11856

Представление аналогового сигнала в цифровом виде

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Текст лекции № 22 по дисциплине: Теория электрической связи Представление аналогового сигнала в цифровом виде Введение Цифровая обработка сигналов как направление развития науки и техники зародилась в 1950х годах. За прошедшие 50 лет благодаря успехам микро

Русский

2013-04-14

163.5 KB

23 чел.

Текст лекции № 22

по дисциплине: «Теория электрической связи»

«Представление аналогового сигнала в цифровом виде»

Введение

Цифровая обработка сигналов как направление развития науки и техники зародилась в 1950-х годах. За прошедшие 50 лет благодаря успехам микроэлектроники системы цифровой обработки сигналов не только воплотились в реальность, но и вошли в нашу повседневную жизнь в виде CD- и DVD- проигрывателей, сотовых телефонов и многого другого.

Системы цифровой связи становятся всё более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса из-за того, что цифровая передача предлагает возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговой информации.

Отличительной особенностью систем цифровой связи является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов. В системах с ЦОС задачей приёмника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искажённого шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком.

1. Структурная схема СПИ с использованием устройств ЦОС

Под цифровой обработкой сигналов (ЦОС) понимают операции над дискретными по времени величинами (отсчетами сигналов).

Сигналы на входе и выходе СПИ с ЦОС дискретны не только во времени, но и по уровню, т.е. являются цифровыми сигналами.

Системы с ЦОС имеют преимущества перед аналоговой обработкой:

- более высокая точность обработки сигналов по сложным алгоритмам;

- возможность гибкой перестройки алгоритмов;

- высокая технологичность изготовления устройств ЦОС;

- автоматизация проектирования ЦОС.

Структурная схема СПИ с ЦОС имеет вид:

Рисунок 1 – Структурная схема передачи сообщений с использованием ЦОС

Условные обозначения:

  1.  ЦФПС – цифровой формирователь первичного сигнала;
  2.  ЦМ - цифровой модулятор;
  3.  ЦПФ – цифровой полосовой фильтр;
  4.  ЦД – цифровой детектор;
  5.  ЦФМИ – цифровой фильтр нижних частот.

Наибольшее применение нашли линейные системы ЦОС.

2. Спектр дискретного сигнала

Преобразование Фурье позволяет вычислить спектральную плотность сигнала, представляющего собой функцию (как правило, времени либо пространственных координат).

Дискретный же сигнал является последовательностью чисел, поэтому для анализа его спектра обычными (аналоговыми) средствами необходимо сопоставить этой последовательности некоторую функцию. Традиционным способом такого сопоставления является представление отчетов в виде дельта-функций с соответствующими множителями и задержками.

Для последовательности отчетов  получается следующий сигнал:

;

(1.1)

Преобразование Фурье линейно, спектр дельта-функции равен единице, а задержка сигнала во времени приводит к умножению спектра на комплексную экспоненту:

;

(1.2)

Из формулы((1.2)– спектр дискретного сигнала.)) видно главное свойство спектра любого дискретного сигнала: спектр является периодическим, его период в данном случае равен  (т.е. круговой частоте дискретизации, поскольку, составляя сигнал из дельта-функций, мы выбрали единичный интервал между ними, что даёт):

;

(1.3)

Следует также обратить внимание на размерность спектральной функции дискретного сигнала: она совпадает с размерностью отчетов. Это связано с тем, что дельта-функции времени, из которых составлен сигнал, имеет размерность частоты.

Формула (1.2) позволяет вычислить спектральную функцию по известным отсчетам.

Теперь рассмотрим несколько иную задачу. Пусть значения являются отсчетами аналогового сигнала , взятыми с периодом.

;

(1.4)

Выясним, как в этом случае спектр дискретного сигнала связан со спектром аналогового сигнала.

Итак, мы рассматриваем дискретизированный сигнал в виде последовательностей дельта-функций, «взвешенной» значениями отчетов  аналогового сигнала :

;

(1.5)

 

Рис.2. Дискретизированный сигнал в виде последовательностей дельта-функций

Так как функция  равна нулю всюду, кроме момента в выражении (1.5) константа  на исходный непрерывный сигнал .

;

(1.6)

Следует отметить, что сумма в (1.6) является периодическим сигналом, а поэтому может быть представлена в виде ряда Фурье.

Коэффициенты этого ряда:

;

(1.7)

В формуле (1.7) было учтено, что в интервал интегрирования попадает только одна дельта-функция, соответствующая.

Таким образом, периодическая последовательность дельта-функций может быть представлена в виде комплексного ряда Фурье:

;

(1.8)

где

=

Умножение сигнала на  соответствует сдвигу спектральной функции на , поэтому спектр дискретизированного сигнала можно записать в виде:

;

(1.9)

Таким образом, спектр дискретизированного сигнала представляет собой бесконечный ряд сдвинутых копий исходного непрерывного сигнала . Расстояние по частоте между соседними копиями спектра равно частоте дискретизации.

Рис.3 Спектр дискретизированного сигнала

Следует отметить, что из-за наличия в формуле (1.9) множителя  спектр дискретизированного сигнала имеет размерность, совпадающую с размерностью сигнала (т.к.  имеет размерность частоты).

Характер спектра дискретизированного сигнала ещё раз демонстрирует частотно – временную дуальность преобразования Фурье:

- периодический сигнал – дискретный спектр;

- периодический спектр – дискретный сигнал.

Удобным способом анализа дискретных последовательностей является  – преобразование, ( – transform).

Смысл его заключается в том, что последовательности чисел ставится в соответствие функции комплексной переменной , определяемая следующим образом:

;

(1.10)

 

Разумеется, функция  определена только для тех значений , при которых ряд (1.10) сходится,  – преобразование играет для дискретных сигналов и систем такую же роль, как преобразование Лапласа – для аналоговых.

Определяющим при этом является тот факт, что  – преобразование импульсной характеристики дискретной системы является дробно-рациональной функцией переменной .

Примеры вычисления Z-преобразования:

1) Единичная импульсная функция.

ЕИФ – является дискретным аналогом дельта-функции и представляет собой одиночный отсчёт с единичным значением:

;

;

Функция  сходится на всей комплексной плоскости.

2) Единичный скачок:

;

 

;

Данный ряд является суммой бесконечной геометрической прогрессии с первым членом  и знаменателем .

Как известно, такой ряд сходится при , то есть при , и его сумма равна:

;

 

3) Алгоритм быстрого преобразования Фурье:

Дискретное преобразование Фурье:

;

где

период

Для вычисления одного коэффициента ДПФ по данной формуле необходимо выполнить N комплексных умножений и сложений.

Таким образом, расчет всего ДПФ, содержащего Nкоэффициентов потребует  пар операций (умножение – сложение). Число операций возрастает пропорционально размерности ДПФ.

Однако, если N не является простым числом и может быть разложено на множители, процесс вычислений можно ускорить, разделив анализируемый набор отсчетов на часы, вычислив их ДПФ и объединив результаты.

Такие способы вычисления ДПФ называют быстрым преобразованием Фурье.

При реализации БПФ возможно несколько вариантов организации вычислений в зависимости от способа деления последовательности отсчетов на части и от того, на сколько фрагментов производится разбиение последовательности на каждом шаге.

(основание БПФ).

Выводы:

  1.  Устройства ЦОС имеют преимущества перед устройствами обработки сигналов в непрерывном времени.
  2.  Спектр дискретного сигнала является периодической функцией частоты дискретизации.
  3.  Существуют методы быстрого преобразования Фурье, позволяющие существенно сократить число операций, выполняемых при расчете ЦФ спектральными методами.

Разработал:

кандидат технических наук

О.Р. Кивчун

«___»__________ 2012 года


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42994. Устройство плоскостного биполярного транзистора 1.86 MB
  Движение электронов и дырок в транзисторах типа npn и pnp Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе см. участка база эмиттер U6э существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь...
42995. Разработка привода и натяжной станции подземного ленточного конвейера 5.59 MB
  Современное массовое и крупносерийное производство продукции разнообразных отраслей промышленности выполняется поточным методом с широким использованием автоматических линий. Поточный метод производства и работа автоматической линии основаны на конвейерной передаче изделий от одной технологической операции к другой. Следовательно конвейеры являются составной и неотъемлемой частью современного технологического процесса – они устанавливают и регулируют темп производства, обеспечивают его ритмичность, способствуют повышению производительности труда и увеличению выпуска продукции. Конвейеры являются основными средствами комплексной механизации и автоматизации транспортных и погрузочно-разгрузочных работ и поточных технологических операций.
42996. Расчет подстанции (п/ст) «Симахинская» 1.85 MB
  Питание данной подстанции осуществляется воздушной линией электропередач 110 кВ от подстанции Таежная. Описание существующей схемы электрических соединений подстанции Схема электрических соединений подстанции рис. Главными признаками определяющими тип подстанции являются её местоположение назначение и роль в энергосистеме число и мощность установленных трансформаторов их тип и высшее напряжение. Все подстанции можно разбить на три основные категории [78]: – по упрощенным схемам как правило без выключателей на стороне высокого...
42998. Обеспечение аварийным источником электроснабжения потребителей объекта по адресам: г. Санкт-Петербург, Лиговский пр.37, ул. Восстания д.1, ул. Восстания д.6 2.69 MB
  Проектом предусматривается установка стационарного дизельэлектрического агрегата мощностью 350 кВА и мобильного дизельэлектрического агрегата мощностью 150 кВА для аварийного электроснабжения потребителей объекта. Дизельэлектрические агрегаты размещаются по адресу: г. Запас дизельного топлива для каждого дизельэлектрического агрегата расположен во встроенном топливном баке. Емкости топливных баков обеспечивают время работы не превышающее 8 часов работы дизельэлектрических агрегатов на номинальном режиме.
42999. Розрахунок деталі вал-шестерня 2.02 MB
  При проектуванні дискових шеверов необхідно прагнути до вибору максимальних зовнішніх діаметрів шевера. Якщо пройняти до уваги що вказані параметри гвинтового зачіпляє роблять вплив на розміри дискового шевера то останні повинні бути різними у міру переточування зубів шевера. Це зумовлює одну з особливостей розрахунку дискового шевера – необхідність визначення розмірів шевера при різних ступенях його сточенності. Це умова – забезпечення повної обробки активної частини профілю колеса – є основним при розрахунку шевера.
43001. Круглый фасонный резец с радиальной подачей для обработки деталей 1.1 MB
  Форма режущего лезвия определяется формой обрабатываемого изделия формой профиля обрабатываемой поверхности. 57 квалитеты; Идентичность формы причем точность фасонного резца на одиндва класса выше детали; Высокая производительность обработки за счет экономии времени – обрабатываются одновременно все участки фасонного профиля детали; Большой срок службы – за счет увеличения количества переточек по передней поверхности; Применение фасонных резцов не требует высокой квалификации рабочего. При изучении исходных данных следует...
43002. Динамический и силовой анализ механизма 99.5 KB
  Динамический анализ механизма включает в себя определение движущего момента такого, чтобы звенья механизма двигались с заданными скоростями при заданных нагрузках и массах действующих на механизм. Формула для определения движущего момента