DSP 101
M9 · L2
الوحدة 9 — الـ spectral analysis
الـ periodogram وطريقة Welch

من الـ periodogram المتلخبط لتقدير PSD تعتمد عليه — إزاي الـ averaging بيغيّر الـ spectral analysis.

1 / 9
DSP 101
M9 · L2
المشكلة الجوهرية
العيب القاتل في الـ periodogram

الـ periodogram (الدورية) (|DFT|²/N) بسيط بس مكسور من الأساس — الـ variance بتاعه مبيقلّش لما البيانات تزيد.

Periodogram
\hat{S}(\omega) = \frac{1}{N}\left|\sum_{n=0}^{N-1} x[n]\, e^{-j\omega n}\right|^2
الحقيقة الجوهرية
Var[Ŝ(ω)] ≈ S²(ω) مهما كان N. إنك تجمع بيانات أكتر بـ 10× مش هيفيد — كل bin لسه عنده تقدير واحد متلخبط
2 / 9
DSP 101
M9 · L2
الخصائص الإحصائية
الـ bias قصاد الـ variance

أي estimator بيتقيّم بالـ bias (الغلط المنهجي) والـ variance (التذبذب العشوائي). والـ periodogram بيفشل في الـ variance.

✓
الـ bias → 0
✗
الـ variance ثابت
✗
inconsistent
  • asymptotically unbiased (الـ bias بيقل مع N)
  • الـ variance ≈ S²(ω) — مبيقلّش مع N
  • estimator inconsistent — مبيتقاربش للحقيقة
  • الحل: averaging لتقديرات مستقلة كتير
3 / 9
DSP 101
M9 · L2
الحل الأول (1948)
طريقة Bartlett

قسّم البيانات لـ K segment مش متداخلين طولهم M. احسب الـ periodogram لكل segment وبعدين خد المتوسط — الـ variance بينزل بمعامل K.

Bartlett
\hat{S}_B(\omega) = \frac{1}{K}\sum_{i=0}^{K-1} \frac{1}{M}\left|\sum_{n=0}^{M-1} x_i[n]\, e^{-j\omega n}\right|^2
المقايضة
M أقصر → segments أكتر → variance أقل، بس الـ frequency resolution Δf = f_s/M بتقل
4 / 9
DSP 101
M9 · L2
المعيار في الصناعة (1967)
تحسينات Welch

Welch طوّر طريقة Bartlett بإضافتين بقوا عالميين: segments متداخلة وwindow functions.

  • الـ overlap: الـ segments بتشترك في البيانات (عادةً 50٪) → segments أكتر → variance أقل من غير بيانات زيادة
  • الـ window: windowing لكل segment بـ Hann/Hamming → بيشيل الـ spectral leakage من الحواف الحادة
  • النتيجة: تقديرات PSD أنعم وتعتمد عليها أكتر
  • بيتستخدم في: MATLAB pwelch()، scipy.signal.welch()
5 / 9
DSP 101
M9 · L2
اختيارات التصميم
ظبط parameters الـ Welch

تلات زراير بيتحكّموا في الـ estimator — كل واحد بيوازن الـ resolution قصاد الـ variance:

  • طول الـ segment M: M أكبر → Δf أدق، بس segments أقل (variance أعلى)
  • نسبة الـ overlap: overlap أكتر ← segments أكتر ← variance أقل (مكاسب بتقل فوق 75٪)
  • الـ window: Hann للأغراض العامة؛ Kaiser لتحكّم مرن في الـ side lobes
  • قاعدة عملية: Hann + overlap 50٪ لأغلب التطبيقات
  • مفيش حاجة ببلاش: البيانات الكلية بتحدّد حاصل ضرب الـ resolution × الـ variance
6 / 9
DSP 101
M9 · L2
عمليًا
طريقة Welch بتفرق فين
  • قياس أرضية الـ noise: الـ thermal noise، توصيف الـ phase noise
  • مراقبة الاهتزازات: قمم الـ resonance في الماكينات اللي بتلف
  • EEG / طب حيوي: قدرة نطاقات المخ (دلتا، ثيتا، ألفا، بيتا)
  • تحليل الصوتيات: صوتيات الأوض، response السماعات
  • الاتصالات: الـ PSD بتاعة القناة، ورسم خريطة التداخل
  • معالجة الكلام: تقدير الـ spectral envelope للـ codecs
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 · L2
أهم النقط
اتعلّمت إيه
  • الـ periodogram: unbiased بس الـ variance عالي — الـ variance ≈ S²(ω) مهما كان N
  • Bartlett: متوسط K periodogram مش متداخلين → الـ variance ÷ K
  • Welch: ضيف overlap + window → segments أكتر، leakage أقل
  • Hann + overlap 50٪ هو أشهر اختيار عملي
  • الـ resolution والـ variance بيتبادلوا التأثير — بيانات أكتر بتفيد، بس المقايضة بتفضل
  • pwelch() وscipy.signal.welch() بينفّذوا Welch افتراضيًا
اقرا المقالة كاملة ←
9 / 9
1 / 8 صامت