Кіріспе

Белгілерді өңдеудегі белгілі бір жиіліктердің салыстырмалы маңызы және спектрлердің уақыт қатарларымен байланысы. Белгілерді өңдеуде үздіксіз уақыт сигналының қуат спектрі, осы сигнал құрамына кіретін жиілік компоненттеріне қуаттың таралуын сипаттайды. Фурье талдауына сәйкес, кез келген физикалық сигнал дискретті жиіліктерге немесе үздіксіз диапазон бойынша жиілік спектріне жіктелуі мүмкін. Кез келген сигналдың (шуды қоса алғанда) жиілік құрамы бойынша талданған статистикалық орташасы, оның спектрі деп аталады. Егер сигналдың энергиясы шекті уақыт аралығында шоғырланған болса, әсіресе оның жалпы энергиясы шекті болса, энергияның спектрлік тығыздығын есептеуге болады. Көбінесе қуат спектрлік тығыздығы (немесе жай ғана қуат спектрі) қолданылады, ол барлық уақыт бойында немесе жеткілікті уақыт аралығында (әсіресе өлшеу ұзақтығына қатысты) бар сигналдарға қолданылады, бұл оның шексіз уақыт аралығында болатын сияқты болуы мүмкін. Қуат спектрлік тығыздығы (PSD) уақыт бірлігіне шаққандағы спектрлік энергия таралуын көрсетеді, себебі мұндай сигналдың барлық уақыт бойындағы жалпы энергиясы әдетте шексіз болады. Спектрлік компоненттерді қосу немесе интегралдау, физикалық процесте жалпы қуатты немесе статистикалық процесте дисперсияны береді, бұл Парсеваль теоремасы бойынша уақыт доменінде интегралдау арқылы алынған нәтижемен сәйкес келеді. Егер сигнал тек кернеу арқылы анықталған болса, мысалы, көрсетілген амплитудамен байланысты бірегей қуат болмайды. Бұл жағдайда "қуат" сигналдың квадраты арқылы есептеледі, себебі ол әрқашан берілген кедергіге сигналдың нақты қуатына пропорционал болады. Сондықтан PSD үшін V² Гц⁻¹ бірліктерін қолдануға болады. Энергия спектрлік тығыздығы (ESD) V² с Гц⁻¹ бірліктеріне ие болады, себебі энергияның бірліктері қуатты уақытқа көбейту арқылы алынады (мысалы, ватт-сағат). Жалпы жағдайда PSD бірліктері жиілік бірлігіне шаққандағы дисперсия бірліктерінің қатынасы болады; мысалы, уақыт бойынша (секундтарда) орын ауыстыру мәндерінің қатары үшін PSD әр герцке квадрат метр бірліктерімен, м²/Гц өлшенеді. Кездейсоқ дірілдерді талдау кезінде үдеудің PSD үшін g² Гц⁻¹ бірліктері жиі қолданылады, мұнда g – гравитация күшінің шамасын білдіреді. Математикалық тұрғыдан алғанда, сигналға немесе тәуелсіз айнымалыға физикалық өлшемдерді берудің қажеті жоқ. Келесі талқылауда x(t) мәні нақтыланбайды, бірақ тәуелсіз айнымалы уақыт деп есептеледі.

Есептеу

Спектрлік тығыздықты бағалаудың мақсаты – кездейсоқ сигналдың спектрлік тығыздығын уақыт бойынша алынған үлгілер тізбегінен анықтау. Сигнал туралы қандай ақпарат белгілі болса, соған байланысты бағалау әдістері параметрлік немесе параметрлік емес болуы мүмкін, сондай-ақ уақыт доменінде немесе жиілік доменінде талдауға негізделуі мүмкін. Мысалы, кең таралған параметрлік әдіс байқауларды авторегрессиялық модельге бейімдеуді қамтиды. Көп қолданылатын параметрлік емес әдіс – периодограмма. Спектрлік тығыздық көбінесе Фурье түрлендіру әдістерімен (мысалы, Уэлш әдісі) бағаланады, бірақ максималды энтропия әдісі сияқты басқа да әдістерді де қолдануға болады.

Қарым-қатынас ұғымдары

Сигналдың спектрлік центройы – оның спектрлік тығыздық функциясының орта нүктесі, яғни таралымын екі тең бөлікке бөлетін жиілік. Спектрлік шеттік жиілік (SEF), әдетте "SEF x" деп көрсетіледі, берілген сигналдың жалпы қуатының x пайызына дейін орналасқан жиілікті білдіреді; әдетте, x 75-95 аралығында болады. Бұл, әсіресе, ЭЭГ мониторингінде қолданылатын танымал өлшем, онда SEF әртүрлі түрде анестезияның тереңдігін және ұйқы кезеңдерін бағалау үшін пайдаланылады. Спектрлік қаптама – спектр тығыздығының қаптама қисығы. Ол бір уақыт аралығын (нақтырақ айтқанда, бір терезе) сипаттайды. Мысалы, спектрометрді пайдалана отырып, қашықтан зондтау кезінде, бір нысанның спектрлік қаптамасы оның спектрлік қасиеттерінің шекарасы болып табылады, ол қызығушылық тудыратын спектрлік жолақтарының әрқайсысындағы жарық деңгейлерінің диапазонымен анықталады. Спектрлік тығыздық – уақыт емес, жиілік функциясы. Дегенмен, ұзын сигналдың шағын терезесінің спектрлік тығыздығын есептеуге және терезенің уақытына қатысты графигін салуға болады. Мұндай графикті спектрограмма деп атайды. Бұл қысқа уақытты Фурье түрлендіруі және толқындықтар сияқты бірқатар спектрлік талдау әдістерінің негізі болып табылады. "Спектр" дегеніміз, әдетте, жоғарыда айтылғандай, сигнал мазмұнының жиілік бойынша таралуын көрсететін қуат спектрлік тығыздығын білдіреді. Ауыстыру функциялары үшін (мысалы, Боде графигі, чирп) толық жиілік жауабы екі бөлімнен график түрінде көрсетілуі мүмкін: қуат пен жиілік және фаза мен жиілік – фазалық спектрлік тығыздық, фазалық спектр немесе спектрлік фаза. Көп жағдайда екі бөлік трансферт функциясының нақты және жорамал бөліктері болуы мүмкін. Бұл жиілік жауабы ретінде фазаны (немесе, баламалы түрде, нақты және жорамал бөлікті) қамтитын трансферт функциясының жиілік жауабымен шатастырылмауы керек. Уақыт доменіндегі импульстік жауапты фазалық бөліксіз тек қуат спектрлік тығыздығынан ғана толыққанды қалпына келтіру мүмкін емес. Бұл да Фурье түрлендіруінің жұптары болса да, Фурье түрлендіруін нақты мәнді болуға мәжбүрлейтін симметрия жоқ (автокорреляция үшін бар). Қараңыз: Ultrashort pulse#Спектрлік фаза, фазалық шу, топтық кешігу. Кейде амплитудалық спектрлік тығыздық (ASD) кездеседі, ол PSD-ның квадрат түбірі; кернеу сигналының ASD-сы V Гц−1/2 бірліктерінде өлшенеді. Бұл спектрдің пішіні тұрақты болған кезде пайдалы, себебі ASD-дегі өзгерістер сигналдың кернеу деңгейіндегі өзгерістерге пропорционалды болады. Бірақ математикалық тұрғыдан PSD пайдалану дұрыс, өйткені тек осы жағдайда ғана қисық астындағы аудан барлық жиіліктегі немесе белгіленген жолақтықтағы нақты қуат тұрғысынан мағыналы.

Қолданбалар

Уақыт бойынша өзгеретін кез келген сигналдың сәйкес жиілік спектрі болады. Бұл көрінетін жарық (түс ретінде қабылданады), музыкалық ноталар (биіктік ретінде қабылданады), радио/телевизия (олардың жиілігімен немесе кейде толқын ұзындығымен сипатталатын) және тіпті Жердің үнемі айналуы сияқты таныс нысандарды қамтиды. Бұл сигналдар жиілік спектрі түрінде қарастырылғанда, алынған сигналдардың немесе оларды тудыратын процестердің белгілі бір ерекшеліктері көрінеді. Кейбір жағдайларда жиілік спектрінде синусоидтық толқын компонентіне сәйкес келетін анық шың болуы мүмкін. Сонымен қатар, негізгі шыңның гармоникаларына сәйкес келетін шыңдар да болуы мүмкін, бұл қарапайым синусоида емес, периодтық сигналды көрсетеді. Ұзындық спектрде резонанстарға сәйкес келетін күшті күшейтілген тар жиілік интервалдары немесе кері сүзгінің нәтижесінде пайда болатын дерлік қуаты жоқ жиілік интервалдары болуы мүмкін.

Электр техникасы

Сигналдың қуат спектрінің түсінігі мен қолданылуы электр инженериясында, әсіресе радиобайланыс, радарлар және осыған байланысты жүйелерді, сондай-ақ пассивті қашықтықтан зондтау технологиясын қоса алғанда, электрондық байланыс жүйелерінде өте маңызды. Сигналдардың қуат спектрлерін бақылау және өлшеу үшін спектр анализаторлары деп аталатын электрондық құралдар қолданылады. Спектр анализаторы кіріс сигналының қысқа мерзімді Фурье түрлендірілімінің (STFT) амплитудасын өлшейді. Егер талданып жатқан сигнал тұрақты процесс деп есептелсе, STFT оның қуат спектрлік тығыздығының жақсы тегістелген шамасы болып табылады.

Космология

Бастапқы құбылыстар, ерте ғаламдағы тығыздық ауытқулары, қуат спектрі арқылы сандық түрде бағаланады, ол кеңістіктік масштабқа тәуелді ауытқулардың күшін көрсетеді.

Климаттық ғылым

Климатты зерттеу үшін қуат спектрлік талдау кеңістіктік құрылымдарды қарастыру үшін қолданылған. Бұл нәтижелер атмосфералық турбуленттіліктің климаттық өзгерістерге ауа райы жағдайларының жергілікті, аймақтық құбылуларымен байланысын көрсетеді.