Просмотр спектрограммы с помощью анализатора спектра

Спектрограммы представляют собой двумерное представление спектра мощности сигнала по мере того, как этот сигнал сдвигается во времени. Они дают визуальное понимание частотного содержания вашего сигнала. Каждая строка спектрограммы представляет собой одну периодограмму, вычисленную с использованием либо подхода банка фильтров, либо алгоритма Уэлча усреднения модифицированной периодограммы.

Чтобы показать концепции спектрограммы, в этом примере используется модель ex_psd_sa в качестве отправной точки.

Откройте модель и дважды щелкните блок Spectrum Analyzer. На панели «Параметры спектра» измените вид на Spectrogram. Метод имеет значение Filter bank. Запустите модель. Выход спектрограммы можно увидеть в окне анализатора спектра. Чтобы получить и сохранить данные для дальнейшей обработки, создайте SpectrumAnalyzerConfiguration и выполните команду getSpectrumData на этом объекте.

Палитра

Спектр мощности вычисляется как функция частоты f и отображается как горизонтальная линия. Каждой точке на этой линии придают определенный цвет на основе значения мощности на этой конкретной частоте. Цвет выбирается на основе карты цветов, отображаемой в верхней части дисплея. Чтобы изменить карту цветов, щелкните Вид (View) > Свойства конфигурации (Configuration Properties) и выберите один из параметров карты цветов. Убедитесь, что для параметра «Вид» установлено значение Spectrogram. По умолчанию для карты цветов установлено значение jet(256).

Две частоты синусоидальной волны отчетливо видны при 5 кГц и 10 кГц. Поскольку анализатор спектра использует подход набора фильтров, спектральная утечка на пиках отсутствует. Синусоидальная волна встроена в гауссов шум, который имеет дисперсию 0,0001. Это значение соответствует мощности -40 дБм. Цвет, отображаемый в -40 дБм, назначается спектру шума. Мощность синусоидальной волны составляет 26,9 дБм при 5 кГц и 10 кГц. Цвет, используемый в дисплее на этих двух частотах, соответствует 26,9 дБм на карте цветов. Дополнительные сведения о том, как вычисляется мощность в дБм, см. в разделе «Преобразование мощности в ваттах в дБВт и дБм».

Для подтверждения значений dBm измените Вид на Spectrum. Этот вид показывает мощность сигнала на различных частотах.

Можно видеть, что два пика в дисплее мощности имеют амплитуду около 26 дБм, а белый шум усредняется около -40 дБм.

Показ

На дисплее спектрограммы время прокручивается сверху вниз, поэтому самые последние данные отображаются в верхней части дисплея. По мере увеличения времени моделирования время смещения также увеличивается для поддержания постоянных пределов вертикальной оси при учете поступающих данных. Offset значение вместе с временем моделирования отображается в правом нижнем углу области спектрограммы.

Пропускная способность разрешения (RBW)

Разрешающая полоса пропускания (RBW) - это минимальная полоса частот, которая может быть разрешена анализатором спектра. По умолчанию RBW (Гц) имеет значение Auto. В автоматическом режиме RBW - это отношение частотного диапазона к 1024. В двустороннем спектре это значение равно _Fs/1024, в то время как в одностороннем спектре оно равно (_Fs/2 )/1024. В этом примере RBW составляет (44100/2 )/1024 или 21,53 Гц.

Если для параметра Method установлено значение Filter bank, используя это значение RBW, число входных выборок, используемых для вычисления одного спектрального обновления, задается _Nsamples = _Fs/RBW, которое в этом примере равно 44100/21.53 или 2048.

Если для параметра Method установлено значение Welch, используя это значение RBW, длина окна (_Nsamples) вычисляется итеративно с использованием этого отношения:

$_{Nsamples} \frac{= (\frac{1_{}}{−} Op100) \times_{}}{NENBW}$ × FsRBW

_Op - это величина перекрытия между предыдущим и текущим буферизованными сегментами данных. NENBW - эквивалентная полоса пропускания шума окна.

Дополнительные сведения об алгоритме спектральной оценки см. в разделе Спектральный анализ.

Чтобы различать две частоты в дисплее, расстояние между двумя частотами должно быть, по меньшей мере, RBW. В этом примере расстояние между двумя пиками составляет 5000 Гц, что больше, чем RBW. Таким образом, вы можете видеть пики отчетливо.

Измените частоту второй синусоидальной волны с 10000 Гц на 5015 Гц. Разница между этими двумя частотами составляет 15 Гц, что меньше, чем RBW.

На масштабировании видно, что пики не различимы.

Для увеличения разрешения частоты уменьшите RBW до 1 Гц и выполните моделирование. При масштабировании два пика, которые находятся на расстоянии 15 Гц, теперь различимы

Разрешение по времени

Разрешение по времени - это расстояние между двумя спектральными линиями по вертикальной оси. По умолчанию для параметра «Время» установлено значение Auto. В этом режиме значение разрешения по времени равно 1/RBW s, что является минимально достижимым разрешением. При увеличении разрешения частоты разрешение по времени уменьшается. Для поддержания хорошего баланса между частотным разрешением и временным разрешением измените значение RBW (Гц) на Auto. Кроме того, в качестве числового значения можно указать значения Time res (s).

Преобразование мощности между единицами измерения

Анализатор спектра содержит три блока для определения спектральной плотности мощности: Watts/Hz, dBm/Hz, и dBW/Hz. Соответствующими блоками питания являются Watts, dBm, и dBW. Для электротехнических приложений можно также просмотреть среднеквадратичное значение сигнала в Vrms или dBV. Тип спектра по умолчанию - Power in dBm.

Преобразование мощности в ваттах в дБВт и дБм

Мощность в dBW задается:

$_{PdBW} = 10log10 (мощность в ватт/1$ Вт)

Мощность в dBm задается:

$_{PdBm} = 10log10 (мощность в ватт/1$ милливатт)

Для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В мощность одностороннего спектра в Watts задается:

$\begin{array}{l} _{PWatts} =^{} \\ _{} A2/2PWatts = \end{array}$ 1/2

В этом примере эта мощность равна 0,5 Вт. Соответствующая мощность в дБм задаётся:

$\begin{array}{l} _{PdBm} = 10log10 (мощность в ватт/1 \\ _{милливатт)} PdBm = {10log10}^{(} \end{array}$ 0,5/10 − 3)

Здесь мощность равна 26,9897 дБм. Чтобы подтвердить это значение с помощью поиска пиков, щелкните Инструменты > Измерения > Поиск пиков.

Для сигнала белого шума спектр является плоским для всех частот. Анализатор спектра в этом примере показывает односторонний спектр в диапазоне [0 Fs/2]. Для сигнала белого шума с дисперсией 1e-4 мощность на единицу полосы пропускания (_{Punitbandwidth}) равна 1e-4. Суммарная мощность белого шума в ваттах по всему диапазону частот задаётся:

$\begin{array}{l} _{Pwitenoise} =_{} Punitbandwidth * число \\ _{частотных ячеек,}^{Pwhitenoise} = (\frac{10 −}{4)} * \\ _{(Fs/2RBW),}^{} \frac{Pwhitenoise =}{(10} - \end{array}$ 4) * (2205021,53)

Количество частотных ячеек - это отношение общей полосы пропускания к RBW. Для одностороннего спектра общая полоса пропускания равна половине частоты дискретизации. RBW в этом примере составляет 21,53 Гц. При этих значениях суммарная мощность белого шума в ваттах равна 0,1024 Вт. В дБм мощность белого шума может быть вычислена с помощью 10 * log10 (0,1024/10 ^ -3), что равно 20,103 дБм.

Преобразование мощности в ваттах в dBFS

Если для спектральных единиц установлено значение dBFS и установить полную шкалу (FullScaleSourceКому Auto, мощность в dBFS вычисляется как:

$_{}_{PdBFS=20⋅log10} \sqrt{(_{}} Pwatts/Full_Scale$ )

где:

P_watts - мощность в ваттах
Для двойных и поплавковых сигналов Full_Scale является максимальным значением входного сигнала.
Для сигналов с фиксированной точкой или целочисленных сигналов Full_Scale является максимальным значением, которое может быть представлено.

Если указать полный масштаб вручную (набор FullScaleSource кому Property), питание в dBFS задается:

$_{}_{PFS=20⋅log10} \sqrt{(_{}} Pwatts/FS$ )

Где FS - полный коэффициент масштабирования, указанный в FullScale собственность.

Для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В мощность одностороннего спектра в Watts задается:

$\begin{array}{l} _{PWatts} =^{} \\ _{} A2/2PWatts = \end{array}$ 1/2

В этом примере эта мощность равна 0,5 Вт, а максимальный входной сигнал для синусоидальной волны равен 1 В. Соответствующая мощность в дБФС задается следующим образом:

$_{}_{PFS=20⋅log10} \sqrt{(} 1/2/1$ )

Здесь мощность равна -3.0103. Чтобы подтвердить это значение в анализаторе спектра, выполните следующие 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

Затем щелкните Инструменты > Измерения > Поиск пиков.

Преобразование мощности в дБм в среднеквадратичное значение в Vrms

Мощность в dBm задается:

$_{PdBm} = 10log10 (мощность в ватт/1$ милливатт)

Напряжение в СРК задается:

$_{Vrms} =^{_{}} \sqrt{^{10PdBm/2010}}$ − 3

В предыдущем примере _PdBm равен 26,9897 дБм. Значение _Vrms рассчитывается как

$_{Vrms} =^{} \sqrt{}$ 1026.9897/200.001

что равно 0,7071.

Для подтверждения этого значения:

Изменить тип на RMS.
Откройте поисковик пиков, щелкнув Инструменты > Измерения > Поисковик пиков.

Пределы цвета масштабирования

При запуске модели и отсутствии цветов спектрограммы нажмите кнопку Масштабировать пределы цвета (Scale Color Limits). Этот параметр автоматически масштабирует цвета.

Спектрограмма обновляется в реальном времени. Во время моделирования при изменении любого из настраиваемых параметров в модели изменения вступают в силу немедленно в спектрограмме.

Документация