Spectrum Estimator

Оцените спектр плотности энергии или спектр мощности

Библиотека

Оценка / Оценка Спектра мощности

dspspect3

Описание

Блок Spectrum Estimator выводит спектр мощности или спектр плотности энергии действительного или комплексного входного сигнала, с помощью валлийского метода усредненных модифицированных периодограмм и подхода набора фильтров.

Когда вы выбираете подход набора фильтров, блок использует аналитический набор фильтров, чтобы оценить спектр мощности. Подход набора фильтров производит спектральную оценку с более высоким разрешением, более точный уровень шума и другие точный peaks, чем валлийский метод, с низким или никакой спектральной утечкой. Они прибывают за счет увеличенного расчета и более медленного отслеживания.

Когда вы выбираете валлийский метод, блок вычисляет усредненные модифицированные периодограммы, чтобы вычислить спектральную оценку. Буфера блоков входные данные в перекрывающиеся сегменты. Используйте параметры блоков, чтобы установить длину сегментов данных, перекрытия объема данных между последовательными сегментами и других функций спектра мощности.

Для получения дополнительной информации о валлийском методе и методе набора фильтров, см. Алгоритмы.

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

Параметры

Основная вкладка

Method

Задайте спектральный метод оценки.

Filter bank (значение по умолчанию) — Аналитический набор фильтров разделяет широкополосный входной сигнал в несколько узких поддиапазонов. Блок вычисляет степень в каждом узком диапазоне частот, и вычисленное значение является спектральной оценкой по соответствующему диапазону частот.
Welch — Блок использует валлийский усредненный модифицированный метод периодограмм, чтобы вычислить спектр мощности по узким поддиапазонам.

Number of taps per band

Задайте количество коэффициентов фильтра или касания, для каждого диапазона частот. Это значение соответствует количеству коэффициентов фильтра на многофазную ветвь. Общее количество коэффициентов фильтра равно временам Number of taps per band длина БПФ.

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

Spectrum type

Тип спектра, чтобы вычислить. Можно установить этот параметр на:

Power (значение по умолчанию) — Вычисляет спектр мощности.
Power density — Вычислите спектральную плотность мощности.

Этот параметр является ненастраиваемым.

Frequency resolution method

Метод разрешения частоты. Можно установить этот параметр на:

Auto (значение по умолчанию) — Блок Spectrum Estimator вычисляет полосу пропускания разрешения (RBW) так, чтобы промежуток частоты соответствовал 1024 интервалам RBW.
- Валлийский метод — длина окна, winLen, вычисляется с помощью $w i n L e n = N E N B W \times F s / R B W$ . NENBW является эквивалентной шумовой полосой окна, и Fs является частотой дискретизации.
- Метод набора фильтров — длина БПФ является потолком отношения Sample rate (Hz) к вычисленной полосе пропускания разрешения.
RBW — Задайте полосу пропускания разрешения, которая используется, чтобы определить длину окна (валлийский метод) или длину БПФ (метод набора фильтров). Когда блок использует валлийский метод, поведение эквивалентно тому из 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 является эквивалентной шумовой полосой окна, и Fs является частотой дискретизации. Длина БПФ равна потолку отношения Sample rate (Hz) к RBW (Hz).
Window length — Задайте окно или длину сегмента, чтобы использовать в валлийском алгоритме. Эта опция появляется, когда вы устанавливаете Method на Welch.
Number of frequency bands — Задайте количество многофазных ветвей аналитического набора фильтров. Это значение соответствует длине БПФ, которую использует набор фильтров. Эта опция появляется, когда вы устанавливаете Method на Filter bank.

Этот параметр является ненастраиваемым.

RBW (Hz)

Полоса пропускания разрешения в виде положительной скалярной величины в Гц. Значением по умолчанию является 5. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Frequency resolution method на RBW. Потолок отношения промежутка частоты к RBW должен быть больше 2.

Этот параметр является ненастраиваемым.

Number of bands source

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

Same as input frame length (значение по умолчанию) — Длина БПФ установлена в формат кадра входа.
Specify on dialog — Длина БПФ является значением, которое вы задаете в Number of bands.

Этот параметр является ненастраиваемым.

Number of bands

Количество диапазонов частот или длина БПФ набор фильтров используется для расчета степени спектральная оценка в виде положительной скалярной величины. Значением 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 является ненастраиваемым.

Window length source

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

Same as input frame length (значение по умолчанию) — Длина окна установлена в формат кадра входа. Задайте эту опцию, чтобы получить поведение, эквивалентное тому из блока Periodogram.
Specify on dialog — Длина окна является значением, которое вы задаете в параметре Window length.

Этот параметр является ненастраиваемым.

Window length

Длина окна использовалась для расчета оценки спектра в виде положительного целочисленного скаляра, больше, чем 2. Значением 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 является ненастраиваемым.

FFT length source

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

Auto (значение по умолчанию) — Блок устанавливает длину БПФ на формат кадра входа.
Property — Блок устанавливает длину БПФ на значение, которое вы задаете в FFT length.

Этот параметр является ненастраиваемым.

FFT length

Длина БПФ использовалась для расчета оценок спектра в виде положительного целочисленного скаляра. Этот параметр применяется, когда вы устанавливаете Method на Welch, Frequency resolution method к Window length, и FFT length source к Property. Значением по умолчанию является 1024. Этот параметр является ненастраиваемым.

Inherit sample rate from input

Когда вы устанавливаете этот флажок, частота дискретизации блока вычисляется как N/_Ts, где N является форматом кадра входного сигнала, и _Ts является шагом расчета входного сигнала.

Этот флажок применяется, когда вы выполняете одно из следующих действий:

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

Когда вы снимаете этот флажок, частота дискретизации блока является значением, которое вы задаете в Sample rate (Hz). По умолчанию этот флажок устанавливается. Этот параметр является ненастраиваемым.

Sample rate (Hz)

Частота дискретизации входного сигнала в виде положительной скалярной величины. Значением по умолчанию является 44100. Этот параметр применяется, когда вы выполняете одно из следующих действий:

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

Этот параметр является ненастраиваемым.

Window function

Функция окна валлийский алгоритм использует в виде одного из Chebyshev | Flat Top | Hamming | Hann | Kaiser | Rectangular. Этот параметр появляется, когда вы устанавливаете Method на Welch. Значением по умолчанию является Hann. Этот параметр является ненастраиваемым.

Sidelobe attenuation of window (dB)

Затухание бокового лепестка окна в виде действительной положительной скалярной величины, больше, чем или равный 45, в дБ. Значением по умолчанию является 60. Этот параметр появляется, когда вы устанавливаете Method на Welch и Window function к Chebyshev или Kaiser. Этот параметр является ненастраиваемым.

Averaging method

Задайте метод усреднения как Exponential (значение по умолчанию) или Running. В экспоненциальном методе блок вычисляет среднее значение по выборкам, взвешенным экспоненциально фактором упущения затухания. В рабочем методе усреднения блок вычисляет одинаково взвешенное среднее конкретного количества оценок спектра, заданных параметром Number of spectral averages.

Number of spectral averages

Количество спектральных средних значений в виде положительного целочисленного скаляра. Значением по умолчанию является 1. Средство оценки спектра вычисляет текущую оценку спектра мощности путем усреднения последних оценок спектра мощности N, где N является количеством спектральных средних значений, заданных в Number of spectral averages. Этот параметр является ненастраиваемым.

Этот параметр применяется, когда Averaging method установлен в Running.

Specify forgetting factor from input port

Установите этот флажок, чтобы задать фактор упущения от входного порта. Когда вы не устанавливаете этот флажок, фактор упущения задан через параметр Forgetting factor.

Этот параметр применяется, когда Averaging method установлен в Exponential.

Forgetting factor

Задайте экспоненциальный фактор упущения взвешивания как скалярное значение, больше, чем нуль и меньшее, чем или равный одному. Значением 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 в виде скаляра от 0 и 100Значение по умолчанию 0. Чтобы включить этот параметр, на Main Tab, устанавливают Method на Welch. Этот параметр является ненастраиваемым.

Reference load (ohms)

Загрузка, используемая в качестве ссылки, чтобы вычислить значения степени в виде действительной положительной скалярной величины, описанной в Омах. Значением по умолчанию является 1. Этот параметр является ненастраиваемым.

Frequency range

Частотный диапазон средства оценки спектра. Можно установить этот параметр на:

One-sided — Средство оценки спектра вычисляет односторонний спектр действительного входного сигнала. Когда длина БПФ, NFFT, является четным, оценка спектра имеет длину (NFFT/2) + 1 и вычисляется по частотному диапазону [0 SampleRate/2]. SampleRate частота дискретизации входного сигнала. Когда NFFT является нечетным, оценка спектра имеет длину (NFFT+ 1)/2 и вычисляется по частотному диапазону [ 0 SampleRate/2).
Two-sided — Средство оценки спектра вычисляет двухсторонний спектр комплексного или действительного входного сигнала. Длина оценки спектра равна длине БПФ. Оценка спектра вычисляется по частотному диапазону [ 0 SampleRate), где SampleRate частота дискретизации входного сигнала.
Centered (значение по умолчанию) — Средство оценки спектра вычисляет двухсторонний спектр в центре комплексного или действительного входного сигнала. Длина оценки спектра равна длине БПФ. Оценка спектра вычисляется по частотному диапазону ( -SampleRate/2 SampleRate/2] когда длина БПФ является четной и (-SampleRate/2 SampleRate/2) когда длина БПФ является нечетной.

Этот параметр является ненастраиваемым.

Power units

Модули раньше измеряли степень. Можно установить этот параметр на:

'Watts' (значение по умолчанию) — Средство оценки спектра измеряет мощность в ваттах.
'dBw' — Средство оценки спектра измеряет степень в децибелах-ваттах.
'dBm' — Средство оценки спектра измеряет степень в милливаттах децибела.

Этот параметр является ненастраиваемым.

Output max-hold spectrum

Когда вы устанавливаете этот флажок, блок вычисляет макс. - содержат спектр входного сигнала путем хранения, в каждом интервале частоты, максимальном значении всех оценок спектра мощности. По умолчанию этот флажок не устанавливается. Этот параметр является ненастраиваемым.

Output min-hold spectrum

Когда вы устанавливаете этот флажок, блок вычисляет спектр хранения min входного сигнала путем хранения, в каждом интервале частоты, минимальном значении всех оценок спектра мощности. По умолчанию этот флажок не устанавливается. Этот параметр является ненастраиваемым.

Output frequency vector

Когда вы устанавливаете этот флажок, блок выводит вектор частоты. По умолчанию этот флажок не устанавливается. Этот параметр является ненастраиваемым.

Output effective RBW

Когда вы устанавливаете этот флажок, блок вычисляет эффективную полосу пропускания разрешения. По умолчанию этот флажок не устанавливается. Этот параметр является ненастраиваемым.

Simulate using

Тип симуляции, чтобы запуститься. Можно установить этот параметр на:

Code generation (значение по умолчанию) — Модель Simulate с помощью сгенерированного кода C. В первый раз вы запускаете симуляцию, Simulink^® генерирует код С для блока. Код С снова используется для последующих симуляций, пока модель не изменяется. Эта опция требует дополнительного времени запуска, но обеспечивает более быструю скорость симуляции, чем Interpreted execution.
Interpreted execution — Симулируйте модель с помощью MATLAB^® интерпретатор. Эта опция сокращает время запуска, но имеет более медленную скорость симуляции, чем Code generation.

Пример

Оцените Спектральную плотность мощности (PSD) сигнала щебета использование блока Spectrum Estimator. Сравните данные PSD с Bluetooth^® спектральная маска и определяет, выполняют ли данные PSD маску.

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

Входной сигнал

Вход с блоком Spectrum Estimator является сигналом щебета, встроенным в Гауссов шум с нулевым средним значением и отклонением 0.01. Сигнал щебета усилен с усилением, включают область значений [0 1].

Спектральная маска

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

Живая обработка

Блок Spectrum Estimator оценивает PSD щебета. В этом примере данные PSD по сравнению со спектральной маской. Блок Display показывает 1 или 0В зависимости от того, являются ли спектральные данные в маске или нет. В процессе моделирования можно изменить степень во входном сигнале путем перемещения ползунка в блок Slider Gain. Одновременно, можно просмотреть это изменение в блоке Array Plot.

Поддерживаемые типы данных

Порт	Поддерживаемые типы данных
Входной параметр	Плавающая точка двойной точности Плавающая точка с одинарной точностью
Вывод	Плавающая точка двойной точности Плавающая точка с одинарной точностью

Алгоритмы

развернуть все

Метод валлийцев усредненных модифицированных периодограмм

Когда вы выбираете валлийский метод, оценка спектра мощности усреднена измененные периодограммы.

Учитывая вход сигнала, x:

Умножьте x окном и шкалой результат степенью окна.
Вычислите БПФ сигнала, Y, и возьмите квадратную величину с помощью Z = Y.*conj(Y).
Вычислите текущую оценку спектра мощности путем взятия скользящего среднего значения последнего количества N Z и масштабирования ответа частотой дискретизации. Для получения дополнительной информации на методах скользящего среднего значения, смотрите Метод усреднения.

Набор фильтров

Основанное на наборе фильтров средство оценки спектра использует аналитический набор фильтров, чтобы оценить спектр мощности. Набор фильтров разделяет широкополосный входной сигнал, x(n), частоты дискретизации fs в несколько узкополосных сигналов, _y0(m), _y1(m), …, _yM-1(m), частоты дискретизации fs/M.

Переменная M представляет количество диапазонов частот в наборе фильтров. Когда вы задаете длину БПФ, M равняется длине БПФ. Когда вы не задаете длину БПФ, M равен количеству строк во входном сигнале. Количество касаний на диапазон частот определяет номер коэффициентов фильтра для каждого диапазона частот набора фильтров. Общее количество коэффициентов фильтра равно количеству касаний во времена полосы количество диапазонов частот M. Для получения дополнительной информации об аналитическом наборе фильтров и как это реализовано, смотрите Больше Об и разделы Алгоритма в dsp.Channelizer.

После того, как широкополосный входной сигнал разделен в несколько узких полос, средство оценки спектра вычисляет степень в каждой узкой полосе с помощью следующего уравнения. Каждое значение _Zi становится оценкой степени по тому узкому диапазону частот.

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

L является длиной узкополосного сигнала _yi(m), где i = 1, 2, …, M −1.

Значения степени во всех узких полосах (обозначенный _Zi) формируют вектор Z.

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

Алгоритм средства оценки набора фильтров составляет в среднем текущий вектор Z с предыдущими векторами Z с помощью одного из двух методов скользящего среднего значения: выполнение или экспоненциальное взвешивание. Выход операции усреднения формирует спектральный оценочный вектор. Для получения дополнительной информации на этих двух методах усреднения, смотрите Метод усреднения.

Метод усреднения

Скользящее среднее значение вычисляется с помощью одного из этих двух методов:

Running — Для каждой системы координат входа насчитайте последний N - масштабировал векторы Z, которые вычисляются алгоритмом. Переменная N является значением, которое вы задаете для количества спектральных средних значений. Если алгоритм не имеет достаточного количества векторов Z, алгоритм использует нули, чтобы заполнить пустые элементы.
Exponential — Алгоритм скользящего среднего значения с помощью экспоненциального метода взвешивания обновляет веса и вычисляет скользящее среднее значение рекурсивно для каждого вектора Z, который входит при помощи следующих рекурсивных уравнений:
$\begin{array}{l} w_{N} = λ w_{N - 1} + 1 \\ {\bar{z}}_{N} = (1 - \frac{1}{w_{N}}) {\bar{z}}_{N - 1} + (\frac{1}{w_{N}}) z_{N} \end{array}$
- λ — Упущение фактора
- $w_{N}$ — Взвешивание фактора применилось к текущему вектору Z
- $z_{N}$ — Текущий вектор Z
- ${\bar{z}}_{N - 1}$ — 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 включая текущий вектор Z

Ссылки

[1] Hayes, Монсон Х. Статистическая цифровая обработка сигналов и моделирование. Хобокен, NJ: John Wiley & Sons, 1996.

[2] Кей, Стивен М. Современная спектральная оценка: теория и приложение. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1999.

[3] Stoica, Петр и Рэндольф Л. Моисей. Спектральный анализ сигналов. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2005.

[4] Валлийский язык, P. D. “Использование Быстрого преобразования Фурье для Оценки Спектров мощности: Метод На основе Усреднения во времени По Коротким, Модифицированным Периодограммам”. Транзакции IEEE на Аудио и Электроакустике. Издание 15, № 2, июнь 1967, стр 70–73.

[5] Версия 4.2 Спецификации Bluetooth. SIG Bluetooth. Декабрь 2014, p. 217. Спецификация Системы Bluetooth

Расширенные возможности

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

Смотрите также

Введенный в R2015b

Документация

Spectrum Estimator

Библиотека

Описание