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谱估计的分类及应用
一、谱估计的分类
1 经典功率谱估计
1.1 相关函数法(BT法)
该方法先由序列 x(n)估计出自相关函数 R(n), 然后对 R(n)进行傅立叶变换, 便得到 x(n)的功率谱估计。 当延迟与数据长度相比很小时,可以有良好的估计精度。
Matlab 代码示例 1:
Fs=500;%采样频率
n=0:1/Fs:1;
%产生含有噪声的序列
xn=cos(2*pi*40*n)+3*cos(2*pi*90*n)+randn(size(n));
nfft=512;
cxn=xcorr(xn, unbiased ); %计算序列的自相关函数
CXk=fft(cxn,nfft);
Pxx=abs(CXk);
index=0:round(nfft/2- 1);
k=index*Fs/nfft;
plot_Pxx=10*log10(Pxx(index+1));
figure(1)%
plot(k,plot_Pxx);
1.2 周期图法( periodogram)
周期图法是把随机序列 x(n)的 N个观测数据视为一能量有限的序列, 直接计算 x(n)的离散傅立叶变换,得 X(k), 然后再取其幅值的平方, 并除以 N, 作为序列x(n)真实功率谱的估计。
Matlab 代码示例 2:
Fs=600; %采样频率
n=0:1/Fs:1;%产生含有噪声的序列
xn=cos(2*pi*40*n)+3*cos(2*pi*90*n)+0.1*randn(size(n));
window=boxcar(length(xn));%矩形窗
nfft=512;
[Pxx,f]=periodogram(xn,window,nfft,Fs);%直接法
plot(f,10*log10(Pxx));
window=boxcar(length(xn));%矩形窗
nfft=1024;
[Pxx,f]=periodogram(xn,window,nfft,Fs); %直接法
figure(1)
plot(f,10*log10(Pxx));
对于周期图的功率谱估计, 当数据长度 N 太大时, 谱曲线起伏加剧, 若 N 太小, 谱的分辨率又不好,因此需要改进。两种改进的估计法是平均周期图法和平滑平均周期图法。
1.3 平均周期图法(Bartlett): Bartlett 平均周期图的方法是将 N 点的有限长序列 x(n)分段求周期图再平均。
Matlab 代码示例 3:
fs=600;
n=0:1/fs:1;
xn=cos(2*pi*20*n)+3*cos(2*pi*90*n)+randn(size(n));
nfft=512;
window=hamming(nfft); %矩形窗
noverlap=0;%数据无重叠
p=0.9;%置信概率
[Pxx,Pxxc]=psd(xn,nfft,fs,window,noverlap,p);
index=0:round(nfft/2- 1);
k=index*fs/nfft;
plot_Pxx=10*log10(Pxx(index+1));
plot_Pxxc=10*log10(Pxxc(index+1));
figure(1)
plot(k,plot_Pxx);
figure(2)
plot(k,[plot_Pxx plot_Pxx- plot_Pxxc plot_Pxx+plot_Pxxc]);
1.4平滑平均周期图法(Welch 法):对 Bartlett 法进行了两方面的修正, 一是选择适当的窗函数 w(n), 并在周期图计算前直接加进去, 加窗的优点是无论什么样的窗函数均可使谱估计非负。二是在分段时, 可使各段之间有重叠,这样会使方差减小。
Matlab 代码示例 4:
Fs=600;
n=0:1/Fs:1;
xn=cos(2*pi*40*n)+3*cos(2*pi*90*n)+randn(size(n));
nfft=512;
window=boxcar(100);%矩形窗
window1=hamming(100);%海明窗
window2=blackman(100);%blackman 窗
noverlap=20; %数据无重叠
range= half ; %频率间隔为[0 Fs/2], 计算一半的频率
[Pxx,f]=pwelch(xn,window,noverlap,nfft,Fs,range);
[Pxx1,f]=pwelch(xn,window1,noverlap,nfft,Fs,range);
[Pxx2,f]=pwelch(xn,window2,noverlap,nfft,Fs,range);
plot_Pxx=10*log10(Pxx);
plot_Pxx1=10*log10(Pxx1);
plot_Pxx
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