Оценка спектра мощности или спектра плотности мощности
Оценка/оценка спектра мощности
dspspect3
Блок оценки спектра выводит спектр мощности или спектр плотности мощности реального или комплексного входного сигнала, используя метод Уэлча усредненных модифицированных периодограмм и подход набора фильтров.
При выборе подхода банка фильтров блок использует банк фильтров анализа для оценки спектра мощности. Подход набора фильтров дает спектральную оценку с более высоким разрешением, более точным уровнем шума и более точными пиками, чем метод Уэлча, с низкой спектральной утечкой или без нее. Они происходят за счет увеличенных вычислений и более медленного отслеживания.
При выборе метода Welch блок вычисляет усредненные измененные периодограммы для вычисления спектральной оценки. Блок буферизирует входные данные в перекрывающиеся сегменты. Параметры блока используются для задания длины сегментов данных, объема данных, перекрывающихся между последовательными сегментами, и других характеристик спектра мощности.
Дополнительные сведения о методе Welch и методе банка фильтров см. в разделе Алгоритмы.
Каждый столбец входного сигнала обрабатывается как отдельный канал. Если вход является двумерным сигналом, первое измерение представляет длину канала (или размер кадра), а второе измерение представляет количество каналов. Если вход является одномерным сигналом, то он интерпретируется как один канал.
Укажите метод спектральной оценки.
Filter bank (по умолчанию) - банк фильтров анализа разбивает широкополосный входной сигнал на несколько узких поддиапазонов. Блок вычисляет мощность в каждой узкой полосе частот, и вычисленное значение является спектральной оценкой по соответствующей полосе частот.
Welch - Блок использует метод усредненных модифицированных периодограмм Уэлча для вычисления спектра мощности по узким поддиапазонам.
Укажите количество коэффициентов фильтра или отводов для каждой полосы частот. Это значение соответствует количеству коэффициентов фильтра на многофазную ветвь. Общее число коэффициентов фильтра равно числу отводов на полосу, умноженному на длину БПФ.
Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Filter bank. Значение по умолчанию - 12.
Тип вычисляемого спектра. Для этого параметра можно установить значение:
Power (по умолчанию) - вычисление спектра мощности.
Power density - Вычислить спектральную плотность мощности.
Этот параметр не настраивается.
Метод частотного разрешения. Для этого параметра можно установить значение:
Auto (по умолчанию) - Блок оценки спектра вычисляет пропускную способность разрешения (RBW) так, чтобы частотный диапазон соответствовал 1024 интервалам RBW.
Метод Welch - длина окна, winLen, рассчитывается с использованием Fs/RBW. NENBW - эквивалентная полоса пропускания шума окна, а Fs - частота дискретизации.
Метод банка фильтров - длина БПФ - это верхний предел отношения частоты дискретизации (Гц) к полосе пропускания вычисленного разрешения.
RBW - укажите полосу пропускания разрешения, которая используется для определения длины окна (метод Welch) или длины FFT (метод банка фильтров). Когда блок использует метод Welch, поведение эквивалентно поведению блока Spectrum Analyzer. Длина окна рассчитывается с использованием Fs/RBW. NENBW - эквивалентная полоса пропускания шума окна, а Fs - частота дискретизации. Длина БПФ равна потолку отношения частоты выборки (Гц) к RBW (Гц).
Window length - укажите длину окна или сегмента для использования в алгоритме Welch. Эта опция появляется, если для параметра Метод (Method) задано значение Welch.
Number of frequency bands - Укажите количество многофазных ветвей банка фильтров анализа. Это значение соответствует длине БПФ, используемой банком фильтров. Эта опция появляется, если для параметра Метод (Method) задано значение Filter bank.
Этот параметр не настраивается.
Пропускная способность разрешения, заданная как положительный скаляр в Гц. Значение по умолчанию: 5. Этот параметр применяется при установке для метода разрешения частоты значения RBW. Потолок отношения частотного диапазона к RBW должен быть больше 2.
Этот параметр не настраивается.
Источник количества полос частот. Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Filter bank и метод частотного разрешения Number of frequency bands. Для этого параметра можно установить значение:
Same as input frame length (по умолчанию) - длина БПФ задается размером кадра входа.
Specify on dialog - Длина БПФ - это значение, указанное в поле Число полос.
Этот параметр не настраивается.
Количество полос частот или длина БПФ, используемая блоком фильтров для вычисления спектральной оценки мощности, заданной как положительный скаляр. Значение по умолчанию: 1024. Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Filter bank, Метод частотного разрешения для Number of frequency bandsи Количество диапазонов, исходных для Specify on dialog. Этот параметр не настраивается.
Источник значения длины окна. Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Welch и метод частотного разрешения Window length. Для этого параметра можно установить значение:
Same as input frame length (по умолчанию) - длина окна задается размером кадра ввода. Укажите этот параметр, чтобы получить поведение, эквивалентное поведению блока «Периодограмма».
Specify on dialog - Длина окна - это значение, указанное в параметре Длина окна.
Этот параметр не настраивается.
Длина окна, используемого для вычисления оценки спектра, заданного как положительный целочисленный скаляр, больший, чем 2. Значение по умолчанию: 1024. Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Welch, Метод частотного разрешения для Window lengthи Источник длины окна для Specify on dialog. Этот параметр не настраивается.
Источник значения длины БПФ. Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Welch и метод частотного разрешения Window length. Для этого параметра можно установить значение:
Auto (по умолчанию) - блок устанавливает длину БПФ как размер кадра входа.
Property - блок устанавливает длину БПФ в значение, указанное в длине БПФ.
Этот параметр не настраивается.
Длина БПФ, используемого для вычисления оценок спектра, заданная как положительный целочисленный скаляр. Этот параметр применяется, если для параметра «Метод» задано значение Welch, Метод частотного разрешения для Window lengthи источник длины БПФ в Property. Значение по умолчанию: 1024. Этот параметр не настраивается.
При установке этого флажка частота дискретизации блока вычисляется как N/Ts, где N - размер кадра входного сигнала, а Ts - время дискретизации входного сигнала.
Этот флажок применяется при выполнении одного из следующих действий:
Задать метод как Welch и метод частотного разрешения Window length.
Задать метод как Filter bank и метод частотного разрешения Number of frequency bands.
При снятии этого флажка частота дискретизации блока является значением, указанным в поле Частота дискретизации (Гц). По умолчанию этот флажок установлен. Этот параметр не настраивается.
Частота дискретизации входного сигнала, заданная как положительный скаляр. Значение по умолчанию: 44100. Этот параметр применяется при выполнении одного из следующих действий:
Задать для метода разрешения частоты значение Auto или RBW.
Задать метод как Welch, Метод частотного разрешения для Window lengthи снимите флажок Наследовать частоту выборки из ввода (Inherit sample rate from input).
Задать метод как Filter bank, Метод частотного разрешения для Number of frequency bandsи снимите флажок Наследовать частоту выборки из ввода (Inherit sample rate from input).
Этот параметр не настраивается.
Оконная функция, используемая алгоритмом Welch, указанная как одна из Chebyshev | Flat Top | Hamming | Hann | Kaiser | Rectangular. Этот параметр появляется, если для параметра «Метод» задано значение Welch. Значение по умолчанию: Hann. Этот параметр не настраивается.
Затухание окна в боковом направлении, определяемое как действительный положительный скаляр, больший или равный 45, в дБ. Значение по умолчанию: 60. Этот параметр появляется, если для параметра «Метод» задано значение Welch и Оконная функция для Chebyshev или Kaiser. Этот параметр не настраивается.
Укажите метод усреднения как Running или Exponential. В способе скользящего усреднения блок вычисляет одинаково взвешенное среднее заданного числа спектральных оценок, определенных параметром Число спектральных средних. В экспоненциальном способе блок вычисляет среднее значение по выборкам, взвешенным экспоненциально затухающим коэффициентом забывания.
Число спектральных средних значений, указанных как положительный целочисленный скаляр. Значение по умолчанию: 1. Блок оценки спектра вычисляет текущую оценку спектра мощности путем усреднения последних N оценок спектра мощности, где N - число спектральных средних значений, определенных в поле Число спектральных средних значений. Этот параметр не настраивается.
Этот параметр применяется, если для метода усреднения установлено значение Running.
Установите этот флажок, чтобы указать коэффициент забывания из входного порта. Если этот флажок не установлен, коэффициент забывания задается параметром Коэффициент забывания.
Этот параметр применяется, если для метода усреднения установлено значение Exponential.
Укажите коэффициент забывания экспоненциального взвешивания как скалярное значение, большее нуля и меньшее или равное единице. Значение по умолчанию: 0.9.
Этот параметр применяется при установке для метода усреднения значения Exponential и снимите флажок Specify fortheting factor из параметра входного порта.
Процент перекрытия между последовательными окнами данных, указанный как скаляр из 0 и 100. Значение по умолчанию: 0. Чтобы включить этот параметр, на главной вкладке установите для параметра Method значение Welch. Этот параметр не настраивается.
Нагрузка, используемая в качестве ссылки для вычисления значений мощности, заданных как действительный положительный скаляр, выраженный в омах. Значение по умолчанию: 1. Этот параметр не настраивается.
Частотный диапазон устройства оценки спектра. Для этого параметра можно установить значение:
One-sided - Блок оценки спектра вычисляет односторонний спектр реального входного сигнала. Когда длина БПФ, NFFT, является четным, оценка спектра имеет длину (NFFT/2) + 1 и вычисляется в диапазоне частот [0 SampleRate/2]. SampleRate - частота дискретизации входного сигнала. Когда NFFT нечетно, оценка спектра имеет длину (NFFT + 1)/2 и вычисляется в диапазоне частот [0 SampleRate/2).
Two-sided - Блок оценки спектра вычисляет двусторонний спектр комплексного или реального входного сигнала. Длина спектральной оценки равна длине БПФ. Оценка спектра вычисляется в диапазоне частот [0 SampleRate), где SampleRate - частота дискретизации входного сигнала.
Centered (по умолчанию) - блок оценки спектра вычисляет центрированный двусторонний спектр комплексного или реального входного сигнала. Длина спектральной оценки равна длине БПФ. Оценка спектра вычисляется в диапазоне частот (-SampleRate/2 SampleRate/2] когда длина БПФ четная и (-SampleRate/2 SampleRate/2) когда длина БПФ является нечетной.
Этот параметр не настраивается.
Единицы измерения мощности. Для этого параметра можно установить значение:
'Watts' (по умолчанию) - модуль оценки спектра измеряет мощность в ваттах.
'dBw' - Блок оценки спектра измеряет мощность в децибел-ваттах.
'dBm' - Блок оценки спектра измеряет мощность в децибелах-милливаттах.
Этот параметр не настраивается.
При установке этого флажка блок вычисляет спектр максимального удержания входного сигнала, сохраняя на каждом частотном блоке максимальное значение всех оценок спектра мощности. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр не настраивается.
При установке этого флажка блок вычисляет спектр минимального удержания входного сигнала, сохраняя на каждом частотном блоке минимальное значение всех оценок спектра мощности. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр не настраивается.
Если этот флажок установлен, блок выводит частотный вектор. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр не настраивается.
Если этот флажок установлен, блок вычисляет эффективную пропускную способность разрешения. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр не настраивается.
Тип выполняемого моделирования. Для этого параметра можно установить значение:
Code generation (по умолчанию) - моделирование модели с использованием сгенерированного кода C. При первом запуске моделирования Simulink ® генерирует код C для блока. Код C используется повторно для последующего моделирования, если модель не изменяется. Этот параметр требует дополнительного времени запуска, но обеспечивает более высокую скорость моделирования, чемInterpreted execution.
Interpreted execution - Моделирование модели с помощью интерпретатора MATLAB ®. Эта опция сокращает время запуска, но имеет более низкую скорость моделирования, чем Code generation.
Оцените спектральную плотность мощности (PSD) сигнала частотной частоты с помощью блока спектральной оценки. Сравните данные PSD со спектральной маской Bluetooth ® и определите, соответствуют ли данные PSD маске.
Для просмотра всей модели введите ex_psd_spectralmask в командной строке MATLAB.
Входной сигнал
Вход в блок оценки спектра представляет собой сигнал частотной частоты, внедренный в гауссов шум с нулевым средним и дисперсией 0.01. Чирп-сигнал усиливается коэффициентом усиления в диапазоне [0 1].
Спектральная маска
Спектральная маска создается с помощью блока MATLAB Function (Simulink). Маска основана на стандарте Bluetooth, описанном в [5].
Обработка в реальном времени
Блок оценки спектра оценивает PSD чирпа. В этом примере данные PSD сравниваются со спектральной маской. Блок «Отображение» показывает 1 или 0, в зависимости от того, находятся ли спектральные данные в маске или нет. Во время моделирования можно изменить мощность входного сигнала, перемещая ползунок в блоке усиления ползунка. Одновременно это изменение можно просмотреть в блоке «Печать массива».
| Порт | Поддерживаемые типы данных |
|---|---|
Вход |
|
Продукция |
|
Блок оценки спектра на основе банка фильтров использует набор фильтров анализа для оценки спектра мощности. Блок фильтров разделяет широкополосный входной сигнал x (n) скорости выборки fs на множество узкополосных сигналов y0 (m), y1 (m),..., yM-1 (m) скорости выборки fs/M.
Переменная М представляет количество полос частот в наборе фильтров. Когда длина БПФ указана, М равно длине БПФ. Если длина БПФ не указана, М равно количеству строк во входном сигнале. Количество отводов на полосу частот определяет количество коэффициентов фильтра для каждой полосы частот набора фильтров. Общее количество коэффициентов фильтра равно количеству отводов на полосу частот, умноженному на число полос частот, М. Для получения дополнительной информации о банке фильтров анализа и его реализации см. разделы Подробнее и Алгоритм в dsp.Channelizer.
После разделения широкополосного входного сигнала на множество узких диапазонов блок оценки спектра вычисляет мощность в каждом узком диапазоне с использованием следующего уравнения. Каждое значение Zi становится оценкой мощности в этой узкой полосе частот.
L - длина узкополосного сигнала, yi (m), и i = 1, 2,..., M − 1.
Значения мощности во всех узких полосах (обозначаемые Zi) образуют Z-вектор.
Z2,⋯,ZM−1]
Текущий Z-вектор усредняется с предыдущими Z-векторами с помощью одного из двух методов скользящего среднего: Running или Exponential weighting. Выходной сигнал операции усреднения формирует вектор спектральной оценки. Дополнительные сведения о двух методах усреднения см. в разделе Метод усреднения.
Скользящее среднее рассчитывается одним из двух способов:
Running - Для каждого кадра ввода усредняют последние N масштабированных Z векторов, которые вычисляются алгоритмом. Переменная N - это значение, указанное для количества спектральных средних значений. Если алгоритм не имеет достаточно Z векторов, алгоритм использует нули для заполнения пустых элементов.
Exponential - Алгоритм скользящего среднего, использующий метод экспоненциального взвешивания, обновляет весовые коэффициенты и вычисляет скользящее среднее рекурсивно для каждого Z вектора, который входит, используя следующие рекурсивные уравнения:
z\N − 1 + (1wN) zN
λ - Коэффициент забывания.
- весовой коэффициент, применяемый к текущему вектору Z.
- текущий Z-вектор.
− 1 - скользящее среднее до предыдущего Z-вектора.
fetN − 1 - Влияние предыдущих Z векторов на среднее значение.
N - скользящее среднее, включающее текущий Z-вектор.
[1] Хейс, Монсон Х. Статистическая цифровая обработка и моделирование сигналов. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 1996.
[2] Кей, Стивен М. Современная спектральная оценка: теория и применение. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл, 1999.
[3] Стоика, Петре и Рэндольф Л. Мозес. Спектральный анализ сигналов. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл, 2005.
[4] Уэлч, П. Д. «Использование быстрого преобразования Фурье для оценки спектров мощности: метод, основанный на усреднении времени по коротким измененным периодограммам». Транзакции IEEE по аудио и электроакустике. т. 15, № 2, июнь 1967, стр. 70-73.
[5] Спецификация Bluetooth версии 4.2. Bluetooth SIG. Декабрь 2014, с. 217. Спецификация системы Bluetooth