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信号アナライザー
複数の信号とスペクトルの可視化および比較
説明
信号アナライザー アプリは、時間領域、周波数領域、時間-周波数領域における信号の視覚化、前処理、測定、解析、比較用の対話型ツールです。このアプリを使用して以下ができます。
MATLAB® ワークスペース内のすべての信号への容易なアクセス。
アプリを起動したままの状態での、欠損データの補完 (R2024a 以降)、および信号の平滑化、フィルター処理、リサンプリング、トレンド除去、ノイズ除去、抽出、編集。
カスタム前処理関数の追加および適用。
オーディオ信号の再生。 (R2024a 以降)
複数の信号の波形、スペクトル、パーシステンス、スペクトログラム、およびスカログラム表現の可視化および比較の同時実行。
データおよび信号統計の測定。
信号アナライザー アプリを使用すると、持続時間が異なる多数の信号を同じビュー内で同時に扱うことができます。
詳細については、信号アナライザー アプリの使用を参照してください。
スカログラム ビューを使用したり、信号にウェーブレット ノイズ除去を適用したりするには、Wavelet Toolbox™ のライセンスが必要です。
信号アナライザー アプリを開く
MATLAB ツールストリップ: [アプリ] タブの [信号処理と通信] でアプリのアイコンをクリックします。
MATLAB コマンド プロンプト:
signalAnalyzerと入力します。
例
でサンプリングされた音声信号を読み込みます。ファイルには、"MATLAB®" という単語を発声している女性の録音音声が含まれています。
load mtlbオーディオ データの 70% が欠落している状況をシミュレートするには、信号に NaN 値をランダムに割り当てます。
rng(2024) numToReplace = round(length(mtlb) * 0.70); missing = randperm(length(mtlb),numToReplace); mtlbMissing = mtlb; mtlbMissing(missing) = NaN;
信号アナライザーを開いて、[ワークスペース ブラウザー] ペインから mtlb 変数と mtlbMissing 変数を [信号をフィルター] テーブルにドラッグします。2 つの信号を選択します。[アナライザー] タブで、[時間値] をクリックし、Sample Rate and Start Time を選択します。[サンプル レート] を Fs Hz、[開始時間] を 0 秒として指定します。[グリッドの表示] をクリックして、2 つのディスプレイを並べて作成します。mtlb を左側のディスプレイにプロットし、mtlbMissing を右側のディスプレイにプロットします。オーディオ信号を聞くには、mtlb オーディオ信号を選択し、[表示] タブのツールストリップの [再生] セクションで [再生] をクリックします。信号を繰り返す場合は、再生する前に [ループ再生] を選択します。
欠損データのある信号を選択し、[アナライザー] タブの [前処理] をクリックして前処理モードに入り、前処理オプションのリストから Fill Missing を選択します。[関数パラメーター] パネルを使用して、Fill Missing パラメーターを調整します。Autoregressive model を選択し、[適用] をクリックして、信号の欠損を埋めます。[すべて確定] をクリックして前処理結果を保存し、モードを終了します。代替の埋め込み関数の詳細については、fillmissingおよびfillgapsを参照してください。
[再生] ボタンを使用して、埋めた信号を再生できるようになりました。欠損データを埋めることによる効果をスペクトログラム上で確認するには、[表示] タブで [時間-周波数] をクリックします。[スペクトログラム] タブで、20 ms の時間分解能を指定し、隣接するセグメント間のオーバーラップとして 80% を指定します。[パワーの範囲] を –50 dB と –10 dB に設定します。左側の表示をクリックして、この手順を繰り返します。
解析ウィンドウのスペクトル漏れを調整して、"信号アナライザー" で正弦波を分解できます。
100Hz で 2 秒間サンプリングされた 2 チャネルの信号を生成します。
最初のチャネルは、20Hz トーンと 21Hz トーンで構成されます。どちらのトーンにも単位振幅があります。
2 番目のチャネルも 2 つのトーンをもちます。1 つのトーンは単位振幅および 20Hz の周波数をもちます。もう 1 つのトーンは 1/100 の振幅および 30Hz の周波数をもちます。
fs = 100; t = (0:1/fs:2-1/fs)'; x = sin(2*pi*[20 20].*t)+[1 1/100].*sin(2*pi*[21 30].*t);
ホワイト ノイズに信号を組み込みます。40 dB の S/N 比を指定します。
x = x + randn(size(x)).*std(x)/db2mag(40);
"信号アナライザー" を開いて信号をプロットします。[アナライザー] タブで、信号テーブルで選択した信号について [時間値] をクリックして Sample Rate and Start Time を選択します。[サンプル レート] を fs Hz、[開始時間] を 0 秒として指定します。[表示] タブの [スペクトル] をクリックして、ディスプレイにスペクトル プロットを追加します。
[スペクトル] タブをクリックします。スペクトル漏れを制御するスライダーは、中央の位置にあり、分解能帯域幅の約 1.28 Hz に相当します。1 番目のチャネルの 2 つのトーンは、分解されていません。2 番目のチャネルの 30Hz トーンは、他のトーンよりもかなり弱いにもかかわらず表示されています。
分解能帯域幅がおよそ 0.83 Hz になるように漏れを増やします。2 番目のチャネルの弱いトーンは、明確に分解されます。
スライダーを最大値に移動します。分解能帯域幅はおよそ 0.5Hz です。1 番目のチャネルの 2 つのトーンは、分解されています。2 番目のチャネルの弱いトーンは、大きいウィンドウのサイドローブによってマスクされています。
[表示] タブをクリックします。水平方向のズームを使用して周波数軸を拡大します。ディスプレイに 2 つのカーソルを追加して周波数領域のカーソルをドラッグし、トーンの周波数を推定します。
電子歯ブラシの音声録音を MATLAB® に読み取ります。信号は 48 kHz でサンプリングされています。歯ブラシは約 1.75 秒で電源が入り、約 2 秒間持続します。
[y,fs] = audioread("toothbrush.m4a");信号アナライザーを開いて、"ワークスペース ブラウザー" から信号テーブルに信号をドラッグします。信号テーブルでそれを選択し、[アナライザー] タブで [時間値] をクリックすることで、信号に時間情報を追加します。Sample Rate and Start Time を選択して、サンプル レートに fs を入力します。
[表示] タブで [グリッドの表示] をクリックして、2 行 2 列のグリッドの表示を作成します。各ディスプレイを選択し、[スペクトル] をクリックしてスペクトル ビューを追加し、[時間] をクリックして時間ビューを削除します。信号を 4 つのディスプレイすべてにドラッグします。
[スペクトル] タブをクリックして、各ディスプレイのスペクトル ビューを変更します。
左上のディスプレイをクリックして選択します。漏れの値が 32 になるまで [漏れ] スライダーを動かします。
右上のディスプレイをクリックして選択します。[分解能タイプ] セクションで [ウィンドウの長さ] を選択します。[ウィンドウの長さ] セクションで、[指定] を選択し、ウィンドウの長さを 1500 サンプルに指定します。[ウィンドウ オプション] セクションで、
Rectangularウィンドウを選択し、オーバーラップ率 20 を指定します。左下のディスプレイをクリックして選択します。[分解能タイプ] セクションで [ウィンドウの長さ] を選択します。[ウィンドウの長さ] セクションで、[指定] を選択し、ウィンドウの長さを 500 サンプルに指定します。[ウィンドウ オプション] セクションで、
Hammingウィンドウを選択し、オーバーラップ率 50 を指定します。[NFFT] セクションで、離散フーリエ変換点を 550 に指定します。右下のディスプレイをクリックして選択します。[分解能タイプ] セクションで [ウィンドウの長さ] を選択します。[ウィンドウの長さ] セクションで、[指定] を選択し、ウィンドウの長さを 5000 サンプルに指定します。[ウィンドウ オプション] セクションで、
Chebyshevウィンドウを選択し、サイドローブの減衰を 50 dB、オーバーラップ率を 90 に指定します。
分解能は高いが漏れが多いビューもあれば、漏れは少ないが分解能が低いビューもあることがわかります。
