home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Software Vault: The Diamond Collection / The Diamond Collection (Software Vault)(Digital Impact).ISO / cdr05 / freq21.zip / FRQ.TXT < prev    next >
Text File  |  1995-03-11  |  12KB  |  282 lines

  1.  
  2.     FREQ for Windows    ...Beyond Fourier Transforms...
  3.  
  4.     (c) 1995 CoDebris    All rights reserved     March 10, 1995
  5.     711 Barbara Avenue  Solana Beach, CA 92075   (619) 755-4492
  6.     
  7.     This is the shareware (unregistered) version 2.1 of FREQ.  FREQ is 
  8.     a data analysis tool which determines what sine waves make up a 
  9.     data set or time series: periods, amplitudes, phases, percent 
  10.     relative power).  You specify which periods you believe are present 
  11.     (or specify a whole range of periods), and FREQ tests those periods 
  12.     and graphically assembles selected sine waves into a revealing 
  13.     portrait of your data: a visualization of your data you can't get 
  14.     from a Fast Fourier Transform without a whole lot of work and 
  15.     specialized training.
  16.     
  17.     The registered version of FREQ (ver 2.2) performs a host of related 
  18.     analysis and data synthesis functions: a "waveform spreadsheet".  
  19.     Registration is $40, cash or check, payable to CoDebris at the above 
  20.     address.  On registration we will either mail you a 3.5" floppy disk 
  21.     or send you e-mail with an attached FREQ.ZIP file containing the 
  22.     upgrade, and more tutorial data files with associated period tables.  
  23.  
  24.     
  25. Notice...
  26.  
  27.     We do not modify ANY of your system files, and de-installing FREQ 
  28.     is accomplished by simply deleting the FREQ Program Group and the 
  29.     files, which are usually found in C:\FREQ.  
  30.  
  31.     
  32. Overview...
  33.  
  34.     Researchers and analysts often want to know if experimental data 
  35.     (a time series) contains significant amounts of signal at 
  36.     frequencies of interest to them.  These frequencies may correspond 
  37.     to driving forces, environmental constraints (boundary conditions), 
  38.     or system responses, and may result from intrinsically non-linear 
  39.     processes.  Often, mathematical or phenomenological models exist to 
  40.     explain some observed behavior, and experimental data is collected 
  41.     to verify whether or not the model is correct.  
  42.  
  43.     FREQ is a new, fundamentally unique tool for performing these 
  44.     analyses.  FREQ not only identifies the period, phase and amplitude 
  45.     of sine waves which represent your data, but then plots each new 
  46.     wave component over a graph of your data.  A plot of the original 
  47.     data and reconstruction can be printed, and the reconstruction can 
  48.     even be saved as a data set, on the same scale as the original data.  
  49.     
  50.  
  51.     
  52. Installation and Operation...
  53.  
  54.     If you obtained FREQ from a download, run PKUNZIP FREQ.ZIP and then 
  55.     run SETUP to install FREQ in a Program Group under Windows 3.1.
  56.     
  57.     If you have FREQ on a 3 1/2" floppy disc, install FREQ by running 
  58.     SETUP from the floppy drive.  
  59.     
  60.     During setup, you are prompted for a directory in which to install 
  61.     FREQ, the default is C:\FREQ.
  62.  
  63.     Extensive on-line help is accessible from the menu Help/Contents 
  64.     option.
  65.  
  66.     On first running FREQ, choose Analyze/Frequency Search from the 
  67.     menu and select a (supplied) table of candidate periods (use 
  68.     REAL.TBL the first time) and a supplied data file (REAL.DAT).  
  69.     The .TBL files can be edited and saved using FREQ's built-in 
  70.     editor.  
  71.  
  72.     REAL.DAT is a physiological data set.  The synthesized curve is 
  73.     not a bad approximation to the data, as you can see while the 
  74.     reconstruction builds before your eyes, even though only 55% of 
  75.     the "power" is accounted for by the seven identified periods, 
  76.     amplitudes and phases, analyzed in under 1 minute.  Refining the 
  77.     REAL.TBL file might find even better (closer) periods to use, 
  78.     but the periods supplied are pretty good, or they wouldn't be used 
  79.     in a demo.  
  80.  
  81.     The important thing is watching the highest-power, long period 
  82.     sines define major trends in the data and seeing the short-period 
  83.     sines fill in the peaks and valleys.  On seeing this for the first 
  84.     time, you can achieve a very intuitive sense for what the data 
  85.     says, and of Fourier series in general.  
  86.     
  87.     As you feed FREQ other data sets of interest to you, or generated 
  88.     from the rich variety of Synthesis options in FREQ, your 
  89.     understanding of what your data is telling you grows immediately, 
  90.     in a very visual way.  
  91.     
  92.     Arrange your data for input to FREQ by creating a file consisting 
  93.     of two columns (X, Y) and as many rows as there are points in the 
  94.     data set.  Alternatively, you can just feed FREQ a single column 
  95.     of Y values only, and tell FREQ the initial X value and the 
  96.     interval between successive values.  
  97.  
  98.     FREQ will line-plot the actual data in green, and the synthesized 
  99.     data (the "reconstruction") from the selected periods as a yellow 
  100.     dotted line.  Plots are auto-rescaled on window resizing, actually 
  101.     recomputed every time the window is painted to optimize the 
  102.     displayed data information content.    
  103.  
  104.     Each time a new period is selected as containing the next most 
  105.     significant amount of power, the yellow curve is redrawn to 
  106.     include the new information.  You can get a good sense for periods 
  107.     to include in the .TBL file, and which to exclude, by watching the 
  108.     analysis and then examining the .OUT file that pops up on the 
  109.     screen after each analysis is complete.  
  110.  
  111.     In fact, watching the earlier, higher-power sinusoids define the 
  112.     major features of your data is an insightful experience; one 
  113.     researcher termed it a "spectacular visualization" of his data.  
  114.     The side slopes of the sine curve will lie along major trends in 
  115.     the data, and the peaks won't necessarily correspond to peaks in 
  116.     the data.  That is left to shorter period components, which when 
  117.     properly phased with the long period components will ride up and 
  118.     down peaks in the data with increasing fidelity. 
  119.     
  120.     You will definitely learn to think nearly simultaneously in 
  121.     so-called "dual spaces": time and frequency.  You will learn to 
  122.     think carefully about what are the proper "units", or "dimensions" 
  123.     of your data.  The supplied PERIOD.TBL is designed to encompass a 
  124.     wide range of possible values, but it takes longer to analyze a 
  125.     data set.  After running it on your data, examine the associated 
  126.     .OUT file and create a "tailored" table of periods to run with 
  127.     that particular sort of data.  Use it to test assumptions about 
  128.     what is really in your data.
  129.  
  130.  
  131.     
  132. Background...
  133.  
  134.     The usual frequency analysis approach is to pre-process your data, 
  135.     apply a Fast Fourier Transform to the series, and plot the power 
  136.     spectrum.  Peaks in the FFT spectrum may correspond to interesting 
  137.     frequencies.  However, it is difficult for anyone but a signal 
  138.     processing expert to know how much power in the time series is 
  139.     actually accounted for by a given frequency.  It is even harder to 
  140.     resolve nearby, overlapping broad peaks.  More often than not, 
  141.     "noise" dominates the data and cannot easily be de-coupled from 
  142.     signals of interest.  
  143.     
  144.     Pre-processing (filtering and windowing) of data sets is a very
  145.     demanding discipline, and many of the rules to assure the validity 
  146.     of pre-processing operations are difficult to apply, as such 
  147.     operations actually modify the characteristics of the manipulated 
  148.     data.  
  149.  
  150.     Further, most researchers with a need for waveform analyses do not 
  151.     have formal training in the subject, and many feel uncomfortable 
  152.     with having to use a host of implicit assumptions.  
  153.  
  154.     There is an alternative, nearly painless method available to 
  155.     perform such frequency analyses.  The researcher first prepares 
  156.     (as a text file) a table of candidate periods.  On initial 
  157.     creation, the table usually contains a fairly large number of 
  158.     entries, as there may be no prior knowledge of what is really 
  159.     present in the data.  Periods may be longer than the time series, 
  160.     or as short as twice the time interval between points.  But the 
  161.     researcher often knows what to look for based on theory or 
  162.     existing work, and the table will contain several periods in the 
  163.     regions of interest.  
  164.  
  165.     FREQ is not just a curve-fitter, nor is it simply an FFT.  To use 
  166.     it, you should know something about your data, but you need nearly 
  167.     no data analysis background.  FREQ searches your data using the 
  168.     supplied candidate periods in a .TBL file which you prepare, 
  169.     selecting those periods which account for the most "power".  
  170.  
  171.     FREQ uses an adaptation, called Fast Orthogonal Search (FOS), of 
  172.     the Orthogonal Search Method developed by Michael J. Korenberg and 
  173.     his group at Queens University in the late 1980's.  The algorithm 
  174.     is applied to your data set, using an associated table of candidate 
  175.     periods.  The precise power, amplitude, and phase of sine waves 
  176.     corresponding to entries in the table is displayed.  The objective 
  177.     is to determine if frequencies of interest to the researcher are 
  178.     present in significant measure, and report the results.  
  179.  
  180.     The algorithm analyzes a time series stepwise, determining the 
  181.     ability of each period to explain a significant portion of the 
  182.     total variance (mean square error, or MSE: roughly, the data 
  183.     set's "power").  It then orthogonally removes the sinusoid 
  184.     explaining the largest percentage of the time series variance.  
  185.     This process is repeated on the residuals until there is no further 
  186.     significant error reduction or until a specified number of periods 
  187.     have been identified.  
  188.  
  189.     The algorithm is capable of much greater time resolution than a 
  190.     Fourier transform, and is not limited to harmonics of a fundamental 
  191.     frequency.  It is also quite insensitive to noise, as all data 
  192.     elements are used only in series-wide averages over the orthogonal 
  193.     basis functions.  Finally, it tolerates missing data points, 
  194.     irregularly-spaced data sets, and short data segments.  In many 
  195.     nonlinear or biological systems, the signal frequencies move, or 
  196.     breathe, as the system evolves, so short segments are necessary 
  197.     for system identification.  
  198.     
  199.     FREQ is a Multiple Document Interface application, so it will 
  200.     display the results from multiple Frequency Searches on-screen at 
  201.     the same time, including the reconstructions (dotted yellow plots) 
  202.     and text output files.  A rudimentary FFT is included, mostly for 
  203.     contrast.  
  204.  
  205.  
  206.     
  207. Registration and Upgrades...
  208.  
  209.     If you run FREQ and like it, let us know (register it).  If you 
  210.     run it and don't like something about it, let us know that too.  
  211.     FREQ is becoming a fairly comprehensive waveform analysis and 
  212.     synthesis package, and most features are added in response to 
  213.     user suggestions: in the works are digital filters, multi-variate 
  214.     data sets and non-linear dynamics tools. 
  215.  
  216.     In addition to everything in the shareware version, the registered 
  217.     version of FREQ (ver. 2.2) contains these additional functions:
  218.     
  219.         Synthesize: Pre-Process Data Set...
  220.                         Interpolate
  221.                         Segment
  222.                         Smooth
  223.                         Remove Trend
  224.                         Remove Artifacts
  225.                         Subtract Mean
  226.                         Scale X or Y Data
  227.                         Offset X or Y Data
  228.                         RMS Partition
  229.                     Copy Current Data Set
  230.                     Two-Graph Operations...
  231.                         Concatenate (Join) Data Sets
  232.                         Add Data Sets Pointwise
  233.                         Subtract Data Sets
  234.                         Multiply Data Sets
  235.                         Divide (Ratio) Data Sets
  236.                     Reconstruct Data Set From Search Sines
  237.                             
  238.         Analyze:    Fast Fourier Transform
  239.                     Inverse FFT
  240.                     Approximate Entropy
  241.  
  242.                     
  243.         The next upgrade to FREQ (ver. 2.4) will add these features:
  244.  
  245.             Multi-variate data sets (e.g. simultaneous heart rate,
  246.             EEG, cardiovascular output vs. time)
  247.                         
  248.             Log/linear, linear/log, log/log graphs
  249.                         
  250.             Windowing:  Hamming, Hann
  251.  
  252.             Filters:    Bessel, Butterworth, Chebychev, Elliptical
  253.                         Ideal Low/High/Band Pass
  254.                         Notch, Comb and Band Stop
  255.                         
  256.             Convolution, Correlation analyses
  257.  
  258.             Non-linear analyses: Poincare plot, Second Return, 
  259.             Min Info, Lyapunov dimension
  260.        
  261.             Full-resolution (not scaled bitmap) printed graphs, 
  262.             color optional, with settable titles, legends, and 
  263.             captioning.
  264.                 
  265.         Registrations received BEFORE July 1, 1995 can receive 
  266.         this version 2.4 upgrade deep-discounted during August.  
  267.         
  268.         In July, the registration price will become $60. 
  269.     
  270.     
  271.     We are very interested in enlarging the variety of data set formats
  272.     FREQ can recognize: let us know if you want FREQ to read your 
  273.     spreadsheet or data base files or accept data from acquisition 
  274.     hardware: sound boards, DSP boards, A/D or digital I/O boards.  
  275.  
  276.     
  277.  
  278.     Gene Zawadzki   
  279.     CoDebris    
  280.     (619) 755-4492  
  281.     CompuServe 72074,772 
  282.