Spectrum Estimator

Оценка спектра степени или спектра плотность мощности

Библиотека

Спектр мощности

dspspect3

Описание

Блок Spectrum Estimator выводит спектр степени или спектр плотности мощности действительного или комплексного входного сигнала, используя метод Уэлча усредненных модифицированных периодограмм и подход набора фильтров.

Когда вы выбираете подход банка фильтров, блок использует банк фильтров анализа, чтобы оценить спектр степени. Подход группы фильтров дает спектральную оценку с более высоким разрешением, более точным шумовым полом и более точным peaks, чем метод Уэлча, при низком или отсутствии спектральных утечек. Они поступают за счет увеличения расчетов и более медленного отслеживания.

Когда вы выбираете метод Уэлча, блок вычисляет усредненные модифицированные периодограммы, чтобы вычислить спектральную оценку. Блок буферизует входные данные в перекрывающиеся сегменты. Используйте параметры блоков, чтобы задать длину сегментов данных, количество данных, перекрывающихся между последовательными сегментами, и другие функции спектра степени.

Для получения дополнительной информации о методе Welch и методе банка фильтров, смотрите Алгоритмы.

Каждый столбец входного сигнала обрабатывается как отдельный канал. Если вход является двумерным сигналом, первая размерность представляет длину канала (или формат кадра), а второе измерение представляет количество каналов. Если вход является одномерным сигналом, то он интерпретируется как один канал.

Параметры

Главная вкладка

Method

Задайте метод спектральной оценки.

Filter bank (по умолчанию) - группа фильтров анализа разделяет входной широкополосный сигнал на несколько узких поддиапазонов. Блок вычисляет степень в каждой узкой полосе частот, и вычисленное значение является спектральной оценкой в соответствующей полосе частот.
Welch - Блок использует усредненный метод модифицированных периодограмм Уэлча, чтобы вычислить спектр степени в узких поддиапазонах.

Number of taps per band

Задайте количество коэффициентов фильтра, или ответвлений, для каждой полосы частот. Это значение соответствует количеству коэффициентов фильтра на полифазную ветвь. Общее количество коэффициентов фильтра равно Number of taps per band умноженной на длину БПФ.

Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Filter bank. Значение по умолчанию является 12.

Spectrum type

Тип спектра для вычисления. Можно задать этот параметр как:

Power (по умолчанию) - Вычислите спектр мощности.
Power density - Вычислите спектральную плотность степени.

Этот параметр nontunable.

Frequency resolution method

Метод частотного разрешения. Можно задать этот параметр как:

Auto (по умолчанию) - блок Spectrum Estimator вычисляет полосу пропускания разрешения (RBW) так, чтобы диапазон частот подходил к 1024 интервалам RBW.
- Метод Уэлча - Длина окна, winLen, вычисляется с помощью $w i n L e n = N E N B W \times F s / R B W$ . NENBW - эквивалентная шумовая полоса окна, и Fs является частотой дискретизации.
- Метод банка фильтров - длина БПФ является потолком отношения Sample rate (Hz) к вычисленной пропускной способности разрешения.
RBW - Задайте пропускную способность разрешения, которая используется для определения длины окна (метод Уэлча) или длины БПФ (метод банка фильтров). Когда блок использует метод Welch, поведение эквивалентно поведению блока Spectrum Analyzer. Длина окна вычисляется с помощью $w i n L e n = N E N B W \times F s / R B W$ . NENBW - эквивалентная шумовая полоса окна, и Fs является частотой дискретизации. Длина БПФ равна потолку отношения Sample rate (Hz) к RBW (Hz).
Window length - Задайте длину окна или сегмента для использования в алгоритме Welch. Эта опция появляется, когда вы задаете Method Welch.
Number of frequency bands - Укажите количество полифазных ветвей группы фильтров анализа. Это значение соответствует длине БПФ, которую использует банк фильтров. Эта опция появляется, когда вы задаете Method Filter bank.

Этот параметр nontunable.

RBW (Hz)

Шумовая полоса разрешения, заданная как положительная скалярная величина в Гц. Значение по умолчанию является 5. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Frequency resolution method на RBW. Потолок отношения диапазона частот к RBW должен быть больше 2.

Этот параметр nontunable.

Number of bands source

Источник количества полос частот. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Filter bank и Frequency resolution method к Number of frequency bands. Можно задать этот параметр как:

Same as input frame length (по умолчанию) - длина БПФ устанавливается на формат кадра входа.
Specify on dialog - Длина БПФ является значением, заданным в Number of bands.

Этот параметр nontunable.

Number of bands

Количество частотных полос или длина БПФ, которую группа фильтров использует для вычисления степени спектральной оценки, заданной в виде положительной скалярной величины. Значение по умолчанию является 1024. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Filter bank, Frequency resolution method к Number of frequency bands, и Number of bands source к Specify on dialog. Этот параметр nontunable.

Window length source

Источник значения длины окна. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Welch и Frequency resolution method к Window length. Можно задать этот параметр как:

Same as input frame length (по умолчанию) - Длина окна устанавливается на формат кадра входа. Задайте эту опцию, чтобы получить поведение, эквивалентное поведению блока Periodogram.
Specify on dialog - Длина окна - это значение, заданное вами в параметре Window length.

Этот параметр nontunable.

Window length

Длина окна, используемого для вычисления оценки спектра, заданная как положительный целочисленный скаляр, больший 2. Значение по умолчанию является 1024. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Welch, Frequency resolution method к Window length, и Window length source к Specify on dialog. Этот параметр nontunable.

FFT length source

Источник значения длины БПФ. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Welch и Frequency resolution method к Window length. Можно задать этот параметр как:

Auto (по умолчанию) - блок устанавливает длину БПФ на формат кадра входа.
Property - Блок устанавливает длину БПФ на значение, заданное вами в FFT length.

Этот параметр nontunable.

FFT length

Длина БПФ, используемая для вычисления оценок спектра, заданная как положительный целочисленный скаляр. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Welch, Frequency resolution method к Window length, и FFT length source к Property. Значение по умолчанию является 1024. Этот параметр nontunable.

Inherit sample rate from input

Когда вы устанавливаете этот флажок, скорость выборки блоков вычисляется как N/ _Ts, где N является форматом кадра входного сигнала, а _Ts является шагом расчета входного сигнала .

Этот флажок применяется при выполнении одного из следующих действий:

Установите Method значение Welch и Frequency resolution method к Window length.
Установите Method значение Filter bank и Frequency resolution method к Number of frequency bands.

Когда вы снимаете этот флажок, частота выборки блоков является значением, заданным вами в Sample rate (Hz). По умолчанию этот флажок установлен. Этот параметр nontunable.

Sample rate (Hz)

Скорость дискретизации входного сигнала, заданная как положительная скалярная величина. Значение по умолчанию является 44100. Этот параметр применяется, когда вы делаете одно из следующего:

Установите Frequency resolution method значение Auto или RBW.
Установите Method значение Welch, Frequency resolution method к Window length, и снимите флажок Inherit sample rate from input.
Установите Method значение Filter bank, Frequency resolution method к Number of frequency bands, и снимите флажок Inherit sample rate from input.

Этот параметр nontunable.

Window function

Оконная функция, которую использует алгоритм Welch, заданная как одна из Chebyshev | Flat Top | Hamming | Hann | Kaiser | Rectangular. Этот параметр появляется, когда вы задаете Method Welch. Значение по умолчанию является Hann. Этот параметр nontunable.

Sidelobe attenuation of window (dB)

Ослабление Сайделоба окна, заданное как действительная положительная скалярная величина, больший или равный 45, в дБ. Значение по умолчанию является 60. Этот параметр появляется, когда вы задаете Method Welch и Window function к Chebyshev или Kaiser. Этот параметр nontunable.

Averaging method

Укажите метод усреднения следующим Running или Exponential. В текущем способе усреднения блок вычисляет одинаково взвешенное среднее значение заданного количества оценок спектра, заданных Number of spectral averages параметром. В экспоненциальном методе блок вычисляет среднее значение по выборкам, взвешенным экспоненциально разрушающимся коэффициентом забывания.

Number of spectral averages

Количество спектральных средних значений, заданное как положительный целочисленный скаляр. Значение по умолчанию является 1. Устройство оценки спектра вычисляет текущую оценку спектра степени путем усреднения последних N оценок спектра степени, где N количество спектральных средних значений, заданных в Number of spectral averages. Этот параметр nontunable.

Этот параметр применяется, когда Averaging method установлено на Running.

Specify forgetting factor from input port

Установите этот флажок, чтобы задать коэффициент забывания из порта входа. Если этот флажок не установлен, коэффициент забывания задается параметром Forgetting factor.

Этот параметр применяется, когда Averaging method установлено на Exponential.

Forgetting factor

Задайте экспоненциальный коэффициент забывания взвешивания как скалярное значение, больше нуля и меньше, чем или равное единице. Значение по умолчанию является 0.9.

Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Averaging method на Exponential и очистите параметр Specify forgetting factor from input port.

Вкладка «Дополнительно»

Window overlap (%)

Процент перекрытия между последовательными окнами данных, заданный как скаляр от 0 и 100. Значение по умолчанию 0. Чтобы включить этот параметр, на Main Tab установите Method на Welch. Этот параметр nontunable.

Reference load (ohms)

Нагрузка используется как ссылка для вычисления значений степеней, заданных как действительная положительная скалярная величина, выраженное в омах. Значение по умолчанию 1. Этот параметр nontunable.

Frequency range

Частотная область значений оценщика спектра. Можно задать этот параметр как:

One-sided - устройство оценки спектра вычисляет односторонний спектр действительного входного сигнала. Когда длина БПФ, NFFT, является четным, оценка спектра имеет длину (NFFT/ 2) + 1 и вычисляется в частотной области значений [0 SampleRate/2]. SampleRate - скорость дискретизации входного сигнала. Когда NFFT является нечетным, оценка спектра имеет длину (NFFT + 1) / 2 и вычисляется в частотной области значений [ 0 SampleRate/2).
Two-sided - устройство оценки спектра вычисляет двусторонний спектр комплексного или действительного входного сигнала. Длина оценки спектра равна длине БПФ. Оценка спектра вычисляется в частотной области значений [ 0 SampleRate), где SampleRate - скорость дискретизации входного сигнала.
Centered (по умолчанию) - устройство оценки спектра вычисляет центрированный двусторонний спектр комплексного или действительного входного сигнала. Длина оценки спектра равна длине БПФ. Оценка спектра вычисляется в частотной области значений ( -SampleRate/2 SampleRate/2] когда длина БПФ четная и (-SampleRate/2 SampleRate/2) когда длина БПФ нечетна.

Этот параметр nontunable.

Power units

Модули степени. Можно задать этот параметр как:

'Watts' (по умолчанию) - оценка спектра измеряет степень в ваттах.
'dBw' - Спектральная оценка измеряет степень в децибельных ваттах.
'dBm' - Спектральная оценка измеряет степень в децибельных милливаттах.

Этот параметр nontunable.

Output max-hold spectrum

Когда вы выбираете этот флажок, блок вычисляет max-hold спектр входного сигнала, сохраняя в каждом частотном интервале максимальное значение всех оценок спектра степени. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр nontunable.

Output min-hold spectrum

Когда вы выбираете этот флажок, блок вычисляет минимальный спектр входного сигнала путем сохранения в каждом частотном интервале минимального значения всех оценок спектра степени. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр nontunable.

Output frequency vector

Когда вы устанавливаете этот флажок, блок выводит вектор частоты. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр nontunable.

Output effective RBW

Когда вы устанавливаете этот флажок, блок вычисляет эффективную пропускную способность разрешения. По умолчанию этот флажок не установлен. Этот параметр nontunable.

Simulate using

Тип выполняемой симуляции. Можно задать этот параметр как:

Code generation (по умолчанию) - Моделируйте модель с использованием сгенерированного кода C. Первый раз, когда вы запускаете симуляцию, Simulink^® генерирует код С для блока. Код С повторно используется для последующих симуляций, пока модель не меняется. Эта опция требует дополнительного времени запуска, но обеспечивает более высокую скорость симуляции, чем Interpreted execution.
Interpreted execution - Моделируйте модель с помощью MATLAB^® интерпретатор. Эта опция сокращает время запуска, но имеет более низкую скорость симуляции, чем Code generation.

Пример

Оцените Степень спектральную плотность (PSD) щебета-сигнала с помощью блока Спектра Estimator. Сравнение данных PSD с Bluetooth^® спектральная маска и определить, соответствуют ли данные PSD маске.

Чтобы просмотреть полную модель, введите ex_psd_spectralmask в командной строке MATLAB.

Входной сигнал

Вход блока Spectrum Estimator является щебетанием, встроенным в Гауссов шум с нулем среднего и отклонением 0.01. Сигнал щебета усиливается коэффициентом усиления в области значений [0 1].

Спектральная маска

Спектральная маска создается с помощью блока MATLAB Function (Simulink). Маска основана на стандарте Bluetooth, описанном в [5].

Live Обработка

Блок Spectrum Estimator оценивает PSD щебета. В этом примере данные PSD сравнивают со спектральной маской. Блок Display показывает 1 или 0, в зависимости от того, находятся ли спектральные данные в маске или нет. Во время симуляции можно изменить степень в входном сигнале, перемещая ползунок в блоке Slider Gain. Одновременно вы можете просмотреть это изменение в блоке Array Plot.

Поддерживаемые типы данных

Порт	Поддерживаемые типы данных
Вход	Плавающая точка двойной точности Плавающая точка с одной точностью
Выход	Плавающая точка двойной точности Плавающая точка с одной точностью

Алгоритмы

расширить все

Метод Уэлча усредненных измененных периодограмм

Когда вы выбираете метод Уэлча, оценка спектра степени представляет собой усредненные модифицированные периодограммы.

Учитывая вход сигнала, x:

Умножайте x по окну и масштабируйте результат по степени окна.
Вычислите БПФ сигнала, Y, и взять квадратную величину используя Z = Y.*conj(Y).
Вычислите текущую оценку спектра степени, взяв скользящее среднее значение последнего N числа Z "с и масштабируя ответ на частоту дискретизации. Для получения дополнительной информации о методах скользящего среднего смотрите Метод усреднения.

Банк фильтров

Основанный на банке фильтров оценщик спектра использует группу анализирующих фильтров, чтобы оценить спектр степени. Банк фильтра разделяет широкополосный входной сигнал, x(n), частоты дискретизации fs, в несколько узких сигналов полосы, _y0(m), _y1(m)..., _yM-1(m), частоты дискретизации fs/M .

Переменная M представляет количество полос частот в группе фильтров. Когда задана длина БПФ, M равняется длине БПФ. Когда длина БПФ не задана, M равно количеству строк в входном сигнале. Количество отводов на частоту полосы задает количество коэффициентов фильтра для каждой частотной полосы группы фильтров. Общее количество коэффициентов фильтра равно количеству отводов на полосу значений, умноженных на количество полос частот, M. Для получения дополнительной информации о банке фильтров анализа и о том, как он реализован, смотрите разделы More About и Algorithm в dsp.Channelizer.

После того, как широкополосный входной сигнал разделен на несколько узкие полосы, устройство оценки спектра вычисляет степень в каждой узкой полосе, используя следующее уравнение. Каждое _Zi значение становится оценкой степени над этой узкой полосой частот.

$Z_{i} = \frac{1}{L} \sum_{m = 0}^{L - 1} {| y_{i} [m] |}^{2}$

L - длина узкополосного сигнала, _yi(m) и i = 1, 2,..., M − 1.

Значения степени во всех узких полосах (обозначаемые _Zi) образуют вектор Z.

$Z = [Z_{0}, Z_{1}, Z_{2}, \dots, Z_{M - 1}]$

Вектор Z тока усредняется с предыдущими векторами Z с помощью одного из двух методов скользящего среднего: Running или Exponential weating. Выход операции усреднения формирует вектор спектральной оценки. Для получения дополнительной информации о двух методах усреднения, смотрите Метод усреднения.

Метод усреднения

Скользящее среднее значение вычисляется с помощью одного из двух методов:

Running - Для каждой системы координат входа среднее значение последних N масштабированных векторов Z, которые вычисляются алгоритмом. Переменная N является значением, которое вы задаете для числа спектральных средних значений. Если алгоритму не хватает векторов Z, алгоритм использует нули, чтобы заполнить пустые элементы.
Exponential - алгоритм скользящего среднего, использующий экспоненциал взвешивания, обновляет веса и вычисляет скользящее среднее значение рекурсивно для каждого вектора Z, который поступает с помощью следующих рекурсивных уравнений:
$\begin{array}{l} w_{N} = λ w_{N - 1} + 1 \\ {\bar{z}}_{N} = (1 - \frac{1}{w_{N}}) {\bar{z}}_{N - 1} + (\frac{1}{w_{N}}) z_{N} \end{array}$
- .r- Коэффициент забывания.
- $w_{N}$ - Весовой коэффициент, примененный к вектору текущей Z.
- $z_{N}$ - Вектор Z тока.
- ${\bar{z}}_{N - 1}$ - Скользящее среднее значение до предыдущего вектора Z.
- $(1 - \frac{1}{w_{N}}) {\bar{z}}_{N - 1}$ - Эффект предыдущих векторов Z в среднем.
- ${\bar{z}}_{N}$ - Скользящее среднее значение с учетом вектора текущей Z.

Ссылки

[1] Hayes, Monson H. Statistical Digital Signal Processing and Modeling. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 1996.

[2] Кей, Стивен М. Современная спектральная оценка: теория и применение. Englewood Cliffs, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1999.

[3] Стоика, Петре и Рэндольф Л. Мозес. Спектральный анализ сигналов. Englewood Cliffs, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2005.

[4] Welch, P.D. «Использование быстрого преобразования Фурье для оценки спектров степени: метод, основанный на усреднении времени по коротким, измененным периодограммам». Транзакции IEEE по аудио и электроакустике. Том 15, № 2, июнь 1967, с. 70-73.

[5] Спецификация Bluetooth версии 4.2. Bluetooth SIG. Декабрь 2014, с. 217. Спецификация системы Bluetooth

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

См. также

Введенный в R2015b

Документация

Spectrum Estimator

Библиотека

Описание