エネルギースペクトル密度とは? わかりやすく解説

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エネルギースペクトル密度

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2021/10/07 20:14 UTC 版)

スペクトル密度」の記事における「エネルギースペクトル密度」の解説

エネルギースペクトル密度 (ESD) は、信号時系列エネルギー周波数についてどのように分布するかを示す。f(t) が有限エネルギー信号であるとき、その信号スペクトル密度 ESD(ω) は、信号フーリエ変換したときの大きさ2乗である(ここで、エネルギー信号2乗積分したものであり、その信号電圧として 1Ω の負荷加えたときの物理エネルギー等しい)。 E S D ( ω ) = | 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( t ) e − i ω t d t | 2 = F ( ω ) F ∗ ( ω ) 2 π {\displaystyle ESD(\omega )=\left|{\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\int _{-\infty }^{\infty }f(t)e^{-i\omega t}\,dt\right|^{2}={\frac {F(\omega )F^{*}(\omega )}{2\pi }}} ここで ω は角周波数周波数に 2 π {\displaystyle 2\pi } を掛けたもの)であり、F(ω) は f(t) の連続フーリエ変換、F*(ω) はその複素共役である。 1 / 2 π {\displaystyle 1/2\pi } という係数絶対的なものではなくフーリエ変換での正規化定数の定義依存する。 例として、f(t) が伝送路通って伝播する電気信号電位を(ボルトで)表す場合スペクトル密度 ESD(ω)測定単位は volt2×seconds2 として現れるが、物理学スペクトルエネルギー密度としてはまだ次元的に正確ではない。しかしながら、(オーム表される伝送路特性インピーダンス Z によって除算すると、ESD(ω)次元は1オーム当たり volt2×seconds2 になる。これは、1 ヘルツ当たりのジュール物理学定義されるスペクトルエネルギー密度国際単位)と等価となる。 信号離散的で、値が fn = f(n,dt) で表されるとした場合無限に続くとするならエネルギースペクトル密度は次のように得られるE S D ( ω ) = | d t 2 π ∑ n = − ∞ ∞ f n e − i ω n | 2 = d t 2 2 π F d ( ω ) F d ∗ ( ω ) {\displaystyle ESD(\omega )=\left|{\frac {dt}{\sqrt {2\pi }}}\sum _{n=-\infty }^{\infty }f_{n}e^{-i\omega n}\right|^{2}={\frac {dt^{2}}{2\pi }}F_{d}(\omega )F_{d}^{*}(\omega )} ここで、F(ω)fn離散時間フーリエ変換である。数学ではサンプリング間隔 dt を 1 として扱うことが多い。しかしながら正確な物理単位維持するためと、dt → 0 とした場合連続時間関数逆変換できること保証するためには dt が必要となる。

※この「エネルギースペクトル密度」の解説は、「スペクトル密度」の解説の一部です。
「エネルギースペクトル密度」を含む「スペクトル密度」の記事については、「スペクトル密度」の概要を参照ください。

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