Вычислите оценку спектра мощности входного сигнала во временной области с помощью блока оценки спектра. Блок использует один из следующих способов для вычисления оценки спектра мощности:
Метод Welch усредненных модифицированных периодограмм
Метод банка фильтров
В этом примере используется метод Welch усредненных измененных периодограмм. Пример использования метода оценки спектра на основе банка фильтров см. в разделе Спектральный анализ высокого разрешения. Тот же пример также показывает сравнение между блоком оценки банка фильтров и блоком спектральной оценки на основе Уэлча. Обычно оценка спектра на основе банка фильтров дает лучшее разрешение при меньших спектральных утечках, более точных пиках и более точном уровне шума.
Дополнительные сведения об алгоритме этих двух методов см. в разделе «Алгоритмы» в блоке оценки спектра.
Блок оценки спектра полезен, если требуется прямой доступ к оцененному спектру (а не просто визуализация). Спектр выходной мощности может использоваться в качестве входных данных для других блоков в модели или может быть зарегистрирован в рабочей области для последующей обработки. Для визуализации спектров используйте блок области Spectrum Analyzer.
В методе Welch входные данные временной области разбиваются на сегменты данных на основе выбранной длины окна и процента перекрытия. Этот этап реализуется с использованием буферного блока. К каждому сегменту применяется окно, и затем вычисляется усредненная периодограмма на основе оконных последовательностей. Этот этап реализуется с использованием dsp.SpectrumEstimator object™ системы. Длина сегментов данных и выбор окна определяют полосу пропускания разрешения оценки (RBW), которая является наименьшей положительной частотой, которая может быть разрешена в спектральной оценке мощности.
dspstreamingwelch модель, показанная ниже, использует блок Welch Spectrum Estimator для оценки спектра шумного сигнала частотной частоты, дискретизированного при 44100 Гц. Оценка спектра мощности отображается с использованием области графика массива. Пиковое значение спектра, а также частота, на которой происходит пик, обнаруживаются и отображаются в области видимости. Также отображается RBW оценки. Кроме того, для целей сравнения и проверки включен блок области действия Spectrum Analyzer.
Для метода частотного разрешения блока установлено значение Window length. Длина окна устанавливается равной 1024. Длина БПФ, NFFT, равна длине окна. Данные отображаются с помощью окна Чебышева с затуханием боковых зон 60 дБ. Диапазон частот односторонний. В этом случае длина спектральной оценки вычисляется
и вычисляется на интервале [0 Hz,22050 Гц]. Свойство Sample increment области Array Plot соответственно имеет значение
, где приращение делится на 1000 для масштабирования частотных единиц до кГц. Доступ к свойству Sample increment области можно получить, открыв его окно Configuration properties.
Пропускная способность разрешения задается следующим образом:
где N - длина окна, enbw - функция, которая вычисляет эквивалентную полосу пропускания шума окна, SL - затухание боковых зон выбранного окна Чебышева и Fs - частота дискретизации. В этом случае RBW равен 65,38 Гц.
При моделировании модели можно проверить, что отображаемое значение RBW равно показанному на нижней панели области Spectrum Analyzer. Кроме того, два блока дают одинаковые пиковые измерения.
Модель в предыдущем разделе имела нулевое перекрытие. В dspstreamingwelch_overlap модель, мы используем блок оценки Welch с перекрытием 50%. Поскольку другие параметры модели идентичны предыдущему разделу, RBW неизменен и равен 65,38 Гц. При длине окна 1024 и проценте перекрытия 50% для формирования нового сегмента данных требуется 512 входных выборок. Поскольку входные данные имеют длину 1024, каждый новый кадр данных выдает две новые периодограммы, и выходной порт блока работает со скоростью вдвое большей, чем входной порт.
Следует отметить, что в этом случае блок оценки Welch не имеет нулевой задержки. Выход первой оценки спектра основан на исходном состоянии буфера, которое равно eps. Поэтому для соответствия спектру и измерениям в области Spectrum Analyzer мы вставляем блок задержки на вход Spectrum Analyzer.
Результаты анализатора спектра и блока оценки Welch могут быть подтверждены путем моделирования модели.
В dspstreamingwelch_rbw модель, параметр Frequency Resolution Method имеет значение RBW. Источником RBW является Auto. В этом режиме, аналогично блоку области действия Spectrum Analyzer, полоса пропускания разрешения выбирается таким образом, что имеется 1024 интервала RBW на указанном частотном диапазоне. Так как в этом случае диапазон составляет 22050 Гц, RBW составляет 21,53 Гц.
Длина окна, используемая для буферизации данных, итеративно вычисляется для получения требуемого RBW. Длина окна в этом случае равна 3073. Чтобы проверить это значение, мы можем вычислить RBW, который является результатом этой длины окна:
Обратите внимание, что в этой модели используется окно Ганна. В этом случае длина БПФ, NFFT, является нечетной и равна 3073 (длина окна). Поскольку диапазон частот является односторонним, оценка спектра имеет длину (NFFT + 1 )/2 и вычисляется на интервале [0,44100/2). Свойство Sample increment области Array Plot имеет значение
кГц.
Опять же, результаты анализатора спектра и блока оценки Welch могут быть подтверждены путем моделирования модели.
[1] Хейс, Монсон Х. Статистическая цифровая обработка и моделирование сигналов Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья, 1996.