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SEGNALI STAZIONARI: ANALISI SPETTRALE Analisi spettrale: rappresentazione delle componenti in frequenza di un segnale (ampiezza vs. frequenza). Fornisce maggiori dettagli rispetto allanalisi temporale (ampiezza vs. tempo). Particolarmente utile nelle applicazioni biomediche per segnali quasi periodici (es: cuore, respiro, voce, ecc.). Spettro: Vettore delle ampiezze delle componenti di un segnale, disposte in funzione della loro frequenza. Un segnale è in teoria rappresentato da una serie infinita di sinusoidi. Come si stima lo spettro: Metodo tradizionale (non parametrico): Trasformata di Fourier. Metodo parametrico: basato su modelli (lineari) del segnale.

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SEGNALI STAZIONARI:

ANALISI SPETTRALE Analisi spettrale: rappresentazione delle componenti in frequenza di un segnale (ampiezza vs. frequenza).

Fornisce maggiori dettagli rispetto all’analisi temporale (ampiezza vs. tempo).

Particolarmente utile nelle applicazioni biomediche per segnali quasi periodici (es: cuore, respiro, voce, ecc.).

Spettro: Vettore delle ampiezze delle componenti di un segnale, disposte in funzione della loro frequenza. Un segnale è in teoria rappresentato da una serie infinita di sinusoidi.

Come si stima lo spettro:

Metodo tradizionale (non parametrico): Trasformata di Fourier.

Metodo parametrico: basato su modelli (lineari) del segnale.

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Perchè l’analisi in frequenza?

Ad esempio, in ottica, alcuni colori (rosso, giallo, blu), detti fondamentali,

ulteriormente sono puri, cioè non scomponibili.

A ciascuno di essi corrisponde una certa lunghezza d'onda (frequenza) del raggio luminoso, e il prisma (che scompone la luce bianca nei sette colori dello spettro luminoso) mostrerà solamente quella componente.

La medesima cosa avviene per gli altri segnali.

Es: il suono. A una certa lunghezza d'onda del suono corrisponde una certa “altezza” percepita. Se non è presente contemporaneamente nessun altra frequenza, il suono sarà puro.

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SPETTRO

ES: SUONO - Ogni singola componente è un tono puro (sinusoidale: y = sin(x)).

3 componenti: 55Hz,125Hz,180Hz 1 componente: 100Hz

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ANALISI DI FOURIER Qualunque segnale periodico può essere scomposto nella somma di un eventuale termine costante e di componenti sinusoidali, delle quali la prima, avente lo stesso periodo e quindi la stessa frequenza del segnale considerato, si chiama prima armonica o fondamentale:

a1cosx+b1senx

e le altre, aventi periodi sottomultipli e quindi frequenze multiple, si chiamano armoniche superiori:

akcoskx+bksenkx

In altri termini, con opportune interferenze (somme) di onde più semplici si può ricostruire l'onda originale (es: onda sonora).

x( t ) a0 ( am cosm0 t bm sinm0 t ) m1

Analisi di Fourier: rappresenta con una serie di armoniche, ciascuna dotata di una particolare ampiezza (e fase), qualsiasi forma d'onda.

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ARMONICHE

Se le componenti sono in rapporto di frequenza intero con la componente di frequenza più bassa, si dicono armoniche. La componente a frequenza più bassa si chiama fondamentale o prima armonica e si indica con F0. La componente di frequenza doppia della fondamentale si chiama seconda armonica (y = sin(2x) ), chiama terza armonica

la (y

componente di frequenza tripla della fondamentale si = sin(3x) ), e così via.

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RUMORE

Le frequenze non sono equispaziate, e i rapporti di frequenza con la più bassa non sono

interi, anzi sono addirittura irrazionali. L'onda risultante non è periodica.

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SERIE DI FOURIER A seconda delle applicazioni, si possono usare altre rappresentazioni della serie di Fourier:

A

t ) 0 0 A m co s( m0 t m ) x( 2

m1

t ) c

e j m0 t x( m

Grafico ottenuto da una funzione

MATLAB che mostra i primi 10

termini della serie di Fourier in

forma esponenziale per l’onda

quadra vista in precedenza.

Coefficienti di Fourier in funzione

della frequenza armonica. Qui

sono necessari termini sia positivi

che negativi.

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SERIE DI FOURIER Calcolare la serie di Fourier dell’onda quadra vista precedentemente ed implementare

una funzione MATLAB per le prime 10 componenti . Disegnare

ottenuto e quello dei coefficienti di Fourier. Si ha: il grafico del segnale

sin ( m / 2 ) 5

5m1

x( t ) co s( mt ) m / 2 2

Approssimazione

dell’onda quadra

con 10 termini

della serie di

Fourier su [-2, 2]

Coefficienti di

Fourier in

funzione della

frequenza

armonica

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%Plotting Fourier series approximation

subplot(211)

time=-2:0.01:2; %Time axis

x=0; %Initializing signal

for m=-10:10

if m==0

x=x+5/2; %Term for m=0 else

x=x+5*sin(m*pi/2)/m/pi*2*exp(j*m*pi*time);

end

end

plot(time,real(x),'k') %Plotting and Labels

xlabel('Time (sec)')

ylabel('Amplitude')

set(gca,'Xtick',[-2:2]) % Visualizza estremi e valori intermedi

set(gca,'Ytick',[0 5]) %visualizza solo gli estremi

set(gca,'Box','off') %Non visualizza i bordi del grafico

Script

MATLAB

Fourier_series1.m

%Plotting Fourier magnitudes

subplot(212)

m=-10:10+1E-10;

A=[5/2*sin(m*pi/2)./m/pi*2]; %Fourier magnitudes

Faxis=(-10:10)*.5; %Frequency axis

plot(Faxis,A,'k.') % plotting

axis([-5 5 -2 4])

set(gca,'Box','off')

xlabel('Frequency (Hz)')

ylabel('Fourier amplitudes')

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SERIE DI FOURIER

Coefficienti di Fourier (rappresentazione in serie

di coseni) del segnale di pressione aortica visto

(scala logaritmica). I coefficienti alle basse

Ricostruzione a vari livelli:

Media + 1 e 2 armonica = forma base della

pressione sistolica e diastolica; frequenze hanno ampiezza maggiore di quelli Ulteriori armoniche aggiungono dettagli ma alle alte frequenze, che quindi danno un contribuiscono in modo poco significativo alla

ricostruzione della forma d’onda. contributo poco significativo alla ricostruzione

del segnale

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a

TRASFORMATA DI FOURIER

La trasformata (o integrale) di Fourier (FT)) è utile per decomporre un segnale

(continuo) nelle sue componenti in frequenza, analogamente alla serie di Fourier che

consente di decomporre un segnale periodico nelle sue componenti trigonometriche.

relazione inversa (IFT) consente di ricostruire il segnale dalla FT:

La

X( ) x( t )e jt dt X( )e jt d

t ) 1 x( 2

Es.: FT della funzione rettangolo unitario

a a 1,

jt t a

a

2 sina e e

jt dt

a

x( t ) X( ) 2a sinc( a ) j 0, t

Grafico della funzione sinc (cardinal sine)

L’implementazione numerica più nota ed efficiente della FT è la FFT (Fast Transform).

Fourier

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ANALISI IN FREQUENZA

La trasformata di Fourier consente di approssimare funzioni complesse con altre più

semplici numerose applicazioni in matematica, fisica, ingegneria.

Un qualsiasi segnale (periodico di periodo T) può essere rappresentato da una combinazione

di sinusoidi con ampiezza e frequenza opportune.

Onda quadra (a)

approssimata da un

numero crescente di

sinusoidi: 1,2,3,4

rispettivamente in

(b),(c),(d),(e).

Le componenti a frequenze

via via più elevate sono

dette “armoniche”

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FAST FOURIER TRANSFORM

FFT - E’ un efficiente algoritmo numerico per calcolare la trasformata di Fourier discreta

(DFT). Perché l’algoritmo sia particolarmente efficiente il numero di dati N deve

potenza del 2. Il rapporto delle velocità di esecuzione fra la DFT e l’FFT è:

essere una

DF T co mp u t in g t ime N2

N

N l og2 N F F T co mp u t in g t ime lo g2 N

Ad esempio, per N=1024, l’FFT è circa 100 volte più veloce della DFT.

Grafico MATLAB di |FFT| (in

radianti normalizzato fra 0

e 2π) della somma di 2

sinusoidi Funzione sinusoidale di freq. F=100Hz e

relativa FFT Funzione sinusoidale di freq. F=100Hz

con rumore additivo e relativa FFT

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ES: SEGNALE VOCALE

Spettri ottenuti con la Fast Fourier Transform (FFT)

F F T - linear scale F F T - logarithmic scale 1 0

0.9

-20 0.8

0.7 -40

0.6

0.5 -60

0.4

-80 0.3

0.2 -100

0.1

0 -120 0 1000 2000 3000 4000

F req. (Hz)

5000 0 1000 2000 3000 4000

F req. (Hz)

5000

S ampling freq. F = 25000 s

S ampling freq. F = 25000 s

N o

rm. P

S D

N o

rm.

P S

D (d

B)

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La Trasformata di Fourier (1)

scompone un segnale f(t) nelle sue componenti di diversa frequenza

dominio dei tempi dominio delle frequenze

• sinusoidali

PRINCIPALE LIMITE

risoluzione in frequenza, ma non nel tempo:

rivela quali frequenze sono presenti nel segnale ma non quando si verificano

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Segnali non stazionari

Analisi nel tempo o in frequenza?

La rappresentazione più nota è lo spettrogramma: grafico tempo-

frequenza dell’intensità del segnale.

Nello spettrogramma, l’asse orizzontale corrisponde al tempo e l’asse verticale alla frequenza.

L’intensità ad un certo istante è data da un’apposita tonalità di colore (o livello di grigio).

Le armoniche vengono rappresentate da fasce orizzontali parallele.

Es: l’inflessione della voce nel parlato produce un aumento o una diminuzione della frequenza delle armoniche.

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LO SPETTROGRAMMA

La potenza è una misura dell’energia totale prodotta al secondo, ed è misurata in Watt.

L’intensità è una misura della potenza per unità di area, misurata in Watt/m2, o in decibel (dB). La scala dei decibel è logaritmica, e consente di rappresentare grandi variazioni di potenza con piccole variazioni in dB.

Lo spettrogramma è il grafico tempo-frequenza dell’intensità del segnale

Nello spettrogramma, l’asse orizzontale corrisponde al tempo e l’asse verticale alla frequenza.

L’intensità ad un certo istante è data da un’apposita tonalità di colore (o livello di grigio) nello spettrogramma.

Le armoniche vengono rappresentate da fasce orizzontali parallele.

Es: l’inflessione della voce nel parlato produce un aumento o una diminuzione della frequenza delle armoniche.

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SPETTROGRAMMA DI: /see-saw/

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Spettrogrammi dei suoni vocalici "a" ed "i" pronunciati da un

madrelingua italiano e relative forme d'onda

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1000

SPETTROGRAMMA

8000

7000

6000

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Time [ms] 5000

4000

3000

2000

0 10 10.5 11 11.5

F re q

ue n

cy

[H z

]

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DOPPLER ARTERIA OMBELICALE

Stima della velocità

nell’

massima

arteria sanguigna

ombelicale materna. Si studia lo

spettrogramma del flusso

sanguigno. I massimi della PSD

sono legati alla velocità massima

del sangue.

Problema:

stazionario

segnale

richiede l’uso

non

di

tecniche adattative per stimare i

parametri di interesse su

intervalli di tempo ridotti (qualche

decina di ms).

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La Short Time Fourier Transform (1)

La STFT applica la trasformata di Fourier a porzioni del segnale

Il segnale viene moltiplicato per una finestra w(t) che trasla nel tempo

Fornisce una frequenza

collocazione temporale di una certa banda di

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“FINESTRAGGIO” DEI DATI

Il finestraggio dei dati (data windowing) consente di controllare gli effetti dovuti ai lobi laterali negli stimatori spettrali.

Si suppone che una sequenza nota e finita di dati (e/o di campioni dell’autocorrelazione) sia una parte di una sequenza di durata infinita, ottenuta da un finestraggio dei dati.

L’ipotesi implicita in questo ragionamento è che i dati non osservabili, esterni alla finestra allo studio, siano tutti uguali a zero.

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La Short Time Fourier Transform (2)

f t Fissato il tipo di finestra, il prodotto * è costante,

w(t) a supporto ampio

w(t) a supporto stretto

Buona risoluzione in frequenza

Bassa risoluzione nel tempo

Bassa risoluzione in frequenza

Buona risoluzione nel tempo

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STFT

Si dimostra che vale la seguente relazione fra durata

temporale Δt e larghezza di banda Δf:

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STFT

DURATA COSTANTE SPETTRO TRASLATO IN FREQUENZA

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FT PER SEGNALE DI DURATA FINITA

I segnali reali sono quasi sempre di durata finita. La FT di un segnale di durata finita si

ottiene dalla convoluzione della FT del segnale e quella di un’opportuna “finestra” x(t):

nessuna

distorsione

Modulo

finestra

|X(Ω)| e

sin(Ω0t),

della FT della

(rettangolare) x(t),

del segnale infinito

|Fsin(Ω0t)|

allargamento

lobo

principale

lobi laterali

Modulo della FT del segnale

finito y(t):

Y(Ω)=X(Ω) |Fsin(Ω0t)|

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FINESTRAGGIO I lobi laterali della trasformata della finestra, anche detti “leakage” (dispersione), influenzano le ampiezze delle frequenze adiacenti.

Il leakage non solo produce una distorsione in ampiezza per segnali campionati, ma può mascherare impedirne l’individuazione.

la presenza di segnali deboli, ed

Esistono molte funzioni finestra, per ottenere livelli accettabili per i lobi laterali.

Una diminuzione dei lobi laterali consente infatti di ridurre la distorsione. Questo si ottiene però allargando la risposta in frequenza del lobo principale, che causa una riduzione della risoluzione spettrale.

E’ quindi necessario considerare soluzioni di compromesso fra l’ampiezza del lobo principale ed il livello di soppressione dei lobi laterali.

Le più note finestre per segnali campionati sono: rettangolare, triangolare, Hanning, Hamming, Nuttall, Gaussiana.

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FINESTRE E RISOLUZIONE

(a-b) Rettangolare; (c-d) Triangolare; (e-f)

Hanning; (g-h) Hamming; (i-j) Nuttal; (k-l)

Gaussiana; (m-n) Chebyshev

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FINESTRE E DTFT