Cu JTFA Toolkit, puteți utiliza oricare dintre algoritmii menționați mai înainte pentru a analiza fișierele de date stocate și a vizualiza spectrograma rezultată pe o diagramă de intensitate. Este o aplicație de sine stătătoare pe care o puteți folosi în aplicații din lumea reală, cum ar fi analiza radar și a datelor economice, unde trebuie să analizați simultan un semnal în domeniul timp și frecvență. Lista de astfel de aplicații este nesfârșită. Această secțiune discută aplicații simple. Aceste aplicații pot părea destul de specifice, dar ideile și metodologiile din spatele lor sunt de interes general pentru toți utilizatorii JTFA. Mai jos este panoul frontal al analizorului JTFA.

Achiziționarea de date

Când porniți aplicația JTFA, vă solicită să ajustați parametrii și apoi să apăsați Process. Citiți mai întâi în semnalul de analizat. Acest semnal poate fi stocat într-un fișier existent, care trebuie să fie fie un fișier format datalog (un format de fișier intern folosit de LabVIEW), fie un fișier text ASCII. Dacă fișierul dvs. este text, JTFA îl convertește în format datalog atunci când faceți clic pe butonul Read file. Trebuie să convertiți fișierul în datalog, dar puteți salva fișierul convertit sub un nou nume pentru a vă păstra fișierul original. După conversie, analizorul JTFA vă deschide fișierul ca fișier datalog. Pe panoul frontal, mai vedeți încă două butoane etichetate Set DAQ și Read DAQ. Dacă computerul dvs. este echipat cu o placă DAQ National Instruments, faceți clic pe butonul Read DAQ; analizorul JTFA începe colectarea datelor de pe placa DAQ și îl stochează ca un fișier de date specificat. Când faceți clic pentru prima dată pe butonul Read DAQ, vă solicită să setați parametrii DAQ. Aplicația folosește apoi acești parametri până când ieșiți. Puteți utiliza butonul Set DAQ pentru a modifica parametrii DAQ. După ce selectați fișierul de analizat, setul de instrumente citește un bloc de date sau un cadru de eșantioane din fișier.

Analiza datelor

Puteți selecta unul dintre algoritmii discutați în secțiunea anterioară pentru a analiza datele dvs. utilizând controlul JTFA selector. Fiecare control are un set diferit de parametri. Valoarea implicită este setată pe algoritmul transformatei Fourier de scurtă durată (STFT). În acest caz, parametrii care trebuie selectați sunt controlul window selector și controlul window length. Celelalte cinci opțiuni sunt Spectrograma Gabor, distribuția Choi-Williams, distribuția în formă de con, distribuția Wigner-Ville și Adaptive Spectrogram. Aplicația analizează apoi eșantioanele și afișează spectrograma rezultată folosind o diagramă de intensitate. De asemenea, afișează spectrul tradițional la dreapta și forma de undă în timp sub spectrograma bidimensională.

Parametrii start at și block length controlează gama de timp a semnalului analizat. În timp ce primul determină timpul de start, ultimul determină lungimea unui cadru din semnalul analizat. Dacă lungimea semnalului este mai mică decât start at + block length, analizorul JTFA procesează orice este disponibil. Din cauza limitărilor de memorie, dacă lungimea unui semnal este prea mare, JTFA afișează durata de timp cea mai mare permisă în caseta de dialog status indicator și oprește procesarea.

Parametrii start freq. și bandwidth controlează gama de frecvență a semnalului analizat. start freq. determină limita inferioară a frecvenței. Selecția lățimii de bandă este limitată la 2^-k* frecvența Nyquist, 0 ≤ k ≤ 5. Dacă start freq. + bandwidth este mai mare decât frecvența Nyquist, JTFA ignoră setarea din start freq. și setează automat limita inferioară a frecvenței la zero (valoare implicită).

Făcând clic pe butonul subband, puteți selecta controlul preemphasis (Amplificare aplicată pe anumite frecvențe ale unui semnal pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot). Puteți utiliza filtrul preemphasis pentru a reduce influența componentei DC și pentru a îmbunătăți componenta de înaltă frecvență. Gradul de preemphasis este controlat de parametrul preemphasis. Când această valoare este egală cu zero (implicit), nu există preemphasis. Când această valoare este egală cu unu, JTFA elimină complet componenta DC și componentele de frecvență în vecinătatea frecvenței Nyquist sunt aproximativ dublate.

Pe o notă finală, dacă schimbați JTFA selector, subband sau oricare dintre parametri, trebuie să recalculați spectrograma pentru a vedea efectul modificărilor. Pentru a recalcula spectrograma, faceți clic pe butonul Process. JTFA calculează spectrograma folosind valorile din controale la momentul în care faceți clic pe butonul Process.

Post Analiza datelor

După ce ați analizat datele folosind JTFA toolkit, este posibil să salvați diagramele de date într-un fișier pentru utilizare ulterioară. Puteți salva forma de undă în timp, spectrul și spectrograma ca fișiere spreadsheet. Selectați diagramele pe care doriți să le salvați (folosind selectorul din dreapta butonului Save), apoi faceți clic pe butonul Save. Puteți prelucra apoi următorul cadru de eșantioane făcând clic pe butonul Next. După ce ați finalizat analiza unui fișier, puteți închide fișierul curent și puteți deschide unul nou. Pentru a deschide un nou fișier, faceți clic pe butonul Read file și indicați fișierul pe care doriți să îl deschideți. Programul închide automat fișierul original.

Următoarele exerciții vă vor ajuta în continuare să înțelegeți modul de utilizare JTFA Toolkit.

Exercițiul 13-1

Obiectiv: Utilizarea JTFA Toolkit pentru a analiza un semnal doppler.

În acest exercițiu, vă veți familiariza cu diferite controale din JTFA Toolkit. Veți analiza un semnal doppler și veți vedea avantajele unei spectrograme JTFA față de un spectru de frecvență normal.

1. Deschideți panoul frontal al JTFA Toolkit așa cum se arată mai sus.

2. Veți analiza datele din fișierul c:\jtfa\data\doppler.log.

Faceți clic pe butonul Read file și alegeți acest fișier de date. Numele fișierului de date poate fi acum văzut în caseta current file.

3. Reglați unii dintre parametri. Schimbați lățimea de bandă la 1/4 band.

Veți experimenta cu toți diferiții algoritmi care pot fi selectați cu ajutorul JTFA selector. Mai întâi, selectați algoritmul STFT. Veți folosi fereastra Hamming și window length = 64. Utilizați valorile implicite pentru toți ceilalți parametri.

4. După setarea tuturor parametrilor, faceți clic pe butonul Process.

Notă: Rețineți că aplicația nu va începe calcularea până nu faceți clic pe butonul Process.

5. După finalizarea calculului, pe fereastra JTFA vor apărea trei forme de undă. Acum veți analiza aceste forme de undă. Forma de undă în timp a semnalului doppler poate fi văzută în partea din stânga jos a figurii. Spectrul standard Fourier poate fi văzut în partea dreaptă sus. Din acest grafic, puteți vedea gama de frecvențe prezente în spectru. Dar graficul nu spune cum au evoluat aceste frecvențe în funcție de timp. Graficul mai mare din colțul din stânga sus este spectrul dependent de timp, o funcție atât de timp cât și de frecvență. Din el, nu numai că puteți vedea cum s-a schimbat frecvența odată cu timpul, dar puteți vedea și intensitatea frecvențelor așa cum se arată în nivelele de luminozitate relativă ale graficului.

6. Acum puteți selecta algoritmi diferiți în controlul JTFA selector și puteți vedea cum arată spectrograma frecvență-timp în fiecare caz.

Sfârșitul exercițiului 13-1

Exercițiul 13-2

Obiectiv: Studierea aplicației de detectare a semnalelor de impuls în sateliți cu orbită joasă folosind JTFA.

În acest exercițiu, veți examina o aplicație foarte interesantă pentru analiza simultană frecvență-timp. Această aplicație implică detectarea semnalelor de impuls de către sateliții cu orbită joasă.

Considerați un semnal de impuls generat într-o anumită locație de pe Pământ. Un astfel de impuls poate fi cauzat de testarea armelor nucleare și, prin urmare, detectarea și estimarea acestui semnal este o problemă importantă de securitate națională. Dar detectarea acestui semnal nu este foarte ușoară. Pe măsură ce acest semnal trece prin medii dispersive care înconjoară Pământul (de exemplu, ionosfera), semnalul devine un semnal chirp neliniar. Mai mult, acesta este puternic corupt de zgomotul aleatoriu din ionosferă și, prin urmare, detectarea acestui semnal prin tehnici standard de transformare Fourier nu este posibilă. Dar, după cum veți vedea în acest exemplu, JTFA ajută la detectarea corectă a acestui semnal.

1. Deschideți panoul frontal al JTFA Toolkit așa cum se arată mai sus, dacă nu este deja deschis din exercițiul anterior.

2. Veți analiza datele din fișierul c:\jtfa\data\impulse.log.

Faceți clic pe butonul Read file și alegeți acest fișier de date. Numele fișierului de date poate fi acum văzut în caseta current file.

3. Reglați unii dintre parametri. Schimbați culoarea panoului în gri folosind comutatorul panoului frontal. Veți experimenta cu toți algoritmii disponibili utilizând JTFA selector. Mai întâi, selectați spectrograma Gabor. Utilizați valorile implicite pentru toți ceilalți parametri.

4. După setarea tuturor parametrilor, faceți clic pe butonul Process. Amintiți-vă că aplicația nu va începe calcularea până nu veți face acest lucru.

5. După finalizarea calculului, pe panoul frontal JTFA vor apărea trei forme de undă. Forma de undă în timp a semnalului de impuls ionizat poate fi văzută în partea din stânga jos a figurii. Așa cum am explicat anterior, după ce a trecut prin medii dispersive, cum ar fi ionosfera, semnalul impuls devine un semnal chirp neliniar cu un zgomot aleatoriu adăugat. Din cauza raportului semnal-zgomot scăzut, cu greu puteți vedea acest semnal chirp în forma de undă în timp. Este ascuns complet de semnalul de zgomot. Spectrul standard Fourier poate fi văzut în partea dreaptă sus. Din acest grafic, puteți vedea gama de frecvențe care sunt prezente în spectru.

Grafic mai mare în colțul din stânga sus este spectrul dependent de timp, o funcție atât de timp cât și de frecvență. Din acest grafic, puteți identifica imediat prezența arcuirii semnalului chirp pe domeniul comun frecvență-timp. Folosind o astfel de reprezentare, puteți efectua post-procesare extinsă folosind VI-urile din Analysis Library și mascați semnalul dorit, așa cum se arată în figura de mai jos. Puteți aplica apoi transformata inversă pentru a recupera forma de undă în timp originală. Figura de mai jos compară semnalul zgomotos și semnalul reconstruit.

6. Acum puteți selecta algoritmi diferiți și puteți vedea cum arată spectrograma frecvență-timp în fiecare caz.

7. Ieșiți din analizorul JTFA apăsând butonul Quit.

Sfârșitul exercițiului 13-2

Rezumat:

• Nevoia de a analiza un semnal în domeniile timp și frecvență simultan a condus la popularitatea analizei simultane timp-frecvență.

• JTFA toolkit este un instrument excelent pentru a învăța această tehnică și a o folosi în multe aplicații din lumea reală.

• Transformata frecvenței în timp scurt, spectrograma Gabor, distribuția Wigner-Ville, distribuția Choi-Williams, distribuția în formă de con și spectrograma adaptivă sunt câțiva dintre algoritmii folosiți pentru analiza simultană frecvență-timp. Alegerea algoritmului depinde de aplicația dvs.

• Unele dintre aplicațiile interesante pentru JTFA sunt în radar, imagistică medicală și analiza economică a datelor. În exercițiul 13-2, dumneavoastră și oamenii de știință de la Laboratorul Național Los Alamos, ați făcut progrese substanțiale în detectarea unui semnal de tip chirp non-liniar de frecvență radio (RF) într-un mediu zgomotos.