19098

Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье

Практическая работа

Физика

Лекция № 11. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье. Дискретное преобразование Фурье ДПФ относится к классу основных преобразований при цифровой обработке сигналов. Дискретное преобразование Фурье по возможности вычисляе

Русский

2013-07-11

198 KB

47 чел.

Лекция № 11.

Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье.

Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) относится к классу основных преобразований при цифровой обработке сигналов. Дискретное преобразование Фурье, по возможности вычисляемое быстрыми методами, лежит в основе различных технологий спектрального анализа.

Известно, что при дискретизации аналогового сигнала его спектр становится периодическим с периодом повторения, равным частоте дискретизации . С другой стороны, дискретному спектру должен соответствовать периодический сигнал. Рассмотрим в качестве исходных данных последовательность  дискретных отсчетов , заданных на отрезке , . Моделью последовательности таких отсчетов является сигнал из смещенных по времени дельта-функций:

.                                                                             (11.1)

Мысленно периодизируем этот сигнал с периодом . Так как  дискретный сигнал (11.1) – периодический, его спектр должен быть дискретным с расстоянием между гармониками, равными . Этот дискретный периодический сигнал можно представить рядом Фурье:

.                                                                                   (11.2)

Коэффициенты  этого ряда находят согласно формуле:

                     (11.3)

Переходя к новой  переменной  , получим:

.                             (11.4)

Так как , окончательно имеем:

                                                                                (11.5)

Соотношение (11.5), позволяющее вычислить комплексные амплитуды гармоник дискретного сигнала, представляет собой линейную комбинацию отсчетов этого сигнала. Его называют прямым дискретным преобразованием Фурье  (ДПФ).

Наряду с прямым ДПФ существует обратное дискретное преобразование Фурье:

                                                    (11.6)

Замечание. В размещении множителя  в выражении (11.5) нет полного единства. В некоторых источниках этот множитель относят к формуле обратного ДПФ, удаляя его из формулы для прямого ДПФ.

Ортогональный дискретный базис Фурье, в котором выполняется ДПФ, представляет собой систему дискретных экспоненциальных функций (ДЭФ), заданную на дискретной временной оси  отсчетами:

                                                (11.7)

Система функций (11.7) представляет собой ограниченный набор экспонент с частотами, кратными основной частоте , поскольку  периодична по  с периодом .

Свойства дискретного преобразования Фурье.

  1.  Линейность.

Дискретное преобразование Фурье – линейное преобразование, то есть если последовательностям  и  с одним и тем же периодом  соответствуют наборы гармоник  и , то последовательности  будет соответствовать спектр .

  1.  Симметрия.

Свойство симметрии, которым обладает спектр непрерывного сигнала, сохраняется и для спектра дискретного периодического сигнала. Если отсчеты  – вещественные числа, тогда коэффициенты ДПФ, номера которых расположены симметрично относительно , образуют сопряженные пары:

.                       (11.8)

Из формулы (11.8) следует, что спектр является сопряжено симметричным относительно , то есть содержит ровно такое же количество информации, что и сам сигнал. Действительно, если исходный сигнал представляется набором из  вещественных чисел, то его спектр представляется набором из  комплексных чисел, каждое из которых с информационной точки зрения эквивалентно двум вещественным. Вторая половина спектра взаимно-однозначно связана с первой. Можно считать, что  коэффициенты  отвечают отрицательным частотам. При изучении амплитудного спектра сигнала они не дают новой информации.

Гармоника с нулевым номером (постоянная составляющая), как следует из (11.5) представляет собой среднее значение всех отсчетов сигнала на одном периоде:

.                                                                              (11.9)

Если  четное число, то

                                                                              (11.10)

И амплитуда гармоники с номером  определяется суммой отсчетов с чередующимися знаками:  .

  1.  ДПФ круговой свертки.

Возьмем две последовательности  и  одинаковой длины , ДПФ которых соответственно равны   и .  Вычислим их круговую свертку по одному периоду:

         .                                                                  (11.11)

Найдем точечное ДПФ этой свертки:

                  (11.12)

При выводе формулы (11.12) учтено свойство сдвига периодической последовательности. Таким образом, круговой свертке дискретизированных и заданных на одном временном промежутке сигналов соответствует перемножение их спектров.

Вычисление круговой свертки двух сигналов с помощью ДПФ осуществляется по следующему алгоритму:

  •  вычисление ДПФ исходных сигналов по формуле (11.5);
  •  перемножение коэффициентов полученных ДПФ согласно (11.12);
  •  вычисление сигнала  с помощью обратного ДПФ полученной последовательности .
  1.  Равенство Парсеваля для дискретных сигналов.

 Определим значение , используя формулу ДПФ:

               (11.13)

При выводе формулы (11.13) использовано условие ортонормированности  дискретных экспоненциальных функций:

                                                              (11.14)

Таким образом, мощность сигнала  на  отсчетах равна сумме мощностей его частотных компонентов.

  1.  Связь ДПФ и спектра дискретного сигнала. 

Имея один и тот же набор значений дискретного сигнала , можно рассчитать либо спектральную функцию  этого дискретного сигнала по формуле (8.12), либо его ДПФ по формуле (11.5). Сравнение этих формул показывает, что ДПФ представляет собой просто дискретные отсчеты спектральной функции дискретного сигнала, соответствующие частотам :

.                                                                         (11.15)

Из соотношения (11.15) следует важный вывод: если добавить к конечному набору отсчетов некоторое количество нулей, спектральная функция дискретного сигнала, естественно, не изменится, но ДПФ даст большее число спектральных отсчетов, соответствующих частотам, более тесно расположенным в интервале от нуля до частоты дискретизации.

  1.  Связь ДПФ с Z-преобразованием. 

Сравнивая формулу прямого ДПФ дискретной последовательности  с формулой  Z-преобразования, видим, что коэффициенты ДПФ равны значениям Z-преобразования этого сигнала в  точках, равномерно распределенных по единичной окружности Z-плоскости. Эти коэффициенты однозначно представляют саму последовательность,  поскольку она может быть точно восстановлена с помощью обратного ДПФ.

Получим Z-преобразование последовательности через коэффициенты ДПФ этой последовательности:

          .                              (11.16)

Формула (11.16) показывает, что Z-преобразование конечной последовательности ,  непосредственно связано с коэффициентами , , ее ДПФ.

 

PAGE  3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48544. Методи вимірювання теплоємності і тепловмісту 6.86 MB
  Вимірювання ентальпії методом змішування. Вимірювання теплоємності. Прилади які використовуються для вимірювання ентальпії або теплоємності називаються калориметрами а методика вимірювання калориметрією.
48545. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И БД 2.06 MB
  Сергей Щербина Общие сведения о ГИС Большинство используемых данных с которыми работают информационные системы имеют пространственную привязку географические координаты т. Сервисы Google Mps и Google Erths фактически представляющие собой базовую инфраструктуру геоданных продемонстрировали потенциал уже завоевавших популярность географических информационных систем ГИС. Простота ввода и агрегации данных с помощью сервиса Google Erth позволяет видеть в нем прообраз ГИС будущего простых в использовании открытых сред.
48546. БАЗЫ ДАННЫХ КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ 524.21 KB
  Сферы Воздух Вода Земля Био Количественные сведения о состоянии природной среды Наблюдения Диагноз Прогноз Климат После явления Сведения об объекте Перечень воздействий ЛПР Качественные сведения о ситуации время года климатический район тип объекта уровень принятия решений ЭММ Перечень рекомендаций Объект Оперативные Тактические Стратегические XII. БАЗЫ ДАННЫХ КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ Проблемы поддержки решений в современных условиях Роль информации при принятии решений Принципы создания СППР Выявление знаний Примеры...
48547. Перспективы развития БД 3.17 MB
  Перспективы развития БД Развитие компьютерной техники Развитие ядра СУБД Развитие внешнего окружения Развитие средств работы с БД Развитие моделей данных Сенсорные сети Технологии обслуживания нового поколения Развитие компьютерной техники За последние 25 лет тактовая частота процессоров возросла с МГц до ГГц оперативная память с нескольких сотен Кбайт до Гигабайт а память на дисках со 100 Мбайт до Тбайт и более. Рабочая нагрузка типового компьютера будущего потребует обработки Тбайт данных и производительности на терафлопном уровне....
48548. Базы данных. Модели данных 1.19 MB
  В настоящее время, а тем более в будущем, в условиях широкой информатизации общества все большее распространение будут получать справочные системы, системы информационной поддержки деятельности учреждений, системы поддержки принятия решений, системы автоматизированного учета и контроля, системы автоматизированного проектирования и множество других систем на базе средств информационных и коммуникационных технологий.
48549. Старажытныя цывілізацыі 650 KB
  Крыніцы вывучэння гісторыі Беларусі. Гісторыя Беларусі вывучаецца на аснове разнастайных гістарычных крыніц. Першымі на тэрыторыю Беларусі прыйшлі фінаугорскія плямены якія раней жылі за Уралам. Больш глыбокія вынінікі для Беларусі і Еўропы мела перасяленне індаеўрапейцаў.
48550. Автоматизация подготовки документов средствами СПС 178.5 KB
  Папки в СПС КонсультантПлюс 4. История запросов СПС КонсультантПлюс Основные сведения о системе Справочная правовая система КонсультантПлюс разработчик в РБ ООО ЮрСпектр http: urspectr.info компания КонсультантПлюс г.
48551. Психодиагностика. Конспект лекций 1.01 MB
  пришел к выводу что положительная корреляция между тестами на различные способности например математические и литературные выявляет некоторый общий генеральный фактор. Позднее распространилась точка зрения согласно которой структуру свойств составляет ряд достаточно широких групповых факторов каждый из которых может в разных тестах иметь различный вес. Тесты достижений Наряду с тестами интеллекта специальных и комплексных способностей возник и еще один тип тестов широко применяемых в учебных заведениях тесты достижений. В данном...
48552. Философия. Мировозренческая картина мира 147.76 KB
  Возникает в глубокой древности и характеризуется следующими свойствами: образность (образное освоение реальности) и синкретизм (слитность и нерасчленённость мифологии, знаний, ценностей). В мифе человек неразрывно сливается с природой. Мифологическое представление – это не столько знания, а реальность, в которой живёт человек.