FFT: PSD scaling issues in python

I have a problem with the right scaling of the PSD when I use an window. Let me show you an example.

I am using a box window (no window) and a hamming window for comparison.

This is the signal I produce:

f_aq = 2**18 # acquisition rate
Np = 2**22 # data points

t = np.arange(0,Np) / f_aq

f1 = 70 # frequency 1 of the signal in Hz
A1 = 6
y = A1 * np.sin(2*np.pi*f1 * t)

Now I apply the hamming window:

window = np.hamming(Np)
y_window = y * window

Y = fft(y,n=Np, norm='backward')
Y_window = fft(y_window, n=Np, norm='backward')

freq = fftfreq(Np, 1/f_aq)

and plot the one-sided FFT for the cases box and hamming window:

I scaled the hamming window result with 1/np.mean(window) and as you can see the amplitudes match.

After this, I am going to calculate the Power Spectrum:

# Power spectrum
Y_one_sided_fft_power_spectrum = 2*np.abs((Y_one_sided)/2)**2 /len(y)**2 # here dividing by the number of points which is S1 for a box filter
# S1 = np.sum(window)/len(window)
S1 = np.sum(window)
Y_one_sided_fft_power_spectrum_window = 2*np.abs((Y_one_sided_window/2))**2 /S1**2

plt.plot(freq_one_sided,Y_one_sided_fft_power_spectrum)
plt.plot(freq_one_sided+2,Y_one_sided_fft_power_spectrum_window)




plt.title("one-sided power spectrum")
plt.xlim(-1, 100)
plt.xlabel("Frequency in Hz")
plt.ylabel("Power spectrum")

obtaining the same result for both as you can see in this plot:

Here I had to scale the hamming window result with S1 being the sum of all windows. If I would use an forward FFT, this scaling factor would be the mean of the window.

Now the problem case: The PSDs of the two cases do not match. I am using the EBNW in the right way but the results are different:

# power spectral density (PSD)
Y_one_sided_fft_psd = Y_one_sided_fft_power_spectrum / (f_aq/Np)

# first is the raw fft which is an imaginary number (Y_one_sided)

S1 = np.sum(window)
S2 = np.sum(window**2)
ENBW = f_aq * S2 / S1**2

Y_one_sided_fft_psd_window_1 = 2*np.abs((Y_one_sided_window/2))**2 / (f_aq * S2)

Y_one_sided_fft_psd_window_2 = Y_one_sided_fft_power_spectrum_window / ENBW



plt.plot(freq_one_sided,Y_one_sided_fft_psd)
plt.plot(freq_one_sided+2,Y_one_sided_fft_psd_window_1)


plt.title("one-sided PSD")
plt.xlim(-1, 100)
plt.xlabel("Frequency in Hz")
plt.ylabel("PSD")
# plt.yscale('log')
energy = np.dot(y,y) / len(y)

psd = energy / (f_aq/Np)

plt.axhline(psd, color='k', alpha=0.3)

I do not understand this behaviour since I am using the right scaling factors as given in this document: https://holometer.fnal.gov/GH_FFT.pdf

I double check the result with the welch function of scipy and I obtain exactly the same result. What did I forgot? I manually calculated the psd from the data and the box window is given the right value as you can see in the horizontal line. The hamming window case exhibits a lower amplitude for the PSD.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật