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spectrumAnalyzer
説明
spectrumAnalyzer オブジェクトは、周波数領域信号と、時間領域信号の周波数スペクトルを表示します。スコープには、スペクトル ビューとスペクトログラム ビューが表示されます。このオブジェクトは、平均修正ピリオドグラムのフィルター バンク法とウェルチ法を使用して、スペクトル推定を行います。スペクトル アナライザーの表示は、必要なデータと測定情報を表示するようにカスタマイズできます。詳細については、アルゴリズムを参照してください。スペクトル アナライザーでは、[Watts]、[dBm]、[dBW] の 3 つの単位で信号のパワー スペクトルを表示できます。これらの 3 つの単位の間でパワーを変換する方法の詳細については、単位間のパワーの変換を参照してください。
スペクトル アナライザーで信号のスペクトルを表示するには、次のようにします。
spectrumAnalyzerオブジェクトを作成し、そのプロパティを設定します。関数と同様に、引数を指定してオブジェクトを呼び出します。
作成
説明
scope = spectrumAnalyzer は、実信号または複素信号の周波数スペクトルを表示する spectrumAnalyzer オブジェクトを作成します。
scope = spectrumAnalyzer(Name=Value) は、1 つ以上の名前と値の引数を使用して、scope の既定以外のプロパティを指定します。たとえば、スペクトルとスペクトログラムの両方を表示するには、ViewType を "spectrum-and-spectrogram" に設定します。
プロパティ
使用法
説明
入力引数
オブジェクト関数
メモ
シミュレーションを最初から再開するには、reset を呼び出してスコープ ウィンドウの表示をクリアします。release の呼び出し後に reset を呼び出さないでください。
例
片側パワー スペクトルのスペクトル アナライザー
異なる振幅と周波数をもつ固定された実数の正弦波の和から作成された片側パワー スペクトルを表示します。
Fs = 100e6; % Sample rate fSz = 5000; % Frame size sin1 = dsp.SineWave(1e0,5e6,0,SamplesPerFrame=fSz,SampleRate=Fs); sin2 = dsp.SineWave(1e-1,15e6,0,SamplesPerFrame=fSz,SampleRate=Fs); sin3 = dsp.SineWave(1e-2,25e6,0,SamplesPerFrame=fSz,SampleRate=Fs); sin4 = dsp.SineWave(1e-3,35e6,0,SamplesPerFrame=fSz,SampleRate=Fs); sin5 = dsp.SineWave(1e-4,45e6,0,SamplesPerFrame=fSz,SampleRate=Fs); scope = spectrumAnalyzer(SampleRate=Fs,AveragingMethod="exponential",... PlotAsTwoSidedSpectrum=false,... RBWSource="auto",SpectrumUnits="dBW"); for idx = 1:250 y1 = sin1(); y2 = sin2(); y3 = sin3(); y4 = sin4(); y5 = sin5(); scope(y1+y2+y3+y4+y5+0.0001*randn(fSz,1)); end
関数 release を呼び出してプロパティ値と入力の特性を変更します。スコープは座標軸を自動スケーリングします。
release(scope)
関数 clear を実行してスペクトル アナライザー ウィンドウを閉じます。
clear('scope');両側パワー スペクトルのスペクトル アナライザー
スペクトル アナライザー上でノイズのある正弦波の両側パワー スペクトルを表示します。
sin = dsp.SineWave(Frequency=100,SampleRate=1000,... SamplesPerFrame=1000); scope = spectrumAnalyzer(SampleRate=sin.SampleRate); for ii = 1:250 x = sin() + 0.05*randn(1000,1); scope(x); end
関数 release を呼び出してプロパティ値と入力の特性を変更します。スコープは座標軸を自動的にスケーリングし、データが内部バッファーにある場合は表示をもう一度更新します。
release(scope);
MATLAB 関数 clear を実行してスペクトル アナライザー ウィンドウを閉じます。
clear('scope');チャープ信号のスペクトログラム
追加のランダム ノイズをもつチャープ信号のスペクトログラムをプロットします。
Fs = 233e3; frameSize = 20e3; chirp = dsp.Chirp(SampleRate=Fs,SamplesPerFrame=frameSize,... InitialFrequency=11e3,TargetFrequency=11e3+55e3); scope = spectrumAnalyzer(SampleRate=Fs,... AveragingMethod="exponential",... ForgettingFactor=0.3,ViewType="spectrogram",... RBWSource="property",RBW=500,... TimeSpanSource="property",TimeSpan=2); scope.PlotAsTwoSidedSpectrum = false; for idx = 1:50 y = chirp()+0.05*randn(frameSize,1); scope(y); end release(scope)
スペクトル推定からの周波数入力の表示
スペクトル アナライザーを使用して、ホワイト ガウス ノイズに組み込まれている正弦波のスペクトル推定から周波数入力を表示します。
初期化
dsp.SpectrumEstimator オブジェクトを 2 つ作成します。ウェルチ手法に基づくスペクトル推定法をハン ウィンドウで使用するように 1 つのオブジェクトを設定します。フィルター バンク推定を使用するようにもう 1 つのオブジェクトを設定します。サンプルあたりのサイクルが 0.16、0.2、0.205、0.25 の 4 つの正弦波を持つ、ノイズを含む正弦波入力信号を指定します。spectrumAnalyzer オブジェクトを使用してスペクトル推定を表示します。
FrameSize = 420; Fs = 1; Frequency = [0.16 0.2 0.205 0.25]; sinegen = dsp.SineWave(SampleRate=Fs,SamplesPerFrame=FrameSize,... Frequency=Frequency,Amplitude=[2e-5 1 0.05 0.5]); NoiseVar = 1e-10; numAvgs = 8; hannEstimator = dsp.SpectrumEstimator(PowerUnits="dBm",... Window="Hann",FrequencyRange="onesided",... SpectralAverages=numAvgs,SampleRate=Fs); filterBankEstimator = dsp.SpectrumEstimator(PowerUnits="dBm",... Method="Filter bank",FrequencyRange="onesided",... SpectralAverages=numAvgs,SampleRate=Fs); spectrumPlotter = spectrumAnalyzer(InputDomain="frequency",... SampleRate=Fs,SpectrumUnits="dBm",... YLimits=[-120,40],PlotAsTwoSidedSpectrum=false,... ChannelNames={'Hann window','Filter bank'},ShowLegend=true);
ストリーミング
入力をストリーミングします。スペクトル推定をスペクトル アナライザーで比較します。
for i = 1:1000 x = sum(sinegen(),2) + sqrt(NoiseVar)*randn(FrameSize,1); Pse_hann = hannEstimator(x); Pfb = filterBankEstimator(x); spectrumPlotter([Pse_hann,Pfb]) end
spectrumAnalyzer オブジェクトの測定データをプログラムによって取得
spectrumAnalyzer MATLAB® オブジェクトを使用して、ノイズを含む正弦波入力信号のパワー スペクトルを計算して表示します。次のプロパティを有効にすることで、スペクトル内のピーク、カーソルの配置、隣接チャネル電力比、および歪みの値を測定します。
PeakFinderCursorMeasurementsChannelMeasurementsDistortionMeasurements
初期化
入力正弦波は次の 2 つの周波数をもちます。1000 Hz、5000 Hz。これら 2 つの周波数を生成する 2 つの dsp.SineWave System object を作成します。パワー スペクトルを計算して表示する spectrumAnalyzer オブジェクトを作成します。
Fs = 44100; Sineobject1 = dsp.SineWave(SamplesPerFrame=1024,PhaseOffset=10,... SampleRate=Fs,Frequency=1000); Sineobject2 = dsp.SineWave(SamplesPerFrame=1024,... SampleRate=Fs,Frequency=5000); SA = spectrumAnalyzer(SampleRate=Fs,SpectrumType="power",... PlotAsTwoSidedSpectrum=false,ChannelNames={'Power spectrum of the input'},... YLimits=[-120 40],ShowLegend=true);
測定データの有効化
測定値を取得するには、Enabled プロパティを true に設定します。
SA.CursorMeasurements.Enabled = true; SA.ChannelMeasurements.Enabled = true; SA.PeakFinder.Enabled = true; SA.DistortionMeasurements.Enabled = true;
getMeasurementsData の使用
ノイズを含む正弦波入力信号でストリーミングを行い、spectrumAnalyzer オブジェクトを使用して信号のパワー スペクトルを推定します。スペクトルの特性を測定します。関数 getMeasurementsData を使用して、これらの測定値をプログラムによって取得します。関数 isNewDataReady は、新しいスペクトル データが存在すると true を返します。測定データを変数 data に格納します。
data = []; for Iter = 1:1000 Sinewave1 = Sineobject1(); Sinewave2 = Sineobject2(); Input = Sinewave1 + Sinewave2; NoisyInput = Input + 0.001*randn(1024,1); SA(NoisyInput); if SA.isNewDataReady data = [data;getMeasurementsData(SA)]; end end
スコープ ウィンドウの下部にあるペインに、有効にした測定値が表示されます。これらのペインの値は、変数 data の最後のタイム ステップの値と一致します。data の個々のフィールドにアクセスして、さまざまな測定値をプログラムによって取得できます。
ピーク値の比較
PeakFinder プロパティを使用してピーク値を指定します。data の最後のタイム ステップのピーク値がスペクトル アナライザー プロットの値と一致することを確認します。
peakvalues = data.PeakFinder(end).Value
peakvalues = 3×1
26.3957
22.7830
-57.9977
frequencieskHz = data.PeakFinder(end).Frequency/1000
frequencieskHz = 3×1
4.9957
0.9905
20.6719
スペクトル アナライザーのスコープ表示の MATLAB Figure への出力
R2023b 以降
関数 printToFigure を使用し、spectrumAnalyzer オブジェクトの表示ウィンドウを新しい MATLAB® Figure に出力します。
チャープ信号を生成し、spectrumAnalyzer オブジェクトを使用してチャープのスペクトルを表示します。
chirp = dsp.Chirp(SweepDirection="Bidirectional", ... TargetFrequency=2000, ... InitialFrequency=0,... TargetTime=400, ... SweepTime=400, ... SamplesPerFrame=1024, ... SampleRate=4000); scope = spectrumAnalyzer(AveragingMethod="exponential",... ForgettingFactor=0,SampleRate=4000); scope(chirp());
チャープのスペクトルを新しい MATLAB Figure に出力します。関数は Figure のハンドルを返します。
scopeFig = printToFigure(scope);
Figure scopeFig のハンドルを使用すると、Figure ウィンドウの外観と動作を変更できます。
Figure 名を指定し、Figure のサイズを 400×250 ピクセルに変更します。
scopeFig.Name="Spectrum of Chirp Signal"; scopeFig.NumberTitle="off"; scopeFig.Position=[1 1 400 250];
Figure に出力する際に引数 Visible を false に設定すると、Figure を非表示にすることができます。
scopeFig = printToFigure(scope,Visible=false);
制限
MATLAB Coder™ を使用した C/C++ コード生成をサポートしていません。スタンドアロン アプリケーションを生成するには、MATLAB Compiler™ を使用します。
オブジェクトの呼び出しを外部として扱うことで MEX コード生成をサポートします。
詳細
歪みの測定
高調波歪みと相互変調歪みを測定します。
[測定値] タブの [歪み] セクションで [歪み] ボタンをクリックすると、スペクトル アナライザー ウィンドウの下部で歪みパネルが開きます。このパネルには、入力信号のうち現在スコープに表示されている部分の高調波と歪みの測定値が表示されます。[測定値] タブの [歪み] セクションでは、歪みのタイプや高調波の数を指定したり、高調波にラベルを付けたりすることができます。
メモ
正確な測定のためには、基本信号 (高調波の場合) または主要トーン (相互変調の場合) がスプリアス成分や高調波成分よりも大きいことを確認してください。これを行うには、必要に応じてスペクトル アナライザーの分解能帯域幅 (RBW) を調整します。信号と高調波をスプリアス ノイズ成分から分離するのに十分なほど帯域幅が狭いことを確認してください。一般に、正弦波のピークとノイズ フロアとの差が 10 dB 以上となるように RBW の値を設定する必要があります。また、有効な測定値を取得するため別のスペクトル ウィンドウを選択することも必要な場合があります。
[歪みのタイプ] パラメーターは、以下のいずれかの値に設定できます。
高調波–– 入力が単一正弦波である場合は[高調波]を選択します。相互変調–– 入力が振幅の等しい 2 つの正弦波である場合は[相互変調]を選択します。相互変調を使用すると、利用可能な帯域幅のごく一部のみがスコープで使用されている場合に歪みを判断できます。
歪み測定の計算方法の詳細については、歪みの測定を参照してください。
[歪みのタイプ] を [高調波] に設定すると、スペクトル アナライザー ウィンドウの下部にある [高調波歪み] パネルに次のフィールドが表示されます。
H1 — 基本周波数 (Hz 単位) および 1 mW を基準とした測定電力のデシベル (dBm)。
H2, H3, ... — 高調波周波数 (Hz 単位) および搬送波に対する電力のデシベル (dBc)。高調波が基本周波数と同じレベルかそれを超える場合、入力強度を下げます。
THD — 全高調波歪み。この値は、高調波の電力 D と基本周波数 S の比を表します。ノイズ パワーが高調波に対して高すぎる場合、THD 値は不正確です。この場合、分解能帯域幅を狭くするか、別のスペクトル ウィンドウを選択します。
SNR — S/N 比 (SNR)。この値は、基本周波数 S とスプリアス信号を含むすべての非高調波成分 N の電力の比を dBc (搬送波に対するデシベル) 単位で表します。
報告される SNR に
––が表示される場合、信号の非高調波成分の合計が信号の合計の 30% 未満です。SINAD — 信号対ノイズおよび歪み比。この値は、基本周波数 S とその他のすべての成分 (ノイズ N や高調波歪み D を含む) の電力の比を dBc (搬送波に対するデシベル) 単位で表します。
SFDR — スプリアスフリー ダイナミック レンジ (SFDR)。この値は、周波数スペクトルの位置にかかわらずに、基本周波数 S と最大スプリアス信号 R の電力比を表します。最悪のスプリアス信号は元の信号の高調波である場合も、そうではない場合もあります。SFDR は、大きな干渉信号から区別できる信号の最小値を表します。SFDR には高調波が含まれます。
高調波歪み測定では、より大きな正弦波成分 (基本信号周波数) が自動検出されます。その後、高調波周波数と信号内の各高調波の電力が計算され、DC 成分が無視されます。この測定には、スペクトル アナライザーの周波数範囲外の高調波は含まれません。目的の高調波がすべて含まれるように周波数範囲を調整してください。
メモ
高調波の表示を最適にするには、高調波を解決できる十分に高い基本周波数を設定したことを確認してください。ただし、この周波数はエイリアシングが発生するほど高くしないでください。高調波歪みの表示を最適にするには、プロットでスカートが表示されないようにしてください。これは周波数漏れを示します。ノイズ フロアが表示されるようにしてください。
適切な表示のためには、サイドローブの減衰が大きい (たとえば 100 ～ 300 db) カイザー ウィンドウを試してください。
[歪みのタイプ] を [相互変調] に設定すると、スペクトル アナライザー ウィンドウの下部にある [相互変調歪み] パネルに次のフィールドが表示されます。
F1 — 下側基本波 1 次周波数。
F2 — 上側基本波 1 次周波数。
2F1-F2 — 3 次高調波からの下側相互変調積。
2F2-F1 — 3 次高調波からの上側相互変調積。
TOI — 3 次インターセプト ポイント。ノイズ パワーが高調波に対して高すぎる場合、TOI 値は不正確になります。この場合、分解能帯域幅を低くするか、別のスペクトル ウィンドウを選択してください。TOI が入力 2 トーン信号と同じ振幅である場合は、その入力信号の電力を削減します。
相互変調歪みの測定では、基本波の 1 次周波数 (F1 および F2) が自動検出されます。その後、3 次相互変調の周波数の積 (2F1−F2 および 2F2−F1) が計算されます。
プログラムを使用して歪みの測定を変更する方法については、DistortionMeasurementsConfiguration オブジェクトを参照してください。これらを UI で設定する方法の詳細については、歪みを参照してください。
可視化のカスタマイズ
スペクトル アナライザーで、構成とスタイルを設定します。
表示やラベル、色やスタイルの設定を制御するには、スペクトル アナライザーのツールストリップの [スコープ] タブで [設定] (
) をクリックします。
表示されるダイアログ ボックスで、フォント サイズ、プロット タイプ、スペクトル プロットの y 軸のプロパティ、およびスペクトログラム プロットのカラーマップ プロパティをカスタマイズできます。スペクトル プロットの色、背景、座標軸、ラベルを変更でき、ラインのプロパティも変更できます。
スペクトルまたはスペクトログラムを表示している時は、関連するオプションのみが表示されます。これらのオプションの詳細については、[構成]、[スペクトル設定] を参照してください。
表示コントロール
表示コントロールを使用して、座標軸のズームとパンを行います。
プロットの座標軸をスケーリングするには、マウスを使用して座標軸周りにパンを実行し、マウスのスクロール ボタンを使用してプロットをズームイン/ズームアウトします。さらに、プロット ウィンドウ上にカーソルを置いたときに表示されるボタンを使用できます。
— 座標軸を最大化し、すべてのラベルを非表示にし、座標軸の値を挿入します。
— プロットをズームインします。
— プロットをパンします。
— 表示されているデータに合わせて座標軸をオートスケールします。
ヒント
アルゴリズム
スペクトル推定 — フィルター バンク
[フィルター バンク] 法を選択すると、スペクトル アナライザーはパワー スペクトル推定に解析フィルター バンクを利用します。
フィルター バンクはサンプル レート fs の広帯域の入力信号 x(n) をサンプル レート fs/M の複数の狭帯域信号 y0(m)、y1(m)、…、yM-1(m) に分割します。
変数 M はフィルター バンク内の周波数帯域の数を表します。スペクトル アナライザーでは、M は、指定された RBW 値と 1024 のどちらか大きい方の値の達成に必要なデータ点の数と等しくなります。解析フィルター バンクおよびその実装の詳細については、dsp.Channelizer オブジェクトのMore AboutおよびAlgorithmのセクションを参照してください。
スペクトル アナライザーは、帯域入力信号を複数の狭帯域に分割した後、次の式を利用して各狭周波数帯域の電力を計算します。各 Zi 値はその狭周波数帯域の推定電力です。
L は狭帯域信号の長さ yi(m) で、i = 1, 2, …, M-1 です。
すべての狭周波数帯域の電力値 (Zi で表される) は Z ベクトルを形成します。
スペクトル アナライザーは、2 つの移動平均法 (ビデオ帯域幅または指数の重み付け) のいずれかを利用して、現在の Z ベクトルを以前の Z ベクトルと平均化します。平均化演算の出力はスペクトル推定ベクトルを形成します。2 つの平均化方法の詳細については、平均化方法を参照してください。
スペクトル アナライザーは [RBW (Hz)] パラメーターまたは [周波数帯域の数] パラメーターで指定された値を使用して、入力フレーム長を特定します。
スペクトル アナライザーでは、スペクトル推定を計算するためにサンプルの最小数が必要です。この値は、分解能帯域幅 RBW に直接関連付けられます。
[分解能の方法] を [RBW] に指定した場合、[RBW (Hz)] の設定に応じて以下のようになります。
自動–– スペクトル アナライザーでは、表示を更新するために 1,024 個のサンプルが必要です。スペクトル アナライザーは適切な分解能帯域幅を特定し、指定された周波数スパンに 1,024 の RBW 間隔が必ず存在するようにします。[RBW (Hz)] を[自動]に設定した場合、スペクトル アナライザーは次の方程式を使用して RBW を計算します。スカラー値 –– スペクトル アナライザーは次の方程式を使用してサンプル数 Nsamples を計算します。
Fs は入力信号のサンプル レートです。[サンプル レート (Hz)] プロパティで指定します。
指定する RBW 値は、指定した周波数スパンに少なくとも 2 つの RBW 間隔が必ず存在するようになる値でなければなりません。スパン全体と RBW の比率は 2 より大きくなければなりません。
span は、スペクトル アナライザーがスペクトルを計算してプロットする周波数スパンです。スコープに [スパン (Hz)] を表示するには、スペクトル アナライザーのツールストリップの [推定] タブをクリックし、[周波数オプション] セクションに移動します。このプロパティを有効にするには、[周波数スパン] を
[スパンと中心周波数]に設定します。
[分解能の方法] を [周波数帯域の数] に指定した場合、結果の RBW は次のようになります。
指定した分解能帯域幅を得るのに入力サンプル数が不十分である場合、スペクトル アナライザーは次のようなメッセージを表示します。
十分な入力サンプルを提供するとこのメッセージは削除され、スペクトル推定が表示されます。
入力サンプル レート (Fs)
Fs は入力信号のサンプル レートです。スコープに [サンプル レート (Hz)] を表示するには、スペクトル アナライザーのツールストリップの [スコープ] タブをクリックし、[帯域幅] セクションに移動します。このプロパティは、スペクトル アナライザー ウィンドウの下部にあるステータス バーで有効にできます。ステータス バーの 
アイコンをクリックし、[Sample Rate] を選択します。
分解能帯域幅 (RBW)
分解能帯域幅は表示する信号のスペクトル分解能を制御します。RBW 値により、スコープが分解できる周波数の間隔が決まります。値が小さいほど、スペクトル分解能が高くなり、ノイズ フロアが低くなります。つまり、スペクトル アナライザーが、互いに近い周波数を分解できることになります。ただし、その代わりにスイープ時間は長くなります。
分解能帯域幅は [RBW (Hz)] パラメーターを使用して指定できます。
ウィンドウの長さが指定された場合、スコープは、式 を使用して、ウィンドウの長さから RBW 値を決定します。
[分解能の方法] を [RBW] に指定した場合、[RBW (Hz)] の設定に応じて以下のようになります。
自動–– スペクトル アナライザーでは、表示を更新するために Nsamples 個のサンプルが必要です。スペクトル アナライザーは適切な分解能帯域幅を特定し、指定された周波数スパンに 1,024 の RBW 間隔が必ず存在するようにします。[RBW (Hz)] を[自動]に設定した場合、スペクトル アナライザーは次の方程式を使用して計算します。スカラー値 –– 指定した周波数スパンに少なくとも 2 つの RBW 間隔が必ず存在するようになる値を指定します。スパン全体と RBW の比率は 2 より大きくなければなりません。
span は、スペクトル アナライザーがスペクトルを計算してプロットする周波数スパンです。スペクトル アナライザーではスパンを [スパン (Hz)] プロパティに表示します。スコープに [スパン (Hz)] を表示するには、スペクトル アナライザーのツールストリップの [推定] タブをクリックし、[周波数オプション] セクションに移動し、[周波数スパン] を [スパンと中心周波数] に設定します。
[分解能の方法] を [周波数帯域の数] に指定した場合、結果の RBW は次のようになります。
指定した分解能帯域幅を得るのに入力サンプル数が不十分である場合、スペクトル アナライザーは次のようなメッセージを表示します。
十分な入力サンプルを提供するとこのメッセージは削除され、スペクトル推定が表示されます。
このプロパティは、スペクトル アナライザー ウィンドウの下部にあるステータス バーで有効にできます。ステータス バーの アイコンをクリックし、[RBW] を選択します。
バージョン履歴
R2022a で導入
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