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Datenanalyse – Signalverarbeitung in Origin und OriginPro

Signalverarbeitung in Origin und OriginPro

Origin enthält eine Vielzahl von Hilfsmitteln für Aufgaben im Bereich der Signalverarbeitung, deren digitale Techniken normalerweise eingesetzt werden, um Informationen aus Signalen zu extrahieren oder sie zu verstärken.

Viele Hilfsmittel enthalten ein Vorschaufenster mit Zoomsteuerung und zusätzliche interaktive Funktionen wie einen vertikalen Cursor zum Festlegen der Grenzfrequenzen. Benutzerdefinierte Analyseeinstellungen für jedes Hilfsmittel können als Design gespeichert werden, um sie wiederholt nutzen zu können.

Die Hilfsmittel zur Signalverarbeitung umfassen:

  • Signaltransformationen
  • Filterung und Glättung
  • Korrelation
  • Faltung/Entfaltung
  • Wavelet-Analyse (nur OriginPro)
  • Minitool Flankenanalyse (nur OriginPro)
  • Datenreduktion (nur OriginPro)
  • Kohärenz (nur OriginPro)
  • Umhüllungskurven (nur OriginPro)

Filterung

Ergebnisse der FFT in Origin

Ergebnisse der FFT in Origin einschließlich ursprüngliches Signal und Ergebnisse in der Frequenzdomäne

FFT-Filter

Origin stellt einen FFT-Filter zur Verfügung, um die Fourier-Komponenten mit Frequenzen, die höher als eine festgelegte Grenzfrequenz sind, zu entfernen.
Die folgenden Filtertypen sind verfügbar:

  • Tiefpass
  • Tiefpass parabolisch
  • Hochpass
  • Bandpass
  • Bandblock
  • Schwellenwert

Der Schwellenwertfilter entfernt die Frequenzkomponenten, deren Amplituden unten einen spezifischen Schwellenwert liegen. Der parabolische Tiefpassfilter verwendet eine parabolische Form zwischen dem Tiefpass und den Stopfrequenzen. Die anderen Filter verwenden rechteckige Fensterformen.

Ergebnis des IIR-Filters

Ergebnis des IIR-Filters

IIR-Filter-Design (nur OriginPro)

OriginPro enthält einen IIR-Filter (Infinite Impulse Response), mit dem Anwender digitale IIR-Filter entwerfen, analysieren und implementieren können. Mit einem Vorschauassistenten kann eine Echtzeit-Visualisierung der festgelegten Parameter und entsprechenden Ergebnisse dargestellt werden.

Die folgenden Filtermethoden sind verfügbar:

  • Butterworth
  • Tschebyscheff Typ I
  • Tschebyscheff Typ II
  • Elliptisch

2D-FFT-Filter (nur OriginPro)

OriginPro verfügt über einen 2D-FFT-Filter, um die gewünschten Frequenzkomponenten aus 2D-Signalen, einschließlich Matrizen und Bildern, auszuwählen.

Die Filter führen zunächst eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation durch (2D-FFT), wenden dann einen Frequenzdomänenfilter an und führen zuletzt eine 2D-IFFT durch, um sie zurück in die räumliche Domäne zu konvertieren.

Die folgenden Fenstertypen sind verfügbar:

  • Butterworth
  • Ideal
  • Gaussian
  • Blackman

Es gibt vier Möglichkeiten, eine Grenze festzulegen:

  • Bruch
  • Fourier Pixel
  • Wellenlänge
  • Frequenz (Hertz)

Glättung

Glättung in Origin

Glättung

Typische Untersuchungsdaten enthalten unterschiedliche Anteile von Rauschen. Rauschen kann wichtige Merkmale wie Impulse, Täler und Impulsbreiten überdecken. Außerdem kann es das Berechnen von Signalmerkmalen wie Steigungen, Flächen und Impulsbreiten erschweren.

Origin bietet mehrere Methoden, um Daten zu glätten, wobei jede Methode eine eigene Technik verwendet, um die gewünschten Informationen aus Ihren Daten zu extrahieren. Unterstützte Methoden sind:

  • Savitzky-Golay
  • Gleitender Durchschnitt
  • FFT-Filter
  • Rangordnungsfilter
  • Lowless und Loess

Signaltransformationen

In der Signalverarbeitung ist die Signaltransformation ein wichtiges Element in der Analyse der digitalisierten Signale. Origin verfügt über umfassende Transformationsmethoden und Darstellungsmöglichkeiten.

  • Schnelle Fourier-Transformation und inverse schnelle Fourier-Transformation (FFT/IFFT)
  • Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) (nur OriginPro)
  • Hilbert-Transformation (nur OriginPro)
  • 2D-FFT/2D-IFFT (nur OriginPro)
  • Bildprofil: Einfaches Linienprofil: Horizontal, Vertikal, Gerade

FFT in Origin

Schnelle Fourier-Transformation in Origin

Schnelle Fourier-Transformation und inverse schnelle Fourier-Transformation (FFT/IFFT)

Die schnelle Fourier-Transformation in Origin kann die Frequenzen und komplexen transformierten Ergebnisse mit einer breiten Auswahl von Fensteroptionen berechnen, einschließlich:

  • Dreieckig
  • Rechteck
  • Bartlett
  • Welch
  • Hanning
  • Hamming
  • Blackman

Außerdem können Betrag, Amplitude, Phase, ein-/zweiseitige Leistungsdichte und weitere Ergebnisse berechnet werden. Die Schätzung der Leistungsdichte kann mit drei verschiedenen Methoden durchgeführt werden:

  • MSA
  • SSA
  • TISA

Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) (nur OriginPro)

Kurzzeit-Fourier-Transformation in Origin

Kurzzeit-Fourier-Transformation

Die Kurzzeit-Fourier-Transformation in Origin kann eine STFT auf reale und komplexe Signale durchführen und entweder komplexe STFT-Ergebnisse oder ihre Amplituden erzeugen.

Die Länge des beweglichen Fensters, die Stufen, denen sich das Fenster nähert, das Abtastintervall und der Fenstertyp können festgelegt werden. Die folgenden Fenstertypen sind verfügbar:

  • Rechteck
  • Welch
  • Dreieckig
  • Bartlett
  • Hanning
  • Hamming
  • Blackman
  • Gaussian
  • Kaiser

2D-FFT/2D-IFFT (nur OriginPro)

Die 2D-FFT in OriginPro führt die vorwärts gerichtete diskrete 2D-Fourier-Transformation (DFT) auf Matrixdaten durch, um die komplexen Ergebnisse und Amplituden, Phasen und Leistungen, die aus komplexen Ergebnissen abgeleitet sind, zu ermitteln.

Sie können die Amplitudenmatrix normieren und die DC-Komponente zum Zentrum der Ergebnismatrizen verschieben.

Faltung

Die Faltung von zwei Datensätzen ist ein allgemeiner Prozess, der für verschiedene Arten der Datenglättung, Signalverarbeitung oder Kantenerkennung verwendet werden kann. Hauptsächlich zielt sie darauf ab, den Effekt der Systemantwort auf ein Signal einzuschließen.

Es werden zwei Typen der Faltung und Entfaltung unterstützt:

  • Linear
  • Zirkulär

Korrelation

Origins Korrelationsfunktion wird benutzt, um die spektrografische Ähnlichkeit zweier Datensätze zu untersuchen. Statistisch gesehen können zwei Datensätze mit einander korrolieren, obwohl sie völlig unähnlich sind.

Origin unterstützt 1D- und 2D-Korrelation, um die Korrelation zwischen einem Paar von Signalen zu erkennen:

  • Korrelation
  • 2D-Korrelation (nur OriginPro)

Weitere Features in OriginPro

Wavelet-Analyse (OriginPro)

Kontinuierliche Wavelet-Transfromation in OriginPro

Kontinuierliche Wavelet-Transfromation in OriginPro

Wavelet-Transformationen werden in vielen Anwendungen verwendet, darunter Datenkomprimierung, Signalglättung, Rauschentfernung und Bildanalyse. Die Hilfsmittel der Wavelet-Analyse umfassen:

  • Kontinuierliche Wavelet-Transformation
  • Diskrete Wavelet-Transformation - (Zerlegung)
  • Inverse diskrete Wavelet-Transformation - (Rekonstruktion)
  • Mehrstufige Wavelet-Zerlegung
  • Glätten
  • Rauschentfernung
  • 2D-Wavelet-Zerlegung
  • 2D-Wavelet-Rekonstruktion

Minitool Flankenanalyse (OriginPro)

Minitool Flankenanalyse

Es werden drei Methoden zum Suchen der Anstiegs-/Abfallszeit unterstützt: Lineare Suche, Histogramm, Größtest Dreieck

  • Auswahl eines bestimmten Bereichs des Signals durch Verschieben und Verändern der Größe des ROI-Objekts (Region of Interest)
  • Auswahl der gewünschten Datenzeichnung in einem Diagrammlayer mit mehreren Zeichnungen
  • Anzeige der Stufen von High- und Low-Zustand im Dialog des ROI-Objekts
  • Anzeige von Anstiegs-/Abfallszeit sowie Anstiegs-/Abfallsbereich oberhalb des ROI-Objekts

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Datenreduktion (OriginPro)

Datenreduktion wird eingesetzt, um die Anzahl von Datenpunkten (Messpunkten) in einem Datensatz zu reduzieren; Ziel ist dabei keine maßgeblichen Information zu verlieren. Zwei Filter sind verfügbar:

  • Gleitender Durchschnitt
  • Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter)

Kohärenz (OriginPro)

Kohärenz – der Grad der linearen Abhängigkeit von zwei Signalen – wird ausgewertet, indem getestet wird, ob die Signale ähnliche Frequenzkomponenten enthalten.

Umhüllungskurven (OriginPro)

Eine Umhüllungskurve verfolgt die Höhen und Tiefen eines periodischen Signals.

  • Obere, untere oder beide Kurven
  • Glättungsoption bei Umhüllungserkennung

Hilbert-Transformation (OriginPro)

Die Hilbert-Transformation eines Signals ergibt eine Verschiebung um +90 Grad der negativen Frequenzkomponenten des Signals und eine Phasenverschiebung um -90 der positiven Frequenzkomponenten. Dieses Hilfsmittel berechnet sowohl die Hilbert-Transformation als auch die analytische Darstellung des Eingabesignals.

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