经典功率谱设计

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DSP实验报告
实验题目:实验功率谱估计


一、实验要求:
1)理解功率谱估计的基本概念;
2)掌握经典功率谱估计方法——直接法和间接法;3)掌握改进的经典功率谱估计方法,例如Welch法。
二、实验内容与原理:
功率谱估计就是基于有限的数据寻找信号、随机过程或系统的频率成分。表示随机信号频率域的统计特性。随机信号是无始无终具有无限能量的,所以其傅立叶变换并不存在,因为它不满足绝对可积的条件。因此需要研究其在频率域上的功率分布情况,即功率谱密度或功率谱。
根据实验要求,完成该实验首先要正确的生成被估计信号x(nx(n数据的长度和FFT所用的数据长度都设为1024
1.周期图法:
直接法,即周期图法,是由傅立叶变换得到的:将随机信号x(nN点样本值xN(n看作能量有限信号,取其傅立叶变换,得到XN(ejw;然后再取其幅值的平方,并除以N作为x(n的真实功率谱P(ejw的估计,即
P(ejw
1
|XN(w|2N
实验中,将随机信号x(nN点样本值看作xN(n能量有限信号,取其傅立叶变换,得到X,然后再取其幅值的平方,并除以N作为x(n的真实功率谱P的估计。
2.间接法:
BTN
x(0,...,x(N1,估计出自相关函数RN(m,然后再求RN(m的傅立叶变换作为

功率谱的估计:
S(e
jw
mM
R
M
N
(mejwm|M|N1

即如下计算:
1
ˆx(mr
N
x
n0
N1
N
(nxN(nm
1N
N1m

n0
xN(nxN(nm
|m|N1
ˆ(PBT
mM

M
ˆx(mejmv(mr
MN1
实验中由随机信号N个观察值估计出自相关函数R(m,然后再求R(m傅立叶变换作为功率谱的估计PBT
直接法和间接法的方差性能很差,而且当数据长度太大时,谱曲线起伏加剧;若数据长度太小,则谱的分辨率又不好,所以需要改进。改进的直接谱估计方法Bartlett法和Welch法。
3.BARTLETT算法
Bartlett法将采样数据xN(n分成L段,每段的长度都是M,即N=LM,对
ii
(wPPER(w对应相加,再取每段数据加矩形窗,再计算其各自的功率谱PPER
平均,得到平均周期图PPER(w。即如下过程:
首先将观测数据分为L段,每段长M,分段后的数据可以用式(1表示:
i
xM(nx(niM
_
i0,1,...,L1n0,1,...,M1LMN(1
其中
iX(xM(nejniM
n0M1
平均的周期图为:
1L1ˆi
Pper(Pper(
Li0
_

BARTLETT法是周期图算法的一种改进。由概率论的知识知道,如果
X1,X2
XNN个不相关的随机变量,每个随机变量的期望值为,方差为
2
2,那么将这N个随机变量求平均,它的期望仍为,方差变为NBARTLETT法即是受此启发,将观测数据分段,先求每段数据的周期图,再求平均的周期图,当分段较多时,估计出的功率谱较平滑,频率分辨率较差;当分段较少时,估计出的功率谱起伏较大,频率分辨率较好。
4.WELCH算法
Welch法是对Bartlett法的改进:一,在对xN(n分段时,可允许每段数据有部分重叠;二,每段数据窗口可以不是矩形窗口,例如使用汉宁窗或哈明窗,记d(n
P
iPER
Bartlett
M1n0
1M1i1
(w=|xN(nd(nejwn|2,其中U
MUn0M
d
2
(n。平均后的功率谱为:
(段数L
NM/2

M/2
1Li
PPER(wPPER(w
Li1
加窗的优点是使得无论对于什么样的窗函数均可以谱估计为非负值;二是在分段时,各段之间有重叠,这样会使方差减小。
三、实验目的:
分别用四种不同的发放进行功率谱估计,并对比结果。
四、实验程序:
clear;
%数据的长度和FFT所用的数据长度nfft=1024;N=1024;%每段长度Ns=256;
%产生含有噪声的序列xnn=[0:N-1];

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/384bdb56b9f67c1cfad6195f312b3169a551ea0e.html

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