19088

Выбор частоты дискретизации с помощью функций отсчетов

Практическая работа

Физика

Лекция № 2. Выбор частоты дискретизации с помощью функций отсчетов. Теорема Котельникова: произвольный сигнал непрерывный спектр которого не содержит частот выше может быть полностью восстановлен если известны отсчетные значения этого сигнала взятые через равн

Русский

2013-07-11

187.5 KB

18 чел.

Лекция № 2.

Выбор частоты дискретизации с помощью функций отсчетов.

Теорема Котельникова: произвольный сигнал, непрерывный спектр которого не содержит частот выше ,  может быть полностью восстановлен, если известны отсчетные значения этого сигнала, взятые через равные интервалы  времени  Теорема Котельникова устанавливает принципиальную возможность полного восстановления детерминированного сигнала с ограниченным спектром и указывает предельное значение шага (интервала) дискретизации, при котором такое восстановление возможно.

Доказательство теоремы. Пусть функция , описывающая дискредитируемый сигнал, имеет ограниченную спектральную плотность , причем

при ,                                                                       (2.1)

где  наибольшая частота спектра  . Используя обратное преобразование Фурье с учетом соотношения (2.1), запишем:

.                                                                    (2.2)

Для любых моментов времени, например , где  любое целое число, функция  принимает значения

.                                                          (2.3) 

Рассматривая спектральную плотность  как функцию частоты с периодом ,  и периодически продолжая ее с этим периодом, разложим   в ряд Фурье  на интервале частот :

                                                                         (2.4)

где коэффициенты разложения равны:

                                                              (2.5)

Сравнивая (2.3) и (2.5),  видим, что , откуда определяем:

                                                                                 (2.6)

Выразим  через отсчеты исходной функции:

                     (2.7)

Поскольку суммирование ведется как по положительным, так и по отрицательным числам , знак перед  в выражении (2.7) можно изменить на обратный:

.                                                             (2.8)

Подставив (2.8)  в выражение (2.2), определим значения исходной функции в любой момент времени:

                                           (2.9)

Учитывая сходимость ряда Фурье, изменим порядок суммирования и интегрирования:

.                                                  (2.10)

В полученном выражении вычислим интеграл:

                                (2.11)

Подставив результат вычисления интеграла в (2.10) окончательно получим:

.                                                        (2.12)

Итак, непрерывная функция с ограниченным спектром может быть представлена множеством своих значений (отсчетов), взятыми в моменты времени .

Выражение (2.12) представляет собой ряд Котельникова, в котором роль коэффициентов выполняют отсчеты функции , а базисными являются функции вида:      .                                                               (2.13)

Базисные функции называют функциями отсчетов. 

Свойства функций отсчетов.

1. Так как  при любых целых числах  и  справедливы соотношения , то очевидно

                                            (2.14)

Каждая из функций имеет неограниченную протяженность во времени и достигает своего наибольшего значения, равного 1,  в моменты времени . Относительно этого момента времени функция   симметрична. В любые другие моменты времени, кратные , функция  обращается в нуль. Общий вид функций отсчетов приведен на рис 2.1. Благодаря свойству (2.14) сигналы  с ограниченным спектром могут быть представлены своими дискретными отсчетами без потери информации.

2. Функции отсчетов ортогональны с весом 1 на бесконечно большом интервале времени:            .                                                         (2.15)

Каждую функцию отсчета можно рассматривать как реакцию (отклик) идеального фильтра нижних частот с частотой среза  на дельта-импульс, приходящий в момент времени  и имеющий площадь, равную .

Практические аспекты использования теоремы Котельникова. Важная особенность теоремы Котельникова состоит в ее конструктивном характере: она не только указывает на возможность разложения сигнала в соответствующий ряд, но и определяет способ восстановления непрерывного сигнала, заданного своими дискретными значениями (отсчетами). Очевидно, с ее помощью может быть выбран оптимальный шаг дискретизации реального сигнала и оценена возникающая при этом погрешность дискретизации. Однако использование теоремы как точного утверждения по отношению к реальным сигналам наталкивается на ряд принципиальных трудностей. Во-первых, реальный сигнал имеет конечную длительность и, следовательно, обладает неограниченным спектром. Однако в силу реальных свойств источников сигналов и ограниченности полосы пропускания реальных приборов и систем  спектр сигнала с той или иной степенью точности можно считать ограниченным некоторой предельной  частотой.  Чаще всего предельное (граничное) значение частоты  определяют  на основе энергетического критерия, согласно которому практическую ширину спектра сигнала выбирают так, чтобы в ней была сосредоточена подавляющая часть энергии сигнала.  Для этого используют равенство Парсеваля, позволяющее определить энергию сигнала  либо через функцию, описывающую реальный сигнал длительностью ,  либо через модуль ее спектральной плотности :

.                                            (2.16)

Практическая ширина спектра сигнала, сосредоточенная в диапазоне частот от 0 до некоторого значения ,  определяется из соотношения:

.                                                                (2.17)

Здесь  – граничная частота, определяющая верхнее значение спектра сигнала;  – коэффициент, достаточно близкий к 1 (на практике его значение выбирают в интервале от 0.9 до 0,998 в зависимости от требований к качеству воспроизведения сигнала). Значение  означает, что в полосе частот от  до  содержится 99 % энергии сигнала. Значение граничной частоты находят, решая трансцендентное уравнение (2.17).

Ограничение спектра реального сигнала, естественно, приводит к искажению сигнала. Таким образом, восстановление ограниченного во времени сигнала по отсчетам в соответствии с теоремой Котельникова при условии принудительного ограничения спектра сигнала возможно только приближенно.  Точность такого приближения может быть оценена как абсолютным значением погрешности, называемой энергией погрешности:      ,                                                            (2.18)

так и относительной погрешностью: ,  где   .    (2.19)

Погрешность дискретизации возникает не только за счет принудительного ограничения спектра, но и за счет конечного числа отсчетов на интервале длительности сигнала ,  которых в соответствии с теоремой Котельникова будет  .  Эта составляющая является следствием пренебрежения вкладом бесконечного числа функций отсчетов, соответствующих выборкам за пределами интервала . Для реальных сигналов теорему Котельникова следует рассматривать как приближенную:

.                                                      (2.20)

Не смотря на вышеперечисленные трудности, теорема Котельникова ( в зарубежных источниках – теорема Найквиста) широко используется в процессе преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.

                                          

PAGE  4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80811. Экологическое право как отрасль права, наука, учебная дисциплина 36.7 KB
  Она включает в себя ряд самостоятельных отраслей права: земельное; водное; горное; воздухоохранительное; лесное; фаунистическое. Общее правило касающееся экологизации иного законодательства регулирующего общественные отношения затрагивающие экологические права и интересы общества заключается в следующем. Из этого конституционного положения следует вывод что в процессе развития и совершенствования каждой отрасли российского законодательства законодательная власть должна предусматривать характерные для каждой из них правовые меры по...
80812. Конституционные основы развития экологического права 32.94 KB
  Российская федерации есть демократическое федеративное правовое государство. Согласно которой земля и другие природные ресурсы используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов проживающих на соответствующей территории. С учетом федеративного устройства России Конституция определила предметы исключительного ведения Российской Федерации ст. 71 и совместного ведения РФ и субъектов Федерации ст.
80813. Предмет, метод и система экологического права 30.74 KB
  Данные общественные отношения таким образом и сам предмет экологического права делятся на три составные части: 1 природоохранное право или природоохранительное право которое регулирует общественные отношения по поводу охраны экологических систем и комплексов общих природоохранных правовых институтов решения концептуальных вопросов всей окружающей среды. 2 природоресурсное право которое регулирует общественные отношения по предоставлению отдельных природных ресурсов в пользование а также вопросы их охраны и рационального...
80814. Принципы экологического права 30.13 KB
  ФЗ Об охране окружающей среды: соблюдение права человека на благоприятную окружающую среду; обеспечение благоприятных условий жизнедеятельности человека; научно обоснованное сочетание экологических экономических и социальных интересов человека общества и государства в целях обеспечения устойчивого развития и благоприятной окружающей среды; 4 охрана воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов как необходимые условия обеспечения благоприятной окружающей среды и экологической безопасности; 5 платность...
80815. Понятие и система источников экологического права 35.28 KB
  В российской системе права они представлены нормативными актами и нормативными договорами. к Конституции России земельное водное лесное законодательство законодательство о недрах об охране окружающей среды находятся в совместном ведении Российской Федерации и субъектов Российской Федерации. По предметам совместного ведения Российской Федерации и субъектов Российской Федерации как это предусмотрено ст. 2 Конституции России издаются федеральные законы и принимаемые в соответствии с ними законы и иные нормативные правовые акты субъектов...
80816. Общая характеристика Федерального закона «Об охране окружающей среды» 37.01 KB
  Основы управления в области охраны окружающей среды; глава III. Права и обязанности граждан общественных и иных некоммерческих объединений в области охраны окружающей среды; глава IV. Экономическое регулирование в области охраны окружающей среды; глава V.
80817. Природоресурсное законодательство как источник экологического права 27.65 KB
  В отличие от законодательства об окружающей среде в собственном смысле природоресурсное законодательство более развито поскольку как подчеркивалось ранее экологическое законодательство в России развивалось применительно к использованию и охране отдельных природных ресурсов. Природоресурсное законодательство это совокупность законов регулирующих отношения по использованию и охране отдельных природных объектов. Оно включает: Земельный кодекс Российской Федерации; Федеральный закон Об обороте земель сельскохозяйственного назначения...
80818. Понятие экологических правоотношений. Виды, содержание, объекты, субъекты 31.59 KB
  В соответствии с функциями норм права экологические правоотношения формируемые на их основании подразделяются на регулятивные и охранительные. Регулятивные экологические правоотношения направлены на обеспечение развития общественных отношений по природопользованию и охране окружающей среды. Это правоотношения по поводу экологического нормирования экспертизы лицензирования сертификации аудита ведения государственных кадастров природных ресурсов и комплексов мониторинга и др. К охранительным правоотношениям относятся правоотношения по...
80819. МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 44.01 KB
  Механизм управления это совокупность средств и методов воздействия на деятельность людей коллективов. Особенность механизма управления состоит в возможности усиливать или ослаблять влияние средств управления выбирать средства воздействия. Механизм управления: средства управления то с помощью чего можно управлять; методы управления способы приведения рычагов в действие.