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

73993. Порядок учета посреднических операций 105.61 KB
  Рассмотрение порядка учета посреднических операций, как с точки зрения посредников, так и с точки зрения организаций приобретающих и реализующих товары (работы, услуги) через посредников, а также раскрытие особенностей налогообложения посреднических сделок
73994. Организация финансовой работы на предприятии ЗАО Алтайстройдеталь 708.75 KB
  Изучить содержание и основные принципы организации финансовой работы на предприятии; ознакомиться со структурой и основными функциональными обязанностями отдельных финансовых служб предприятия; рассмотреть порядок организации финансовой работы предприятия на примере ЗАО Алтайстройдеталь; предложить мероприятия по совершенствованию финансовой деятельности предприятия.
73995. Экономическая политика первых лет Советской власти: от военного коммунизма к нэпу 17.8 KB
  Вопервых потому что с нэпом часто связывают идеи о возможности осуществления иного нежели сталинский варианта развития страны о возможности иной модели социализма а вовторых борьба в руководстве страны в связи с осуществлением нэпа позволяет понять сущность политической системы СССР сложившейся в результате последующего завершения нэпа. К основным принципам нэпа можно отнести: денационализацию части средней и мелкой промышленности провозглашение свободы торговли допущение частного капитала в экономику в том числе и иностранного ...
73996. Огосударствление экономики СССР.Индустриализация и коллективизация в СССР 28.31 KB
  Необходимость проведения индустриализации в России мало у кого вызывает какиелибо сомнения. Впрочем по вопросу о темпах и методах индустриализации в советском руководстве не существовало единства мнений. оставляла единственную возможность получить средства для индустриализации за счет мобилизации внутренних ресурсов. С точки зрения наиболее решительных сторонников индустриализации Е.
73997. Основные особенности и этапы внешней политики СССР между двумя мировыми войнами 18.92 KB
  Основные особенности и этапы внешней политики СССР между двумя мировыми войнами. Условия возникновения Советского государства в рамках мировой и гражданской войн активного участия в этом процессе значительного числа иностранных государств и особенности большевистской идеологии с приоритетом в постановке задач общемировым устремлениям во многом обусловили цели и средства внешней политики СССР в 20 30х гг. С другой стороны СССР являлся наследником Российской империи с ее очевидными национальными и государственными интересами защита...
73998. Великая Отечественная война: крупнейшие военные операции 1941 – 1945 годов 21.99 KB
  Великой Отечественной войне первоначальный ход военных действий сложился крайне неблагоприятно для СССР. Суворовым идея неподготовленности СССР к войне оборонительной ввиду подготовки его к войне наступательной иными словами воскрешение еще Гитлером выдвинутой концепции превентивной вынужденной войны с целью обезопасить себя от нападения Красной Армии. Таким образом Советский Союз в упорной борьбе сумел одержать победу в Великой Отечественной и разделить успех с союзниками по антигитлеровской коалиции во II мировой войне. Полководческое...
73999. Деятельность тыла в Великой Отечественной войне. Партизанское движение в годы Великой Отечественной войны 17.77 KB
  Партизанское движение в годы Великой Отечественной войны. Благодаря высокому уровню централизации государственного хозяйства в первые же месяцы войны удалось обеспечить его перестройку на военномобилизационный лад. Успех во многом определялся удачной организацией управления страной в условиях войны: при всех своих издержках советская система как раз и была предназначена для действия в условиях чрезвычайных обстоятельств для быстрой и решительной мобилизации имеющихся ресурсов и их перераспределения в соответствии с первоочередными...
74000. СССР во 2-й половине 50 - 1-й половине 80-х гг. XX в. От попыток либерализации к всеобщему кризису 22.46 KB
  Первые послевоенные годы принесли мало изменений в функционирование политической системы СССР. Будучи отражением реальной потребности в мобилизации сил для быстрого завершения восстановительных работ централизация в то же время подошла к своему пределу за которым она теряла всякую эффективность что отчетливо проявилось в нарастании кризисных явлений во всех сферах жизни СССР в начале 50х гг. Все это подводило руководящие круги СССР к осознанию необходимости преобразований.
74001. Основные направления и этапы внешней политики СССР в годы «холодной войны» 19.09 KB
  Основные направления и этапы внешней политики СССР в годы холодной войны. Победа СССР в войне значительно изменило его международное положение. СССР принял участие в создании ООН где ему было определено место одного из постоянных членов Совета безопасности.президент США сформулировал доктрину Трумена меры против экспансии СССР.