Chapter 3. 計算模組 (Compute)

參數名稱	參數定義	預設值
Channel Count	輸入訊號的總通道數。	0
Active Channel	設定欲選取的資料。	Channel 1，即第一個通道資料。
Select Last Channel	是否預設為選定最後一個通道資料。	false

範例(Example)

將正弦波與三角波合為一個 multi-channel 資料，用 Channel Switch 選擇正弦波訊號。

以 Source / Sine Wave 建立正弦波源，Source / Triangle Wave 建立三角波源，在 Sine 與 Triangle 這兩元件的 Properties / Source 裡，取樣頻率(SamplingFreq)設定為預設值 1000，訊號頻率(SignalFreq) 分別設定為 6 與 15，再用 Conversion / Merge to Multi-channel 將兩組格式相同的訊號結合為一組多筆 ( multi-channel ) 的訊號。

再將 ToMulti 的輸出接上 Channel Switch，再以 Viewer / Channel Viewer 繪製結果，並改變 Channel Switch 的 Properties / Active Channel，可觀察到只留下正弦或三角波。

注意 :

Channel Switch 只是將原本多通道訊號減為單通道(single channel)資料，並非分離波形。

相關指令

Merge to Multi-channel，Channel Viewer，Sine Wave ，Triangle Wave。

3.1.2 Data Selection

選取某段時間內的訊號資料。

參數設定(Properties)

本模組接受實數(real number)、複數(complex number)，單通道(single channel)或多通道(multi-channel)，regular的訊號(signal)或聲音訊號(audio)輸入。參數須設定起始與終點位置，其單位等於輸入訊號的時間單位。

參數名稱	參數定義	預設值
StartPosition	設定選取資料的時間起點。	輸入訊號的時間起點。
EndPosition	設定選取資料的時間終點。	輸入訊號的時間終點。
DownSampleStep	每多少個點重新取一個點，用來降低取樣頻率。	1
NewCount	擷取出新資料的數量。	0

範例(Example)

以 Source / Sine Wave 建立正弦波，在 Sine 元件的 Properties / Source ，此例的取樣頻率(SamplingFreq) 設定為預設值 1000，訊號頻率(SignalFreq) 設為 20，並用 Viewer / Channel Viewer 觀察之。

原本訊號接上 Data Selection，並設定選取的起點與終點 ( 在此例為起點 0.2 s，終點 0.4s )，可觀察到該段時間內訊號被截取出來。注意選取部份不可超過原長度( 以此例來說就是不在 [ 0 , 1]的範圍內 )，否則將無法運作。

相關指令

Channel Switch，Channel Viewer，Sine。

3.1.3 Dup

複製輸入訊號源。（主要可應用為 Macro 之起點，請參考 Chapter 8.1。）

參數設定(Properties)

Dup 接受所有訊號格式作為輸入，無需設定參數。

範例(Example)

將正弦波複製：

以 Source / Sine Wave 建立正弦波，並觀察之。

在 Sine 元件的 Source / Properties，此例的取樣頻率 ( SamplingFreq ) 設定為預設值 1000，訊號頻率 ( SignalFreq ) 設為 10。

原本訊號接上 Dup，可見複製出來者完全相同。

下面是將Dup 應用於 Macro 的實例：

將訊號做傅立葉轉換以算出頻率；同時將原訊號做 Hilbert 轉換，比較兩者算出頻率之異同。處理程序如下配置:

將此配置為 Macro (巨集)，再匯入時會成為如下結果：

(剛匯入時計算並不會執行，要按下 force update 才會有結果)

由上圖可見，若將原訊號置換為其他訊號以進行計算，是需要以手動方式將新訊號源接上 FFT 以及 Hilbert 模組。在要做更多處理時會愈加複雜，並易出錯。

若現在將資料源與計算中間插入一 Dup :

同樣地，存為巨集然後匯入 :

可見到只要將資料替資並連結上 Dup，較之前方法方便極容易許多。

相關指令

Macro。

3.1.4 Fill Null Value

將缺值的資料補值。

說明

將輸入訊號資料為 NaN ( Not A Number ) 或 Null 之缺值部份補齊。

參數設定(Properties)

本模組接受實數(real number)，單通道(single channel)或多通道(multi-channel)，regular 的訊號(signal)或聲音訊號(audio)輸入。參數為 FillMethod，內有五個選項，相關定義與預設值整理如下表。

參數為 FillMethod 內有五個選項，可選擇不同的補值方法。相關定義與預設值整理如下表。

參數名稱	參數定義	預設值
FillMethod	填補方法，有 FixedValue、PrevValue、NextValue、LinearInterpolation 與 SplineInterpolation。	LinearInterpolation

選項名稱	選項定義
FixedValue	由使用者輸入一個定值作為缺值的大小。此參數下方會出現欄位 NullValue，即設定欲補入之數值。
PrevValue	缺值處之值以前方最鄰近非缺值之數值補值。
NextValue	缺值處之值以後方最鄰近非缺值之數值補值。
LinearInterpolation	缺值處之值，以前後第一個非 Null 的兩值做線性內插。
SplineInterpolation	做三次曲線內插補值。
MonotonicCubic	為有 damping 的三次內插法，此法在處理在斜率很大的訊號(如方波)時，可避免劇烈振盪，較 Spline 為佳。

範例(Example)

填補缺值複製：

打開安裝目錄 ( C:\ Program Files \ AnCAD \ Visual Signal \ demo \ Basic ) 下的 Demo53，可看見有缺值的訊號。

在 Demo53 中，利用 SplineInterpolation、Linear、Fixed Value、MonotonicCubic 四種方法補值，下圖是以 SplineInterpolation 方法補值後的圖形。

若是以 Linear Interp，補值後圖形可知填補法明顯不同。

在外部匯入資料時，Text Importer 即有一選項為填補缺值之功能，與此元件完全相同。

現在將一個缺值的訊號匯入（此資料為將原本的方波隨意去除部份值），匯入後不補值（將 Text Importer 的 Null Value Handle下的 Use Null Handle 關閉），結果如下。

現在將原始輸入訊號分別以 Spline Interpolation 以及 Monotonic Interpolation 填補。

由此可看出兩者填補的結果不盡相同，細黑線是 Spline Interpolation，藍粗線為 Monotonic Interpolation。

相關指令

Text Importer，Resampling。

3.1.5 Remove Channel

將多通道(multi-channel)訊號中的某中一個通道的訊號移除。

參數設定(Properties)

本模組接受實數(real number)、複數(complex number)，多通道(multi-channel)，regular或indexed的訊號(signal)或聲音訊號(audio)輸入，參數定義詳見下面圖表。

參數名稱	參數定義	預設值
Channel Count	輸入訊號的總通道數。	0
Remove Channel	選定欲移除的資料。	Channel 1
Select Last Channel	是否設為選定最後一筆資料。	False

範例(Example)

將正弦波、三角波及方波結合為同一個 (multi-channel) 訊號，再將其中某個通道訊號移除：

以 Source / Sine Wave、Square Wave 及 Triangle Wave 建立正弦波、方型及三角波，並用 Conversion / Merge to Multi-Channel 將三個輸入訊號整合為一個(multi-channel) 訊號。在各波源的取樣頻率 ( SamplingFreq ) 皆為預設值 1000，而訊號頻率 ( SignalFreq )，分別為 5 (Sine Wave )、8 ( Square Wave )、Triangle 設定為 15，以觀察不同波形。

在 Merge to Multi-Channel 後連結上 Compute / Channel / RemoveChannel ，選定移除第一通道訊號 ( Sine Wave )，可得如下頁圖之結果：

再改變 Remove Channel 的 Properties，將 Select Last Channel 調整為 True，則 Remove Channel 將自動設為 Channel 3，為刪除第三個通道資料，即也就是 Triangle Wave 訊號。

注意:

Channel Switch 為將選取的資料留下，其餘刪除；而 Remove Channel 恰相反：刪除選取訊號、其餘保留。

相關指令

Merge to multi-channel，Channel Switch。

3.1.6 ReplaceValue

將訊號中一數值取代為另一數值，或將一段訊號的數值全以另一數值取代。

參數設定(Properties)

本模組接受實數(real number)，單通道(single channel)或多通道(multi-channel)，regular的訊號(signal)與聲音訊號(audio)輸入。參數定義與預設值整理如下表。

參數名稱	參數定義	預設值
ReplaceMethod	設定取代的方法，包含 SingleValue、Segment、ByPass。	SingleValue

假設 ReplaceMethod 設定為 SingleValue，則可設定參數如下表。

參數名稱	參數定義	預設值
ReplaceFrom	設定欲取代的數值。	0
ReplaceTo	設定取代後的數值。	0

假設 ReplaceMethod 設定為 Segment，則可設定參數如下表。

參數名稱	參數定義	預設值
ReplaceValue	設定取代後的數值。	0
StartPosition	設定被取代訊號的起始點。	0
EndPosition	設定被取代訊號的終點。	End

範例(Example)

將一方波的峰值改變成另一數值：

以 Source / Square Wave 建立一方波，以 Viewer / Channel Viewer 繪出。

將 Square 連上 Compute / Channel / ReplaceValue，設定 Properties / ReplaceFrom 等於 1，ReplaceTo 為 -0.5，如此處理即為將訊號中所有 1 的數值由 -0.5 取代。可見圖形有明顯不同：

再將 ReplaceValue 中 Properties/ ReplaceMethod 調整為 Segment，進一步設定 Properties / ReplceValue 為 0.2，StartPosition 為 0.3 ，EndPosition 為 0.6，如下圖。

注意 : 一次只能取代單一數值，若有多項數值要處理，需使用多次 ReplaceValue。

注意 : 若要依據某些條件進行數值取代，例如訊號大小介於 5 至 10 的值要被取代為另一個值，請參考 Mathmatics / Math 的 Example。

相關指令

無

3.1.7 Resampling

將訊號的重新取樣，取樣後點數可比原本訊號少、也可比原本訊號多。

參數設定(Properties)

本模組接受實數(realnumber)、複數(complex number)，單通道(single channel) 或多通道(multi-channel)，regular的訊號(signal)與聲音訊號(audio)輸入。

參數 Properties / Data 下顯示輸入訊號的取樣頻率與資料長度，參數 ReSamplingMethod 代表對輸入訊號作重新取樣時所採用的計算方式，NewSamplingFrequency 則設定新的取樣頻率。參數定義詳見下面圖表。

參數名稱	參數定義	預設值
Step Downsampling	設定是否要顯示 StepDownsampling 模式控制。	False
NewSamplingFrequency	重新的取樣的頻率，既單位時間內的點數。	1000Hz
ReSamplingMethod	重新取樣時，補點之方法，在此有三：最近點(Nearest)、線性(Linear)、曲線逼近(Spline)以及(MonotonicCubic)。	Linear
NewCount	顯示重新取樣後的總點數。	無

若預設 StepDownsampling 為 False，則 ReSamplingMethod 的選擇及說明如下圖表所列。

選項名稱	選項定義
NextValue	以最臨近的原訊號值，做為新樣本點處之值。
LinearInterpolation	以前後第一個有定義的兩原訊號值做線性內插。
SplineInterpolation	將原訊號做三次曲線內插以從新取樣。
MonotonicCubic	有 damping 的三次內插取樣，此法在處理在斜率很大的訊號(如方波)時，可避免劇烈振盪，較Spline為佳。

若預設 StepDownsampling 為True，則參數的選擇及說明如下圖表所列。

參數名稱	參數定義	預設值
DownSamplingMethod	降低取樣的方法，方法 Sample、Average、MaxDetect、MinDetect、PeakDetect，說明如下圖表。	Sample
DownSamplingStep	降低取樣時，設定每多少個點重新取出一個點，此設定將影響 NewSamplingFrequency。	1

選項名稱	選項定義
Sample	根據 DownSamplingStep 設定點數，取出這些點的第一點。
選項名稱	選項定義
Average	根據 DownSamplingStep設定點數，取出這些點的平均。
MaxDetect	根據 DownSamplingStep 設定點數，取出這些點的最大值。
MinDetect	根據 DownSamplingStep 設定點數，取出這些點的最小值。
PeakDetect	根據 DownSamplingStep 設定點數，取出這些點的最大及最小值。

範例(Example)

建立一正弦波，並以 Resampling 作重新取樣。

以 Source / Sine Wave 建立正弦波，調整 Source 下的 SamplingFreq 以及 DataLength 為 100 以及 101，再接上 Viewer / Channel View 觀察之。可發現繪製正弦波因為取樣點數不夠多而有點扭曲。

將原本訊號 Sine 接上 Compute / Channel / Resampling，設定 Resampling 下的 NewSamplingFrequency 設為 50 以及ReSamplingMethod 方法為 Linear，觀察兩者之不同。

可由其他取樣法嘗試，比較結果之異同。

另外可以將 Step Downsampling 設定為 True，DownSamplingStep = 2，並且將DownSamplingMethod = Average，觀察於原圖形之不同。

可由其他 DownSamplingMethod 嘗試，比較結果之異同。

現在由 Source 下產生 Square Wave，參數使用預設值，分別以 Spline 與 MonotonicCubic 增點 100 倍 ( NewSamplingFrequency 設為100000 ) ，並畫在同一個 Channel Viewer 上。

注意到在邊緣處，兩者結果相當不同，放大圖形來看為：

其中黑細線為 Spline 的結果，藍粗線為 MonotonicCubic，在此可見後者之結果較佳。

相關指令

Square，Fillng Null Value。

參考

1. Numerical Recipes 3rd Edition: The Art of Scientific Computing by H. Press , Saul A. Teukolsky , WilliamT. Vetterling , Brian P.Flannery

2.http://en.wikipedia.org/wiki/Monotone_cubic_interpolation

3.1.8 Time Shift

將訊號時間點移動，可以對訊號平移(ShiftStartTime)、或直接設定欲移動處之時間點(SetStartTime)、亦或指定起點時間日期(SetStartDateTime)，即訊號的時間軸方向的平移。

參數設定(Properties)

本模組接受實數(real number)、複數(complex number)，單通道(single channel)、多通道(multi-channel)，regular的訊號(signal)與聲音訊號(audio)輸入。

主要參數為ShiftMode，其中包括三個選項，ShiftStartTime、SetStartTime、SetStartDateTime，每選項對應不同的設定，各選項設定之意義整理如下表。

參數名稱	參數定義	預設值
ShiftMode	設定時間起點的方法，包含 ShiftStartTime、SetStartTime、SetStartDate。	ShiftMode = ShiftStartTime

選項名稱	選項定義	選項參數
ShiftStartTime	將整個時間平移。	ShiftValue
SetStartTime	直接指定新的時間起點。	StartValue
SetStartDate	指定新時間起點的日期、為年月日時分秒之型式。	StartDate StartTime

範例(Example)

建立一正弦波，並以 Time Shift 平移。

以 Source / Sine Wave 建立正弦波，調整 Properties / TimeStart為 3。可見得此正弦波初始點為第三秒。

將原本訊號 Sine 接上 Compute / Channel / TimeShift，設定移動方法為 ShiftStartTime，平移量為 2，可見時間起點改為第五秒。

若改用 SetStartTime，而起點 StartValue 設為 1，可發現時間起點移至第一秒。

注意 : RemoveDC 不只可移除直流訊（為訊號既有之縱向平移），亦可由 User_setting 讓使用者設定縱向平移量，可與 TimeShift 作對應。

相關指令

Time Shift，RemoveDC。

3.1.9 Data Merge

可以將一個單通道訊號連接至一個單通道訊號，形成一個單通道訊號。

或者將一個多通道訊號連接至一個多通道訊號，形成一個多通道訊號。

參數設定(properties)

本模組可以接受實數(real number)，單通道(single channel)、多通道(multi-channel)，等間距(regular)，訊號(signal)、聲音訊號(audio)。各參數定義與預設值如下表：

參數名稱	參數定義	預設值
StartPosition	要被連接訊號的新位置，新位置以參考訊號的為基準，預設為參考訊號的最後位置。	end
ReferenceInput	設定參考訊號，StartPosition 是以參考訊號為準。	0

範例(Example)

本範例以 Source / Noise 及 Sine 為原始訊號，然後進行 Data Merge，產生一長度更長的訊號，然後進行運算，步驟如下：

Network 視窗下選擇 Source / Noise，設定時間長度(TimeLength) 為 2s、振幅(Amplitude) 為 1.5，另外再選擇 Source / Sine，設定時間長度(TimeLength) 為 1.5s、振幅(Amplitude) 為 2，兩個模組再各自接至 Viewer / Channel Viewer，所有設定如下圖。

再將 Noise 及 Sine 連接至 Compute / Channel / Data Merge，設定 Data Merge 的參數 ReferenceInput 為 0: Noise，StartPosition 為 1.5，將 Data Merge 連接至 Viewer / Channel Viewer 顯示結果。

將 Data Merge 連接至 Compute / TFA / ShortTerm Fourier Transform，參數皆按照預設值，最後再將 STFT 計算結果以 Viewer / Time-Frequency Viewer顯示。可以看見100Hz 的 Sine 出現在 1.5s 至 3s 之間。

相關指令

Noise，Sine，ShortTerm Fourier Transform，Channel Viewer，Time-Frequency Viewer。

3.1.10 Input Switch

可以從多個資料型態訊號中選擇某一個通道訊號。

參數設定(properties)

本模組可以接受實數(real number)、複數(complex number)，單通道(single channel)、多通道(multi-channel)，等間距(regular)、不等間距(indexed)，訊號(signal)、聲音訊號(audio)、數值資料(Numeric)、時頻資料(spectra)。各參數定義與預設值如下表：

參數名稱	參數定義	預設值
Input Count	進入此模組的通道數目。	0
Active Input	設定欲選取的資料通道。	1

範例(Example)

本範例以 Source / Noise 為原始訊號，然後進行各種運算，產生各種格式資料，最後利用 Input Switch 選擇出某個通道的訊號，步驟如下：

於 Network 視窗下選擇 Source / Noise，取樣頻率(SamplingFreq) 為 1000，時間長度( TimeLength) 為 1s、振幅(Amplitude) 為 1，設定如下圖。

將Noise 依順序接上 Compute / Transform / Fourier Transform，Compute / HHT / RCADA EEMD，Conversion / Convert to Audio ，Compute / TFA / Short Term Fourier Transform，Conversion / Convert to Matrix，所有模組設定都依照原本設定。

將 Noise 及所有運算結果連接至Compute / Channel / Input Switch，最後由 Input Switch 連接至 Viewer / Channel Viewer，並且調整 Input Switch 的參數 Active Input，觀察 Noise、FFT、RCADA::EEMD 和 ToAudio 的結果。

再將 Input Switch 連接至 Viewer / TFAViewer，並且調整 Input Switch 的參數 Active Input，觀察 STFT 的結果。

最後調整 Input Switch 的參數 Active Input 至 ToMatrix，可利用 DataViewer 觀察 Input Switch 內矩陣資料。

相關指令

Noise、Fourier Transform、RCADA EEMD 、Convert to Audio、ShortTerm Fourier Transform、Convert to Matrix。