm. Vrms вычисляется как
который равняется 0.7071.
Подтвердить это значение:
Измените Type на RMS.
Откройте пиковое средство поиска путем нажатия на Tools> Measurements> Peak Finder.
Когда вы запускаете модель и не видите цветов спектрограммы, нажимаете
кнопку Scale Color Limits. Эта опция автомасштабирует цвета.
Спектрограмма обновляет в режиме реального времени. Во время симуляции, если вы изменяете какой-либо из настраиваемых параметров в модели, изменения сразу являются эффективными при спектрограмме.