信号分析器中的频谱图计算

非平稳信号是频率成分随时间变化的信号。非平稳信号的频谱图是对其频率成分的时间演变的估计。为了构造非平稳信号的频谱图，信号分析器按照以下步骤进行操作：

将信号分成若干个等长段。各段必须足够短，以使信号的频率成分在一个段内不会明显变化。这些段可以重叠也可以不重叠。
对每个段进行加窗处理并计算其频谱，以获得短时傅里叶变换。
以分贝为单位逐段显示每个频谱的功率。用基于幅值的颜色图并排显示幅值图像。

频谱图视图在只有一个信号的显示画面中可用。

有关详细信息，请参阅Spectrogram Computation with Signal Processing Toolbox。

将信号分成多个段

要构造频谱图，首先将信号分成可能重叠的若干段。在信号分析器中，您可以使用时间分辨率和过叠控制段长度和相邻段之间的重叠量。如果未指定长度和重叠，信号分析器会根据信号的整个长度选择一个长度并选择 50% 的重叠。App 会将频谱图的时间轴与时域图的轴对齐。

指定时间分辨率

在频谱图选项卡的时间分辨率部分中，点击指定。

如果信号没有时间信息，请在采样中指定时间分辨率（段长度）。时间分辨率必须为大于或等于 1 且小于或等于信号长度的整数。
如果信号有时间信息，请以秒为单位指定时间分辨率。App 会将结果转换为采样数，并将其舍入到小于或等于该数字但不小于 1 的最接近的整数。时间分辨率必须小于或等于信号持续时间。
将重叠指定为段长度的百分比。App 会将结果转换为采样数，并将其舍入到小于或等于该数字的最接近的整数。

默认时间分辨率

如果对时间分辨率计算选择自动，则信号分析器会使用整个信号的长度来选择段的长度。App 将时间分辨率设置为 ⌈N/d⌉ 个采样，其中方括号表示上限函数，N 是信号长度，d 是除数且取决于 N：

信号长度 (N)	除数 (d)	段长度
`2` 个采样 - `63` 个采样	`2`	`1` 个采样 - `32` 个采样
`64` 个采样 - `255` 个采样	`8`	`8` 个采样 - `32` 个采样
`256` 个采样 - `2047` 个采样	`8`	`32` 个采样 - `256` 个采样
`2048` 个采样 - `4095` 个采样	`16`	`128` 个采样 - `256` 个采样
`4096` 个采样 - `8191` 个采样	`32`	`128` 个采样 - `256` 个采样
`8192` 个采样 - `16383` 个采样	`64`	`128` 个采样 - `256` 个采样
`16384` 个采样 - N 个采样	`128`	`128` 个采样 - ⌈N / `128`⌉ 个采样

您仍可以指定相邻段之间的重叠。指定重叠会更改段的数量。延伸到信号端点之外的段用零填充。

以包含 7 个采样的信号 [s0 s1 s2 s3 s4 s5 s6] 为例。由于 ⌈7/2⌉ = ⌈3.5⌉ = 4，当没有重叠时，App 将信号分成长度为 4 的两段。段的数量随着重叠的增加而变化。

重叠采样的数量	生成的段
`0`	s0 s1 s2 s3 s4 s5 s6 0
`1`	s0 s1 s2 s3 s3 s4 s5 s6
`2`	s0 s1 s2 s3 s2 s3 s4 s5 s4 s5 s6 0
`3`	s0 s1 s2 s3 s1 s2 s3 s4 s2 s3 s4 s5 s3 s4 s5 s6

时间对齐

一旦设置了段长度和重叠，段的数量及其边缘位置将保持不变，并且独立于任何缩放或平移。在缩放和平移时，信号分析器会使用放大后的可见感兴趣区域内的段来计算和显示频谱图。

该 App 会执行以下操作：

将频谱图的时间轴与对应时域图的轴对齐。这样，给定时间的频谱就会与它的出现时间对齐。
对于非零重叠，第一个段和最后一个段会延伸到信号端点。
如果最后一个段超出信号端点，则用零填充信号。

当各段重叠为 0% 时，每个段都以实际发生时间为中心。当重叠为非零值时，频谱图时间轴与时域轴的对齐会拉长第一个和最后一个时间区间。所有其他时间区间的长度相同。换句话说，除第一个和最后一个段之外，每个段的中心都对应于实际发生的时间。请参考如下示例：

对段加窗并计算频谱

在信号分析器将信号分成若干重叠段后，App 会用凯塞窗对每个段加窗。窗的形状因子 β 以及因此导致的泄漏是可调的。

注意

用于计算信号频谱的泄漏和用于对频谱图段加窗的泄漏彼此独立。您可以单独调整它们。

然后，App 按照 Spectrum Computation in Signal Analyzer中所述的程序计算每个段的频谱，但分辨率带宽的下限是

${RBW}_{performance} = 4 \times \frac{f_{span}}{1024 - 1} .$

总之，信号分析器会在使用段的整个长度可达到的频谱分辨率和计算大型 FFT 时的性能限制之间进行折衷。

如果通过分析整个段得到的分辨率是可实现的，App 使用具有指定形状因子的凯塞窗计算整个段的单一修正周期图。
如果通过分析整个段得出的分辨率无法实现，App 将计算韦尔奇周期图：它将段分成若干重叠的子段，对每个子段加窗，并对子段的周期图取平均。App 会选择适当的子段大小、窗和重叠，使合成周期图等效于采用指定凯塞窗计算得到的整段信号的修正周期图。

显示频谱功率

App 使用具有默认 MATLAB^® 颜色图的颜色栏，以分贝为单位显示短时傅里叶变换的功率。颜色栏包括频谱图的全功率范围，缩放或平移时，颜色栏不会变化。

您可以更改给定颜色范围表示的幅值水平。在频谱图选项卡上，更改要显示的最小和最大功率值。您还可以设置颜色图，使其包含频谱图放大部分的全功率范围。在显示选项卡上，点击适应颜色图按钮。