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时间 - 周波数ギャラリー

このギャラリーでは,信号处理工具箱™および小波工具箱™で使用可能な时间 - 周波数解析关数の概要を示します说明と使用例で,信号解析に使用できるさまざまな方法を绍介しています。

方法 特徴 可逆性

短时间フーリエ変换(スペクトログラム)

  • 短时间フーリエ変换(STFT)の时间 - 周波数分解能は固定されます。

  • スペクトログラムは,STFTの振幅の2乘です。

  • STFT:あり

  • 频谱:なし

例:クジラの歌

连続ウェーブレット変换(スカログラム)

  • 连続ウェーブレット変换(CWT)の时间 - 周波数分解能は可変です。

  • CWTでは,时间シフトと时间スケーリングが维持されます。

あり

例:心电图信号

维格纳分布

  • 维格纳分布(WVD)は常に実数です。

  • 时间周辺密度と周波数周辺密度はそれぞれ,瞬时电力とスペクトルエネルギー密度に対応しています。

  • WVDの时间分解能は,入力サンプルの数に等しくなります。

なし

例:耳音響放射

再割り当てとシンクロスクイージング

  • 再割り当てにより,スペクトルの位置推定が鮮明になります。

  • シンクロスクイージングは,瞬時周波数の曲線の周囲の時間——周波数マップを“凝”縮します。

  • どちらの方法も,時間——周波数リッジの追跡と抽出に特に適しています。

  • pspectrum:なし

  • fsstWSST:あり

例:反響定位パルス

定Qガボール変换

  • Qガボール変换(CQT)は,可変サイズのウィンドウで时间 - 周波数平面をタイリングします。

  • ウィンドウには,适応性のある帯域幅およびサンプリング密度があります。

  • すべてのウィンドウの帯域幅に対する中心周波数の比率(Q系数)は一定です。

あり

例:ロック音楽

経験的モード分解とヒルベルト·ファン変换

  • 経験的モード分解(EMD)は,信号を固有モード关数に分解します。

  • ヒルベルト·ファン変换(HHT)は,各経験的モードの瞬时周波数を计算します。

なし

例:ベアリング振动

短时间フーリエ変换(スペクトログラム)

说明

  • “短时间フーリエ変换”は,非定常多成分信号の解析に役立つ线形时间 - 周波数表现です。

  • 短时间フーリエ変换は可逆変换です。

  • スペクトログラムは,STFTの振幅の2乘です。

  • 2つの信号のクロススペクトログラムを计算して,时间 - 周波数空间での类似度を调べることができます。

  • 信号の“パーシステンススペクトル”は,与えられた周波数が信号内に存在する時間の割合を示す時間——周波数領域の表示です。パーシステンススペクトルはパワー周波数空間のヒストグラムです。信号が変化する中で特定の周波数が信号内に存在する時間が長ければ長いほど,その時間の割合は大きくなるため,表示内の色が明るく(“熱く”)なります。

考えられる用途

この时间 - 周波数手法の用途には以下のものが含まれますが,これらに限定されません。

  • 音声信号处理:基本波周波数推定,クロス合成,スペクトル包络线抽出,时间 - スケール変更,タイムストレッチ,ピッチシフト(详细は異なる合成ウィンドウと解析ウィンドウをもつフェーズボコーダーを参照)。

  • きれつ検出:超音波ラム波の分散曲线を使用した,アルミニウム板のきれつの検出。

  • センサー配列处理:ソナー探查,物理探查,ビームフォーミング。

  • デジタル通信:周波数ホッピング信号の検出。

使用方法

  • STFTは短時間フーリエ変換を計算します。短時間フーリエ変換の逆変換を行うには,関数ISTFTを使用します。

  • pspectrumまたは频谱はスペクトログラムを计算します。

  • xspectrogramは2つの信号のクロススペクトログラムを計算します。

  • 信号アナライザーのスペクトログラム表示を使用して,信号のスペクトログラムを表示することもできます。

  • pspectrumまたは信号アナライザーのパーシステンススペクトルオプションを使用して,他の信号の中に隠れている信号を识别します。

例:パルスと振動

5千赫で4秒间サンプリングされた信号を生成します。信号は,振动する振幅の领域および増加倾向で変动する周波数の领域によって分离された,持続时间が减少していく一连のパルスで构成されています。

fs = 5000;t = 0:1 / fs: 4 - 1 / f;x = 10 * besselj(0, 1000 *(罪(2 *π* (t + 2) ^ 3/60)。^ 5));

信号の短时间フーリエ変换を计算してプロットします。形状系数 β = 三十 200年でサンプルのカイザーウィンドウを使用して,信号にウィンドウを適用します。

STFT(X,FS,'窗口'凯瑟(200,30))

例:减少するチャープを持つオーディオ信号

减少する2つのチャープと広帯域のスプラッター音を含むオーディオ信号を読み込みます。

加载图示

オーバーラップの长さを96サンプルに设定します。短时间フーリエ変换をプロットします。

STFT(Y,FS,'OverlapLength',96)

例:クジラの歌

4千赫でサンプリングされた太平洋のシロナガスクジラのオーディオデータを含むファイルを読み込みます。ファイルは,コーネル大学の生物音响学研究プログラムが管理する动物発声ライブラリのものです。データの时间スケールは,音の高さを上げ鸣き声を闻き取りやすくするために系数10で圧缩されています。

whaleFile = fullfile (matlabroot,“例子”'MATLAB'“bluewhale.au”);[W,FS] = audioread(whaleFile);

80%のオーバーラップ率でクジラの歌のスペクトログラムを计算します。スペクトログラムの最小しきい値を-50年dBに設定します。

pspectrum(W,FS,“频谱”'泄漏',0.2,'OverlapPercent'80,“MinThreshold”,-50)

例:過渡信号のパーシステンススペクトル

広帯域信号に組み込まれた狭帯域の干渉信号を読み込みます。

加载TransientSig

信号のパーシステンススペクトルを计算します。両方の信号成分が明了に表示されます。

pspectrum(X,FS,“持久性”...'FrequencyLimits',[100 290],“TimeResolution”,1)

连続ウェーブレット変换(スカログラム)

说明

  • ウェーブレット変换は,时间シフトと时间スケーリングを维持する线形时间 - 周波数表现です。

  • “连続ウェーブレット変换”は,非定常信号の過渡状態の検出や,瞬時周波数が急速に増大する信号に適しています。

  • CWTは可逆変换です。

  • CWTは,可変サイズのウィンドウで时间。 - 周波数平面をタイリングしますウィンドウの时间の幅は,低周波数の现象に适するように,自动的に広がりますまた,高周波数の现象の场合は狭くなります。

考えられる用途

この时间 - 周波数手法の用途には以下のものが含まれますが,これらに限定されません。

  • 心电図(ECG):ECG信号の临床的に最も有用な情报は,连続した波形の时间间隔と特徴によって定义される振幅にありますウェーブレット変换はECG信号をスケールに分解し,さまざまな周波数范囲のECG信号の解析を容易にします。

  • 脳波図(EEG):生のEEG信号は空间分解能とS / N比が低く,アーティファクトが発生しますノイズ信号の连続ウェーブレット分解は,ノイズのランダム分布を変更せずに,大きな绝対値を持ついくつかのウェーブレット系数に固有の信号情报を集中させます。そのため,ウェーブレット系数をしきい値处理することでノイズ除去ができます。

  • 信号復調:适応ウェーブレット构成手法を使用して,“拡张2位相シフトキーイング(EBPSK)”を复调します。

  • 深層学習:CWTを使用して,畳み込みニューラルネットワークの学习に使用できる时间 - 周波数表现を作成できます。分类时间序列的小波分析和深入学习(小波工具箱)は,スカログラムと転移学习を使用してECG信号を分类する方法を示しています。

使用方法

  • 英担は连続ウェーブレット変换を计算し,スカログラムを表示します。または,cwtfilterbankを使用してCWTフィルターバンクを作成し,関数重量を适用します。この手法は,并列化アプリケーションで実行する场合や,ループ内にある复数の关数の変换を计算する场合に使用します。

  • ICWTは連続ウェーブレット変換の逆変換を行います。

  • 信号アナライザーには,复数の时系列のCWTを可视化するスカログラム表示があります。

例:心电图信号

360赫兹でサンプリングされたノイズの多いECG波形を読み込みます。

加载心电图Fs = 360;

连続ウェーブレット変换を计算します。

类(ecg Fs)

心电图データはMIT-BIH心律失常数据库から取得されたものです[2]。

维格纳分布

说明

  • “维格纳分布”(项)は信号をその信号の時間と周波数が変換された複素共役バージョンと相関させることで計算される二次エネルギー密度です。

  • 维格纳分布は,信号が复素数の场合でも常に実数です。

  • 时间周辺密度と周波数周辺密度はそれぞれ,瞬时电力とスペクトルエネルギー密度に対応しています。

  • 瞬时周波数と群遅延は,维格纳分布の局所的1次モーメントを使用して评価できます。

  • WVDの时间分解能は,入力サンプルの数に等しくなります。

  • 维格纳分布は,局所的に负の値を想定できます。

考えられる用途

この时间 - 周波数手法の用途には以下のものが含まれますが,これらに限定されません。

  • 耳音響放射(探索):OAEは蜗牛(内耳)から発せられる狭帯域振动信号で,これがあることは正常な聴力を示します。

  • 量子力学:古典的な统计力学に対する量子补正,电子伝达のモデル化,多体量子システムの静的特性と动的特性の计算。

使用方法

例:耳音響放射

20千赫でサンプリングされた耳音响放射データを含むデータファイルを読み込みます。この放射は25ミリ秒から开始して175ミリ秒で终了するスティミュラスによって生成されました。

加载DPOAEFs = 20 e3;

耳音響データの平滑化疑似能量分布を計算します。簡易プロットは,放射の周波数をほぼ期待値の1.2 kHzで分離します。

WVD(dpoaets,FS,'smoothedPseudo',凯泽(511,10),凯瑟(511,10),'NumFrequencyPoints',4000,'NumTimePoints',3990)

耳音响放射の详细については,CWTによる时间 - 周波数解析(小波工具箱)の「解析CWTによる正确な周波数の决定」を参照してください。

再割り当てとシンクロスクイージング

说明

  • “再割り当て”では,スペクトル推定の局所化が鮮明になり,読み取りと解釈の容易なスペクトログラムが作成されます。この手法では,各スペクトル推定はビンの幾何学的中心ではなく,そのビンのエネルギー中心に移動されます。これにより,チャープとインパルスの厳密な局所化が行われます。

  • “フーリエシンクロスクイーズド変换”は,短时间フーリエ変换から开始し,时间 - 周波数平面で瞬时周波数の曲线の周囲に集中するようにその値を “押し込み” ます。

  • “ウェーブレットシンクロスクイーズド変換”は,信号エネルギーを周波数で再割り当てします。

  • フーリエシンクロスクイーズド変換とウェーブレットシンクロスクイーズド変換は両方とも可逆変換です。

  • 再割り当て手法とシンクロスクイージング手法は,時間——周波数“リッジ”の追跡と抽出に特に適しています。

考えられる用途

この时间 - 周波数手法の用途には以下のものが含まれますが,これらに限定されません。

  • 音声信号处理:シンクロスクイージング変换(SST)は,元はオーディオ信号解析のコンテキストで导入されました。

  • 地震データ:石油トラップやガストラップを见つけるための地震データの解析シンクロスクイージングにより,地震データ内の通常は不鲜明な深层の弱い信号も検出できます。

  • 电力系统の振动:蒸気タービンと発电机は,さまざまなタービン段と発电机の间に机械的准同期振动(SSO)モードを持つことがあります.SSOの周波数は一般に5赫兹〜45赫兹であり,多くの场合,モード周波数は互いに近くなります.WSSTのノイズ低减机能と时间 - 周波数分解能により,时间 - 周波数の表示の可読性が向上します。

  • 深層学習:シンクロスクイーズド変换を使用して,时间 - 周波数の特徴を抽出し,时系列データを分类するネットワークに送ることができます。深层学习を使用した波形セグメンテーションは,ECG信号を分类するLSTMネットワークにfsst出力を送る方法を示しています。

使用方法

  • 频谱“重新分配”オプションを使用して,pspectrumの引数“重分配”真正に设定するか,信号アナライザーのスペクトログラム表示内の[再割り当て]ボックスをオンにして,再割り当てされたスペクトログラムを计算します。

  • fsstはフーリエシンクロスクイーズド変换を计算します。フーリエシンクロスクイーズド変换の逆変换を行うには,关数ifsstを使用します。(ifsstを使用した音声信号の再构成については,音声信号のフーリエシンクロスクイーズド変换を参照してください)。

  • WSSTはウェーブレットシンクロスクイーズド変換を計算します。ウェーブレットシンクロスクイーズド変換の逆変換を行うには,関数iwsstを使用します。(iwsstを使用した二次チャープの再構成については,逆变换Synchrosqueezed的啁啾(小波工具箱)を参照してください)。

例:反響定位パルス

オオクビワコウモリ(大棕鲇)の発する反响定位パルスを読み込みます。サンプリング间隔は7マイクロ秒です。

加载batsignalFs = 1 / DT;

信号の再割り当てされたスペクトログラムを計算します。

副区(2,1,1)pspectrum(batsignal,FS,“频谱”“TimeResolution”,280E-6,...'OverlapPercent'85,“MinThreshold”,-45,'泄漏'0.9)副区(2,1,2)pspectrum(batsignal,FS,“频谱”“TimeResolution”,280E-6,...'OverlapPercent'85,“MinThreshold”,-45,'泄漏',0.9%,“重新分配”,真正)

この例では,イリノイ大学贝克曼中心の柯蒂斯康登氏,肯·怀特氏,铝丰氏にコウモリのデータの提供および使用许可をいただきました。ご协力に谢意を申し上げます[3]。

例:音声信号

女性と男性が発声する“强劲”という単語が含まれているファイルを読み込みます。この信号は8 kHzでサンプリングされています。これらを1つの信号に連結します。

加载强大X = [她的 '他'];

信号のフーリエシンクロスクイーズド変换を计算します。形状系数 β = 20 のカイザーウィンドウを使用して,信号にウィンドウを适用します。

FSST(X,FS,凯瑟(256,20),“Y轴”

例:合成地震データ

100赫兹で1秒间サンプリングされた合成地震データを読み込みます。

加载SyntheticSeismicData

撞ウェーブレットとオクターブあたり30の音の数を使用して,地震データのウェーブレットシンクロスクイーズド変換を計算します。

WSST(X,FS,“撞击”'VoicesPerOctave'30,'ExtendSignal',真正)

地震信号は,(王平,Jinghuai高,王志国王着)『地震数据使用Synchrosqueezing变换的时频分析』で说明されている2つの正弦波を使用して生成されます[4]。

例:地震振动

地震の条件下で3阶建ての试験构造物の1阶で记录された加速度の测定値を読み込みます。この测定値は1千赫でサンプリングされています。

加载quakevibFs = 1 e3;

加速度の测定値のウェーブレットシンクロスクイーズド変换を计算します。循环动作を示す振动データを解析します。シンクロスクイーズド変换を使用すると,约11赫兹で区切られた3つの周波数成分を分离できます。主要な振动周波数は5.86赫兹で,等间隔の周波数ピークはこれらが调和的に关连していることを示しています。振动の循环动作も见られます。

WSST(gfloor1OL,FS,“撞击”'VoicesPerOctave'48)ylim (35 [0])

例:阪神淡路大震灾のデータ

1995年の阪神淡路大震灾の発生时に记录された地震计データを読み込みます。このデータのサンプルレートは1赫兹です。

加载科比FS = 1;

地震データのさまざまな周波数成分を分离するウェーブレットシンクロスクイーズド変换を计算します。

WSST(科比,FS,“撞击”'VoicesPerOctave',48)ylim([0 300])

このデータは,オーストラリアのホバートにあるタスマニア大学の地震計で1995年1月16日20:56:51 (GMT)から51分間にわたって1秒間隔で記録された測定値(垂直加速度,nm / sq.sec)です[5]。

例:电力系统の准同期振动

电力系统の准同期振动データを読み込みます。

加载OscillationData

凸点ウェーブレットとオクターブあたり48の音の数を使用して,ウェーブレットシンクロスクイーズド変换を计算します0.4つのモード周波数は,15赫兹,20赫兹,25赫兹,および32赫兹です0.15赫兹および20赫兹でのモードのエネルギーは时间と共に减少するのに対し,25赫兹および32赫兹でのモードのエネルギーは时间と共に徐々に増加することに注目してください。

WSST(X,FS,“撞击”'VoicesPerOctave'(48)ylim 50 [10])

この合成準同期振動データは,“Synchrosqueezed应用小波变换提取电力系统次同步振荡的振荡参数“で赵らにより定義されている方程式を使用して生成されました[6]。

Qガボール変换

说明

  • “定Q非定常ガボール変换”はさまざまな中心周波数と帯域幅のウィンドウを使用し,帯域幅に対する中心周波数の比率(Q系数)は一定のままです。

  • Qガボール変換では,安定した逆変換の構成が可能になり,信号の完全再構成ができます。

  • 周波数空间では,ウィンドウは対数的に等间隔の中心周波数を中心とします。

考えられる用途

この时间 - 周波数手法の用途には以下のものが含まれますが,これらに限定されません。

音声信号处理:音楽のトーンの基本周波数は,几何学的に配置されています人间の聴覚系の周波数分解能はほぼ定Qであるため,この手法は音楽信号处理に适しています。

使用方法

  • CQTは定Qガボール変換を計算します。

  • icqtは定Qガボール変换の逆変换を行います。

例:ロック音楽

ボーカル,ドラム,およびギターによるロック音楽の断章を含むオーディオファイルを読み込みます。この信号のサンプルレートは44.1千赫です。

加载

CQTが対数周波数応答を持つ周波数範囲を,最小許容周波数が2 kHzになるように設定します。オクターブごとに20のビンを使用して,信号のCQTを実行します。

minFreq = FS /长度(音频);maxFreq = 2000;CQT(音频,'采样频率',FS,'BinsPerOctave'20,'FrequencyLimits'[minFreq maxFreq])

経験的モード分解とヒルベルト·ファン変换

说明

  • “経験的モード分解”は,信号を“固有モード关数”に分解し,元の信号の完全でほぼ直交する基底を形成します。

  • “ヒルベルト·ファン変换”は,各固有モード关数の瞬时周波数を计算します。

  • これらの2つの手法を组み合わせると,非线形信号と非定常信号の解析に役立ちます。

考えられる用途

この时间 - 周波数手法の用途には以下のものが含まれますが,これらに限定されません。

  • 生体信号处理:大脳皮質の経頭蓋磁気刺激(TMS)に対する人間の脑电图応答を解析します。

  • 构造物に关する用途:梁や板にきれつ,层间剥离,刚性损失として现れる异常を见つけます。

  • システム同定:近接した间隔のモーダル周波数を持つ构造のモーダル减衰比を分离します。

  • 海洋工学:水中の电磁环境で人间によって引き起こされる过渡电磁による外乱を特定します。

  • 太阳物理学:黒点データの周期的な成分を抽出します。

  • 大気乱流:安定した境界层を観察して,乱流运动と非乱流运动を分离します。

  • 疫学:デング热などの伝染病の移动速度を评価します。

使用方法

例:ベアリング振动

振动信号のヒルベルトスペクトルの计算の例で生成された欠陥ベアリングの振动信号を読み込みます。この信号は10千赫のレートでサンプリングされています。

加载bearingVibration

信号の最初の5つの固有モード关数(IMF)を计算します。最初と3番目の経験的モードのヒルベルトスペクトルをプロットします。最初のモードでは,ベアリングの外轮への高周波数の影响による摩耗の増加が明らかになります0.3番目のモードは,ベアリングの欠陥の原因となった,测定プロセス中に発生している共振を示しています。

IMF = EMD(Y,'MaxNumIMF'5,“显示”,0);副区(2,1,1),HHT(IMF(:,1),FS)副区(2,1,2),HHT(IMF(:,3),FS,'FrequencyLimits',[0 100])

参照

[1]太平洋蓝鲸文件是从由康奈尔大学生物声学研究项目保持动物发声的文库中获得。

[2]穆迪G. B,马克R. G.的MIT-BIH心律失常数据库的影响。IEEE主机在医学和生物学20(3):45-50(2001年5月 - 6月)。(PMID:11446209)

[3]由于柯蒂斯康登,肯·怀特和贝克曼中心伊利诺伊大学的蝙蝠回声定位数据的铝丰。

[4]王,平高,J.,和Wang,IEEE地球科学遥感Letters,第12,第11期,2014年12月地震数据的Z.时频分析使用Synchrosqueezing变换。

记录于1995年1月16日澳大利亚霍巴特塔斯马尼亚大学的神户地震[5]地震仪(垂直加速度,nm/sq.sec),从20:56:51 (GMTRUE)开始,每隔1秒持续51分钟。

[6] Zhao等人。Synchrosqueezed小波变换的次同步振荡电力系统MDPI能量的振动参数的提取中的应用;发布时间2018年6月12。

[7] Boashash,布阿莱姆。时频信号分析与处理:一个全面的参考爱思唯尔,2016年

参考

アプリ

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