DSP 101
M9 · L1
الوحدة 9 — الـ spectral analysis
الـ power spectral density

الأداة الأساسية لتوصيف الـ signals العشوائية — بتوصف القدرة متوزّعة إزاي على الـ frequencies.

1 / 9
DSP 101
M9 · L1
الفكرة الجوهرية
القدرة قصاد الـ frequency

الـ signals العشوائية ملهاش DFT واحد — بتبان مختلفة كل مرة. والـ PSD بتلقط متوسط القدرة عند كل frequency على كل الـ realizations.

  • الـ DFT بيدّي الـ amplitude والـ phase للـ signals الثابتة (deterministic)
  • الـ PSD بتدّي توزيع القدرة المتوسط للـ signals العشوائية
  • دايمًا قيمها حقيقية ومش سالبة
  • الوحدات: واط/هرتز أو V²/هرتز (أو dBm/Hz عمليًا)
2 / 9
DSP 101
M9 · L1
نظرية وينر-خينتشين
الـ PSD = الـ DTFT للـ autocorrelation

الـ power spectral density (كثافة الطيف الطاقي) هي تحويل فورييه للـ autocorrelation — رابط عميق بين الـ correlation في الزمن والبنية الطيفية.

Wiener-Khinchin
S_{xx}(\omega) = \sum_{k=-\infty}^{\infty} R_{xx}[k]\, e^{-j\omega k}
الحدس
autocorrelation قصير → PSD عريضة ومفرودة. autocorrelation بيقل بالراحة → تركّز عند الـ frequencies الواطية
3 / 9
DSP 101
M9 · L1
علاقة القدرة
المساحة تحت الـ PSD = القدرة الكلية

تكامل الـ PSD على كل الـ frequencies بيدّي القدرة الكلية للـ signal.

R[0]
القدرة الكلية
∫S(ω)
تكامل الـ PSD
=
متساويين دايمًا
  • مقياس dB: 10·log₁₀(S(f)) — بيبيّن المكوّنات القوية والضعيفة
  • PSD مفرودة → white noise (قدرة متساوية عند كل frequency)
  • PSD فيها قمة → colored noise أو signal نغمية
4 / 9
DSP 101
M9 · L1
اصطلاحين
أحادي الجانب قصاد ثنائي الجانب

الـ signals الحقيقية ليها PSD متماثلة (S(ω) = S(−ω))، فالاصطلاحين شايلين نفس المعلومات — بس القيم بتختلف.

  • ثنائي الجانب: بيغطّي [−π, π] — المساحة = القدرة الكلية
  • أحادي الجانب: بيغطّي [0, π] — القيم مضاعفة (G = 2S)
  • الـ spectrum analyzers ودالة pwelch() بيرجّعوا أحادي الجانب افتراضيًا
  • الـ signals المركّبة (I/Q) محتاجة PSD ثنائية الجانب
  • فرق 3 dB لما تخلط بين الاصطلاحين!
5 / 9
DSP 101
M9 · L1
تقدير الـ PSD
الـ periodogram (الدورية)

أبسط تقدير للـ PSD من بيانات محدودة: مربّع magnitude الـ DFT مقسوم على N. بسيط بس فيه عيب أساسي.

Periodogram
\hat{S}(\omega) = \frac{1}{N}\left|\sum_{n=0}^{N-1} x[n]\, e^{-j\omega n}\right|^2
نقطة الضعف الأساسية
الـ variance بيفضل ~100٪ مهما كان حجم البيانات. بيانات أكتر = frequency resolution أعلى، مش noise أقل
6 / 9
DSP 101
M9 · L1
الاستخدامات العملية
الـ PSD بتفرق فين
  • أرضية الـ noise: الـ thermal noise عند −174 dBm/Hz عند 290 K
  • كشف الـ signals: قمم طيفية فوق أرضية الـ noise
  • القناة اللاسلكية: ملف الـ frequency-selective fading
  • الصوتيات: resonances الأوض، harmonics الآلات
  • الاهتزازات: resonance ميكانيكي، كشف عدم الاتزان
  • EEG: نطاقات إيقاع المخ (δ، θ، α، β، γ)
7 / 9
DSP 101
اختبار سريع

شوف إيه اللي ثبت

أربع أسئلة من الدرس ده. جاوب عشان تشوف السبب — الشرح بيظهر سواء جاوبت صح أو غلط. ونتيجتك مش بتتحفظ.

السؤال 1 من 0
النتيجة 0/0

8 / 9
DSP 101
M9 · L1
أهم النقط
اتعلّمت إيه
  • الـ PSD = متوسط توزيع القدرة على الـ frequencies للـ signals العشوائية
  • وينر-خينتشين: الـ PSD هي الـ DTFT للـ autocorrelation sequence
  • تكامل الـ PSD = القدرة الكلية (المساحة = R_xx[0])
  • الأحادي الجانب بيضاعف قيم الثنائي الجانب؛ غلطة 3 dB لو خلطت بينهم
  • الـ periodogram بسيط بس الـ variance بتاعه عالي — الدرس الجاي: طريقة Welch
  • الـ white noise الـ PSD بتاعته مفرودة؛ والحد الحراري ≈ −174 dBm/Hz عند 290 K
اقرا المقالة كاملة ←
9 / 9
1 / 8 صامت