spektrivuotoa

Spektrivuoto (spectral leakage) on signaalinkäsittelyssä esiintyvä ilmiö, jossa taajuuskomponenttien energia leviää ympäröiviin taajuuksiin, kun signaalia analysoidaan lyhyellä aikavälillä. DFT:llä tai FFT:llä saatu spektri olettaa, että tarkasteltu signaali koostuu ajallisesti peräkkäisistä, toisistaan erillään olevista jaksoista, ja että se on ajallisesti periodinen tämän ikkunan sisällä. Kun tämä oletus ei päde, osa todellisesta energiasta levittäytyy naapuritaajuuksille; näin syntyy spektrikuva, jossa yksittäinen taajuuskomponentti näkyy laajempana ja sen amplitudi voi olla väärin tulkittu.

Pääsyyt spektrivuotoon ovat signaalin rajaus tiettyyn aikaikkunaan sekä ikkunointi-ilmiöiden aiheuttamat katkoksia signaalissa. Erityisesti, kun taajuuskomponentti ei ole täsmälleen sellainen, että se vastaisi kokonaislukua Fourier-binien taajuuksista, energian jakautuminen tapahtuu useammalle binille. Tämä ilmiö on yleinen sekä ääni- että viestintäsignaaleissa sekä mittaus- ja spektrianalyysissä.

Vaikutukset voivat heikentää taajuusarvioiden tarkkuutta: piikkien leviäminen hisselee, amplitudit voivat olla liian suuria tai pieniä, ja pienet komponentit saattavat jäädä havaitsematta. Spektrivuoto voi kuitenkin olla hyödyllinen muistutus ilmiön perusluonteesta ja vaatia tietojen tulkinnan erityistä varovaisuutta.

Vähentäminen ja hallinta tapahtuvat useilla keinoilla. Yleisimpiä ovat ikkunointimenetelmät, kuten Hann, Hamming ja Blackman sekä tiukemman suojan antavat Kaiser- ja DPSS-ikkunat, joiden avulla voidaan vähentää sivupiikkien voimakkuutta ja hallita päälaajan leveyttä. Yleistä on myös pidentää analysoitavaa dataa, käyttää useampia ikkunoita Welchin menetelmää tai soveltaa monen otoksen spektrianalyysiä. Zero-padding auttaa erottamaan taajuuksia paremmin, ei poista itse vuotoutumista, mutta parantaa tulkittavuutta.

Spektrivuoto on luonnollinen osa aika-ikkunan Fourier-analyysiä, ja sen ymmärtäminen auttaa tekemään tarkempia ja luotettavampia spektri- ja voimanlähdearvioita.