1097

Преобразование Фурье

Лекция

Математика и математический анализ

Аналоговое преобразование Фурье. Дискретное преобразование Фурье. Алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени. Алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по частоте. Метод двоичной инверсии.

Русский

2013-01-06

225 KB

182 чел.

лекция

Преобразование Фурье

Рассматриваются следующие вопросы:

- аналоговое преобразование Фурье

- дискретное преобразование Фурье

- алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени

- алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по частоте

- метод двоичной инверсии

3.1. Аналоговое преобразование Фурье

При обработке акустических сигналов важную роль играет анализ их частотно-амплитудного представления (спектра). Наиболее распространенным методом выделения спектра сигнала является преобразование Фурье [5,6].

Аналоговый сигнал  переводится в спектральное представление с помощью прямого аналогового преобразования Фурье в виде (3.1).

(3.1)

Обратное аналоговое преобразование Фурье осуществляется      согласно (3.2)

(3.2)

Спектр аналогового сигнала (3.3) представляет собой совокупность гармонических колебаний (гармоник), характеризующихся амплитудой , начальной фазой  и угловой частотой w.

(3.3)

Поскольку современные ЭВМ представляют собой цифровые устройства, то вместо аналогового преобразования используется дискретное.

3.2. Дискретное преобразование Фурье

Прямое ДПФ конечной последовательности  {x(n)}, , позволяет получить спектр в виде  

,     (3.4)

Аналогично аналоговому сигналу, спектр дискретного сигнала представляет собой совокупность гармонических колебаний (гармоник), характеризующихся амплитудой (3.5), начальной фазой (3.6) и угловой частотой (3.7).

,  (3.5)

, (3.6)

,   (3.7)

где ,  - коэффициенты ряда Фурье, .

Графическое представление, наглядно интерпретирующее коэффициенты ряда Фурье принято называть спектральной диаграммой периодического сигнала. Различают амплитудные и фазовые диаграммы дискретного сигнала (рис.3.1).

               а)                                                 б)

Рис. 3.1. Спектральные диаграммы сигнала x(n):

а) - амплитудная; б) - фазовая

Обратное ДПФ выглядит следующим образом

,  (3.8)

Прямое ДПФ можно представить в более удобной форме в виде

, , (3.9)

где . Легко показать, что  является периодической последовательностью с периодом N, т.е.

 

Обратное ДПФ выглядит следующим образом:

,  (3.10)

Ниже будет показано, что периодичность  является одним из ключевых моментов БПФ. Часто периодичность  подчеркивают тем, что  вместо   записывают .

При непосредственных вычислениях  заменяется на . Используя формулу (3.4), можно записать

 (3.11)

,

Из формулы (3.8) следует, что непосредственное вычисление дискретного преобразования Фурье последовательности  x(n) требует  умножений (или сложений) комплексных чисел.

Таким образом, для достаточно больших N  (порядка 1024) прямое вычисление ДПФ требует выполнения чрезмерного количества вычислительных операций.

Для более эффективного вычисления ДПФ используются алгоритмы быстрого преобразования Фурье. Эти алгоритмы сравнимы по эффективности и образуют следующие классы -  алгоритмы БПФ с прореживанием по времени и алгоритмы БПФ с прореживанием по частоте.

3.3. Алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени

Основная идея БПФ с прореживанием по времени состоит в том, чтобы разбить исходную N-точечную последовательность x(n) на две более короткие последовательности, ДПФ которых могут быть скомбинированы таким образом, чтобы получилось ДПФ исходной N-точечной последовательности. Так, например, если N  четное, а исходная N-точечная последовательность разбита на две N/2-точечные последовательности, то для вычисления искомого N-точечного ДПФ потребуется порядка  2(N/2)2=N2/2  комплексных умножений, т.е. вдвое меньше по сравнению с прямым вычислением. Здесь множитель (N/2)2 дает число умножений, необходимое для прямого вычисления N/2-точечного ДПФ, а множитель 2 соответствует двум ДПФ, которые должны быть вычислены. Эту операцию можно повторить, вычисляя вместо N/2-точечного ДПФ два N/4-точечных ДПФ (предполагая, что N/2 четное) и сокращая тем самым объем вычислений еще в два раза.

Проиллюстрируем описанную методику для N-точечной последовательности {x(n)}, считая, что N равно степени 2. Введем две N/2-точечные последовательности  { x1(n) } и { x2(n) }  из четных и нечетных членов x(n) соответственно, т.е.

x1(n) = x(2n),      ,

x2(n) = x(2n+1),  .

N-точечное ДПФ последовательности  {x(n)}  можно записать как

(3.12)

             четные              нечетные

,    

С учетом того, что

(3.13)

перепишем выражение (3.12) в виде

(3.14)

,   ,  (3.15)

где X1(k) и X2(k) равны N/2-точечным ДПФ последовательностей  x1(n) и x2(n).

Из формулы (3.15) следует, что N-точечное ДПФ X(k) может быть разложено на два N/2-точечных ДПФ, результаты которых объединяются согласно (3.15). Таким образом, БПФ обеспечивает рекуррентное вычисление всех 2-точечных, затем 4-точечных, …, N-точечных ДПФ.

Общее число комплексных умножений и сложений равно , что значительно меньше  (количество комплексных умножений и сложений без использования БПФ).

3.4. Алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по частоте

В данном алгоритме исходная последовательность {x(n)} также разбивается на две последовательности {x1(n)} и {x2(n)}, содержащие по N/2 отсчетов, но в данном случае в последовательность {x1(n)} записываются не четные отсчеты, а все отсчеты, расположенные в интервале , а в последовательность {x2(n)} – не нечетные отсчеты, а все отсчеты, расположенные в интервале , т.е.

,   ;

,   .

В этом случае ДПФ последовательности {x(n)}  можно записать в виде

(3.16)

             четные                    нечетные

,    

Учитывая, что , получим

 (3.17)

Запишем выражения отдельно для четных и нечетных частотных отсчетов

, (3.18)

, (3.19)

Общее число комплексных умножений и сложений равно , что значительно меньше  (количество комплексных умножений и сложений без использования БПФ).

3.5. Метод двоичной инверсии

Особенностью алгоритмов БПФ является перестановка элементов входной последовательности. Перед вычислением (3.15) или (3.18)-(3.19) используется двоично-инверсный метод (рис.3.2). Как видно из алгоритма, исходный номер k преобразуется в двоично-инверсный номер m. Четность проверяется отсутствием единицы в самом младшем разряде. Для ускорения работы алгоритма операции  2*m  и  [k/2] заменяются сдвигами на единицу влево или вправо соответственно.

Преобразование линейной последовательности в двоично-инверсную для 8 элементов представлено в табл.3.1.

Таблица 3.1

Пример метода двоичной инверсии

Индекс в линейной последовательности

Двоичное представление

Двоичная инверсия

Номер в двоично-инверсной последовательности

0

000

000

0

1

001

100

4

2

010

010

2

3

011

110

6

4

100

001

1

5

101

101

5

6

110

011

3

7

111

111

7

3.6 Численное исследование звуков речи и оборудования посредством преобразования Фурье

В работах [1, 38] было проведено численное исследование. На рис.3.3 представлен звук «а» в амплитудно-временном представлении, а на рис.3.4 – в амплитудно-частотном. На рис.3.5 представлен звук «ш» в амплитудно-временном представлении, а на рис.3.6 – в амплитудно-частотном. Как видно из рис.3.4 и 3.6, звук «а» наиболее ярко выделяется в частотном диапазоне до 2000 Гц, а звук «ш» - в частотном диапазоне свыше 2000 Гц.

Рис. 3.2. Двоично-ннверсный метод

Рис. 3.3. Звук «а» в амплитудно-временном представлении

Рис. 3.4. Звук «а» в амплитудно-частотном представлении

Рис. 3.5. Звук «ш» в амплитудно-временном представлении

Рис. 3.6. Звук «ш» в амплитудно-частотном представлении

Другой областью применения преобразования Фурье является исследование дефектов оборудования. На рис.3.7-3.8 приведены: временное представление акустического сигнала, полученного от подшипника турбовентилятора (рис.3.7); амплитуда спектра сигнала (рис.3.8); преобразованная амплитуда спектра сигнала (выделены частоты, связанные с возможными дефектами, характерными для этого класса подшипника) (рис.3.9).

Согласно рис.3.9, амплитуда частоты 38 Гц (первая гармоника частоты вращения ротора) превышает допустимый порог.

Рис. 3.7. Временное представление акустического сигнала

Рис. 3.8. Амплитуда спектра сигнала

Рис. 3.9. Преобразованная амплитуда спектра сигнала


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21679. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях 336.5 KB
  На ближнем конце ; дБ На дальнем конце . дБ Так как мощность в начале влияющей цепи; мощность в начале цепи подверженной влиянию мощность на дальнем конце цепи подверженной влиянию. 1 где уровни передачи в начале и в конце цепей. Согласно определению защищённости на ближнем конце: Откуда переходное затухание на ближнем конце.
21680. Общие понятия об организации связи на железнодорожном транспорте и видах НС 41 KB
  Организация связи на железнодорожном транспорте; 4. автоматики телемеханики и связи Изучение дисциплины будет проходить в 6ом семестре. Вы должны самостоятельно изучить следующие вопросы: Конструкции и свойства воздушных линий связи и высоковольтных линий автоблокировки; кабельных линий автоматики телемеханики и связи: кабелей связи ВЧ и НЧ; коаксиальных кабелей; кабелей автоматики телемеханики и силовых; волоконнооптических кабелей; волноводов; сверхпроводящих кабелей.
21681. Основы электродинамики направляющих систем 183.5 KB
  Исходные уравнения электродинамики; 2.Исходные уравнения электродинамики Основные уравнения электродинамики поля называемые уравнениями Максвелла обобщают два основных закона электродинамики: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.2 представляют собой интегральную запись уравнений Максвелла чаще пользуются уравнениями в дифференциальной форме. Второе слагаемое в правой части уравнения 2.
21682. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах 222 KB
  1 Скорость перемещения фазы поля называют фазовой скоростью. На практике основной интерес представляет знание характеристик поля на очень больших расстояниях от излучателя таких что .8 Величину принято называть эквивалентной глубиной проникновения поля. Расчетные соотношения глубины проникновения поля для некоторых металлов приведены в таблице: Таблица 2.
21683. Параметры передачи цепей воздушных и кабельных линий 280 KB
  Первичные параметры цепи; 2. Первичными параметрами цепи называются индуктивность активное сопротивление проводов цепи емкость между проводами цепи а также проводимость изоляции между проводами отнесённые к единице длины линии километру и равномерно распределённые по всей длине линии. Индуктивность проводов L Гн км характеризует способность цепи накапливать энергию в магнитном поле а также определяет связь между током в проводах цепи и сцепленным с ним магнитным потоком: . Емкость C Ф км характеризует способность цепи накапливать...
21684. Оптимальное соотношение между первичными параметрами кабельных цепей 263 KB
  Уравнение однородной линии; 2.Уравнение однородной линии При определённых условиях первичные параметры полностью характеризуют электрические свойства линейных цепей связи. Однако в отличии от сосредоточенных параметров они распределены по всей длине линии.Вторичные параметры цепи Из приведённых выше формул следует что распространение энергии по линии ток и напряжение в любой точке цепи обусловлены в первую очередь параметрами и .
21685. Физические процессы в линия связи на оптических волокнах 224.5 KB
  Апертура волоконного световода; 3.Критическая частота и критическая длина волны воло конного световода; 5.Затухание сигнала в волоконных световодах. Отличие от радиоканалов состоит в том что волна распространяется не в свободном пространстве а концентрируется в самом объеме световода и передаётся по нему в заданном направлении.
21686. Предельно-допустимые значения опасных и мешающих влияний и меры защиты 257.5 KB
  Повышение тока вызывает у человека дрожание пальцев рук сокращение мускулов боли и судороги а при I  10 мА создаётся опасность для его жизни. При кратковременном прохождении I через тело человека опасность поражения снижается и тем больше чем меньше время действия тока. Чтобы оценить воздействие токов различных частотах принято сравнивать их акустическое воздействие с акустическим воздействием тока такой же амплитуды но с f = 800 Гц которая является в технике связи расчётной для каналов НЧ. Отношение акустического воздействия тока в...
21687. Меры защиты от взаимных влияний 177 KB
  При скрещивании цепи токи влияния поступающие в нагрузки включенные на концах цепей с каждых двух соседних участков имеют противоположное направление и общее влияние между цепями уменьшается. При скрещивании обеих цепей в одном месте уменьшение влияния не будет так как K0 и Kl дважды изменяют свой знак. Однако полная компенсация токов влияния скрещиванием все таки невозможна так как токи влияния на ближний конец с отдельных участков отличаются по амплитуде и фазе. Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями...