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과학

웰치 스펙트럼 추정법

웰치 스펙트럼 추정법과학
영문명
Welch spectral estimation
기본 절차
분할, 창 적용, 구간별 주기도, 평균
대표 출력
전력 스펙트럼 밀도
핵심 선택
구간 길이와 겹침 길이
웰치 스펙트럼 추정법은 신호를 여러 구간으로 나누어 각각의 주기도를 구한 뒤 평균하는 방법이다. 구간을 겹치게 배치할 수 있으며, 전력 스펙트럼 밀도를 추정하는 데 사용한다.

구간별 결과를 평균하기

각 구간에 창을 곱한 뒤 주파수별 제곱 크기를 계산하고 적절히 정규화한다. 이후 구간들의 주기도를 주파수별로 평균한다. 복소 FFT값부터 평균해 나중에 제곱하는 절차와는 다르다. 구간별 위상이 다르면 복소값 평균에서 상쇄가 생길 수 있기 때문이다. 추정의 변동을 줄이는 목적과 전체 자료를 한 번에 분석하는 목적도 구분한다.

겹침이 있는 구간 수

총 표본 수 N,구간 길이 L,겹침 O이면 이동 간격은 H=L−O다. 끝을 별도로 채우지 않을 때 완전한 구간 수는 floor((N−L)/H)+1이다. N=1024,L=256,O=128이면 7구간이다. 겹침이 없으면 4구간이다. 겹친 구간은 일부 표본을 공유하므로 구간 수가 늘었다고 모두 독립인 관측이 같은 수만큼 늘어나는 것은 아니다.

주파수 격자와 실제 정보

표본화 주파수 1024Hz에서 구간 길이 256으로 FFT를 하면 빈 간격은 4Hz다. FFT 길이를 1024로 늘려 0을 채우면 출력 간격은 1Hz가 된다. 하지만 원래 구간에 새 관측 정보가 추가되지는 않는다. 촘촘한 주파수 격자와 가까운 성분을 분리하는 능력을 동일시하지 않는다. 창의 주엽 폭과 관측 구간 길이도 함께 영향을 준다.

출력의 단위와 전처리

입력이 전압이고 주파수가 Hz이면 밀도 출력의 단위는 V²/Hz다. 전력 스펙트럼의 V²와 같지 않다. 구간 평균 제거,창 종류,한쪽 또는 양쪽 스펙트럼 여부를 맞춰 결과를 비교한다. 시간에 따라 크게 달라지는 신호의 구간 결과를 평균하면 그 변화가 가려질 수 있으므로, 시간별 정보를 보려는 목적에는 스펙트로그램처럼 구간을 유지하는 표현과 구분한다.

관련 문서

창 함수 / 한 창 / 스펙트로그램 / 고속 푸리에 변환 / 전력 스펙트럼 밀도 / 스펙트럼 누설