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

36 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

41404. Разработка программного обеспечения информационных систем 194.5 KB
  Основные причины успеха и провала проектов В отчете группы Стендиша 1994 указано три наиболее часто встречающихся ключевых фактора создающих проблемы в проектах. Некое свойство программного обеспечения необходимое пользователю для решения проблемы при достижении поставленной цели. Подход к управлению требованиями Область проблемы Как правило мы находимся во владениях пользователячужестранца. Таким образом наша задача состоит в том чтобы понять их проблемы в их предметной области и на их языке и построить системы удовлетворяющие их...
41405. Управление требованиями. Объектно-ориентированный анализ и проектирование 240 KB
  Вторую категорию составляют непрямые пользователи а также те на кого воздействуют только бизнес последствия разработки. Этих заинтересованных лиц можно найти в соответствующей бизнес области или в окрестностях среды конкретного приложения. Ограничения налагаемые на систему ввода заказов на покупку Источник Ограничение Объяснение Эксплуатационный Копия данных заказа на покупку должна оставаться в унаследованной базе данных в течение одного года Риск потери данных слишком высок; нам необходимо работать параллельно в течение года...
41406. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ 85.5 KB
  Пять этапов анализа проблемы Достижение соглашения об определении проблемы Выделение основных причин проблем стоящих за проблемой Выявление заинтересованных лиц и пользователей Определение границ системырешения Выявление ограничений налагаемых на решение 5. Синдром неоткрытых руин Синдром пользователя и разработчика Функции продукта или системы Потребности заинтересованных лиц и пользователей Функции Управление сложностью путем выбора уровня абстракции Атрибуты функций продукта 9. Предельно недорога ...
41407. Обыгрывание ролей 196.5 KB
  Проблема требований Цель Статистика Основные причины успеха и провала проектов Высокая цена ошибок требований 2. Инженерия систем интенсивно использующих программное обеспечение Задача выявления требований 7. Преграды на пути выявления требований Синдром да но. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ Совещания посвященные требованиям Мозговой штурм и отбор идей Раскадровка Применение прецедентов 9.
41408. Документ Delta Vision 225 KB
  Он представляет собой достаточно подробное описание на естественном языке поэтому основным участникам проекта легко с ним работать. Разработка документаконцепции и работа с ним являясь центром приложения действий многих участников заказчиков пользователей представителей руководства проекта и маркетинга могут играть заметную роль в успехе или неудаче программного проекта. При создании первой версии документа это не так уж сложно так как практически все пункты в перечне будут новыми для данного проекта или по крайней мере должны...
41409. Промышленные технологии проектирования ИС 152.5 KB
  По степени использования типовых проектных решений различают следующие методы проектирования: оригинального индивидуального проектирования когда проектные решения разрабатываются с нуля в соответствии с требованиями к ЭИС; типового проектирования предполагающего конфигурацию ЭИС из готовых типовых проектных решений программных модулей. Итеративному подходу присуща внутренняя гибкость позволяющая включать в бизнесцели новые требования или тактические изменения. Хотя ни один отдельно взятый процесс не способен удовлетворить...
41410. ТИПОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИС 250.5 KB
  В качестве примеров широко распространенных функциональных ППП можно назвать: 1С Предприятие автоматизация бухгалтерского учета расчета заработной платы складского учета Фолио Склад автоматизация складских операций Project Expert бизнеспланирование ИНЭК финансовый анализ и др. Таким образом вместе с программным продуктом пользователи приобретают базу знаний knowhow об эффективных методах организации и управления бизнеспроцессами которые можно адаптировать в соответствии со спецификой конкретного экономического...
41411. Рецепция «вечных» образов в современной литературе. Своеобразие трактированния образов Каина та Авеля в притче Х.Л. Борхеса «Каин и Авель» 26.86 KB
  Своеобразие трактированния образов Каина та Авеля в притче Х. Борхеса Каин и Авель. Борхеса притча писателя Каин и Авель.Своеобразие трактированния образов Каина та Авеля в притче Х.