概述
功率谱密度(Power Spectral Density)一般对宽带谱(noise)而言,因为理想的点频信号(monochromatic signal) 频谱为delta函数,没有密度可言。
所以求解功率谱密度,一般对噪声或宽带谱而言。
在电学上功率谱密度其单位量纲为W/Hz,V^2/Hz,A^2/Hz等等不一而足(其他学科量纲这里不讨论)。
求解功率谱密度常用的方法有周期图法和自相关法。
根据wiener-Khinchin,功率谱密度为信号自相关函数的傅立叶变换,通过求信号的自相关函数,继而求解其傅立叶变换,
则可以获得其功率谱。这就是所谓的自相关法;
周期图法其实就是直接通过信号傅立叶变换后,对幅值取均方获得。
在实际运算中,我们总是对有限长度的数据对信号进行功率谱密度的评估。所以如何计算才能获得正确的功率谱密度呢?
假设x(t)是宽带信号,x(n)是其采样后的离散信号,X(k)为离散傅立叶变换的离散频谱,P(k)为我们要求的功率谱密度。
N为采集点数;
那么:
X(K) = DFT {X(n)}或FFT{x(n)} K = 0....N-1;
G(K) = 2* (|X(K)|/N)^2;K=1,...N/2-1;(G(K)为中间变量)
此刻求得P(K)还不是最终的功率谱密度,需要进一步对频率分辨率df进行归一化:
P(K) = G(K)/df;K=1,...N/2-1;
这就是周期图法求解功率谱密度函数,
至于自相关法,与之类似,则不再谈论。
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1 对每一分段数据进行FFT变换,并求的幅值谱
2 对幅值谱进行平方
3 将双边谱转化为单边谱
4除以频率分辨率
举个例子:
幅值为1,频率为16Hz的正弦信号,使用1024Hz采样,2048点进行功率谱密度计算,频率分辨率为1024/2048=0.5Hz,求出的功率谱单边谱在第32根谱线处的值为1,解释为:信号FFT变换后得到的双边谱,幅值分别为0.5,平方后为0.25,转化为单边乘2为0.5,在除以频率分辨率为1。将1乘以0.5,正好为该信号有效值0.707的平方。
最后
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