71206

Гармонический анализ сигналов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель: Приобрести навыки проведения преобразования Фурье расчета характеристик спектра очистки сигнала от шумов в частотной области. Задачи: Прямое и обратное преобразование Фурье быстрое преобразование Фурье. Краткие теоретические сведения Дискретное преобразование Фурье...

Русский

2014-11-03

68.5 KB

9 чел.

3 Лабораторная работа №3. Гармонический анализ сигналов

Цель: Приобрести навыки проведения преобразования Фурье, расчета характеристик спектра, очистки сигнала от шумов в частотной области.

Задачи:

  1.  Прямое и обратное преобразование Фурье, быстрое преобразование Фурье.
  2.  Расчет модуля спектра и аргумента спектра.
  3.  Сглаживание спектра.

Порядок выполнения работы

  1.  Прочитать теоретические предпосылки.
  2.  Выполнить практические задания.
  3.  Сделать выводы.

Краткие теоретические сведения

Дискретное преобразование Фурье

При дискретном представлении сигналов аргумент tk обычно проставляется номерами отсчетов k (по умолчанию Dt = 1, k = 0,1,…N-1), а преобразования Фурье выполняются по аргументу n (номер шага по частоте) на главных периодах. При значениях N, кратных 2:

Sn = sk exp(-j2pkn/N),     n = -N/2,…,0,…,N/2.                 (1)

sk = (1/N)Sn exp(j2pkn/N),    k = 0,1,…,N-1.                  (2)

Главный период спектра в (1) для циклических частот от -0.5 до 0.5, для угловых частот от -p до p. При нечетном значении N границы главного периода по частоте (значения ±fN) находятся на половину шага по частоте за отсчетами ±(N/2) и, соответственно, верхний предел суммирования в (2) устанавливается равным N/2.

Преобразования (1-2) называют дискретными преобразованиями Фурье (ДПФ). Для ДПФ, в принципе, справедливы все свойства интегральных преобразований Фурье, однако при этом следует учитывать периодичность дискретных функций и спектров.

Алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) - это оптимизированный по скорости способ вычисления ДПФ. Основная идея заключается в двух пунктах.

Необходимо разделить сумму (1) из N слагаемых на две суммы по N/2 слагаемых, и вычислить их по отдельности. Для вычисления каждой из подсумм, надо их тоже разделить на две и т.д.

Необходимо повторно использовать уже вычисленные слагаемые.

Применяют либо "прореживание по времени" (когда в первую сумму попадают слагаемые с четными номерами, а во вторую - с нечетными), либо "прореживание по частоте" (когда в первую сумму попадают первые N/2 слагаемых, а во вторую - остальные). Оба варианта равноценны. В силу специфики алгоритма приходится применять только N, являющиеся степенями 2 [3]. Случай прореживания по времени.

В основе алгоритма БПФ лежат следующие формулы:

x[even]n = x2n,

x[odd]n = x2n+1,     

n = 0, 1,..., N/2-1

   

k=0,1,…,N/2-1

X{1}0=x0

Стандартные средства дискретных преобразований Фурье в системе Mathcad

Mathcad содержит функции для выполнения быстрого дискретного преобразования Фурье (БПФ) и его обращения в вещественной и  комплексной области. В Mathcad имеется также одномерное дискретное волновое преобразование и его обращение. Все эти функции имеют векторные аргументы.

В Mathcad входят два типа функций для дискретного преобразования Фурье: fft/ifft и cfft/icfft .

fft (v)

Возвращает дискретное преобразование Фурье 2m-мерного вещественнозначного вектора. Аргумент можно интерпретировать как результат измерений через равные промежутки времени некоторого сигнала.

Вектор v должен иметь 2m элементов. Результат — комплекснозначный вектор размерности 1+2m-1.

ifft (v)

Возвращает обратное дискретное преобразование Фурье; результат — вещественнозначный.

Вектор v должен иметь 1+ 2m элементов, где m — целое. Комплексное преобразование Фурье требует следующих функций:

cfft (A)

Возвращает дискретное преобразование Фурье комплекснозначных вектора или матрицы. Возвращаемый массив имеет тот же самый размер, что и массив, используемый как аргумент.

icfft (A)

Возвращается обращение дискретного преобразования Фурье вектора или матрицы данных. Функция icfft — обратная к функции cfft. Подобно cfft, эта функция возвращает массив того же самого размера, что и аргумент.

Задания

  1.  Получить дискретный сигнал из аналогового (см. лаб.раб 1,2) согласно варианту (таблица 1).
  2.  Добавьте шум в полученный сигнал, используя датчик случайных чисел (отсчёты с равномерным распределением). Построить графики.
  3.  Для полученного зашумлённого сигнала выполните (преобразование взять согласно варианту (таблица 1)):

a) написать программы на языке высокого уровня реализующие быстрое преобразование Фурье и дискретное преобразование Фурье.

b) Построить графики модуля спектра и аргумента спектра.

  1.  После прямого преобразования произвести фильтрацию спектра.
  2.  Реализовать обратное преобразование Фурье.
  3.  Проверить работу программы с помощью системы Mathcad (файл “furtr-преобразование Фурье.mcd”)

Таблица1 – Варианты сигналов

Вариант

Сигнал

и преобразование

Вариант

Сигнал

и преобразование

  1.  

  1.  

s(t) =Akcos(2pfkt+jk)

  1.  

s(t) = Asin (wоt+)

  1.  

s(t) = exp(-at) - exp(-bt)

  1.  

s(t) = Acos(wоt+j)

  1.  

s(t) = u(t) cos(2pfot+jo)

  1.  

s(t) =An sin (2pfnt+jn)

  1.  

s(t)=2A/T(t-kT),

(k-1/2)T<t<=(k+1/2)T

  1.  

s(t)=Asin(t/T)/(t/T)

  1.  

s(t)=A(1-4|t-kT|T),

(k-1/2)T<=t<(k+1/2)T

Список использованной литературы

1 Кирьянов, Д. В.  Самоучитель Mathcad И. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 560 с: ил. ISBN 5-94157-348.0 c. 452-456

2 Справка системы Mathcad

3 Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов/Питер.-2003, 608 с.

4 http://psi-logic.narod.ru/fft/fft2.htm Быстрое преобразование Фурье. Теория, программа, разъяснение


PAGE  

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27251. Визначте економічну природу витрат виробництва. За якими критеріями їх класифікують? Як співвідносяться економічний, бухгалтерський та нормальний прибуток 17.78 KB
  За якими критеріями їх класифікують Як співвідносяться економічний бухгалтерський та нормальний прибуток Економічні витрати це ті виплати які підприємство повинне зробити або ті доходи які підприємство повинно забезпечити постачальнику ресурсів для того щоб відволікти ці ресурси від використання в альтернативних виробництвах. Постійні і змінні витрати. Постійні витрати ПВ це витрати величина яких не залежить від зміни обсягу продукції. Які витрати підприємств є постійними Такі як орендна плата амортизація основного капіталу...
27252. Які витрати виробництва несе фірма (підприємство) в короткому періоді? Поясніть, в тому числі і графічно, взаємозв’язок між ними 35.44 KB
  Які витрати виробництва несе фірма підприємство в короткому періоді Поясніть в тому числі і графічно взаємозвязок між ними. Витрати виробництва за короткостроковий період Взаємозв'язок економічних і бухгалтерських витрат і прибутку Загальна виручка підприємства Економічні витрати Економічний прибуток Явні витрати Витрати на обладнання Сировина Електроенергія Заробітна плата Інші явні витрати Неявні витрати Процент на власний капітал Зарплата підприємця Нормальний прибуток Інші неявні витрати Бухгалтерські витрати Бухгалтерський прибуток У...
27253. Поясніть механізм дії закону спадної віддачі (спадного граничного продукту МР). В чому полягає взаємозв’язок загального (ТР), середнього (АР) та граничного продукту (МР). Чи є спадна продуктивність загальним явищем, притаманним діяльності фірми і в коротк 17.11 KB
  Чи є спадна продуктивність загальним явищем притаманним діяльності фірми і в короткому і в довгому періодах Закон спадної віддачі один із законів ринкової економіки який полягає в тому що з певного моменту послідовне приєднання одиниці змінного ресурсу наприклад праці до незмінного фіксованого ресурсу капіталу або землі дає додатковий або граничний продукт який зменшується в розрахунку на кожну наступну одиницю змінного ресурсу. Середній продукт МР показує середню віддачу продуктивність змінного фактора тобто загальний обсяг...
27254. Ґрунтуючись на характеристиці довгого періоду функціонування фірми, поясніть взаємодію середніх загальних витрат (АТС) у короткому і довгому періодах. Користуючись концепцією позитивного та негативного ефекту масштабу, поясніть форму кривої довгострокових 72.76 KB
  Середні сукупні витрати АТС кількість сукупних витрат виробництва що припадає на одиницю випуску продукції. Довгострокові середні витрати тобто витрати на одиницю продукції формують ціну виробника від рівня якої залежить результат діяльності фірми її успіх на ринку. Якщо ціна виробника виявиться нижчою за ринкову ціну фірма одержить економічний прибуток в іншому разі вона матиме збитки і буде витіснена з ринку тому мінімізація середніх витрат складає основне завдання виробничої діяльності фірми.
27255. Проаналізуйте процес виробництва як процес споживання економічних ресурсів. Дайте характеристику мети та системи обмежень фірми у використанні економічних ресурсів. Поясніть, як показник MRTS відображає дію закону спадної прибутковості 32.8 KB
  Проаналізуйте процес виробництва як процес споживання економічних ресурсів.ресурси прийнято ділити на чотири групи: природні потенційно придатні для застосування в виробництві природні сили та речовини серед яких розрізняють невичерпні та вичерпні а в останніх відновлювані та невідновлювані ; матеріальні всі створені людиною рукотворні засоби виробництва що самі є результатом виробництваверстати обладнання заводи транспортні засоби будинки.; трудові населення в працездатному віці яке в ресурсному аспекті...
27256. Виведіть графічно та алгебраїчно рівновагу підприємства – споживача економічних ресурсів. В чому полягає правило мінімізації витрат 24.5 KB
  В чому полягає правило мінімізації витрат Изокванта це лінія кожна точка якої відображає такі комбінації ресурсів праці та капіталу які дають змогу отримати однаковий обсяг виробництва продукції. Чим більша кількість використовуваних ресурсів тим більший обсяг виробництва і тим далі від початку координат міститься відповідна ізокванта. Карта ізоквант Отже різні комбінації факторів виробництва у межах ізокванти забезпечують виробництво певної кількості продукції а це означає що ці фактори деякою мірою є взаємозамінними. Для...
27257. Порівняйте криві байдужості в теорії поведінки споживача з ізоквантами в теорії виробництва, а також бюджетну лінію та ізокосту. Виведіть кути їх нахилу 45.56 KB
  Порівняйте криві байдужості в теорії поведінки споживача з ізоквантами в теорії виробництва а також бюджетну лінію та ізокосту. Крива байдужості це лінія рівної корисності всі точки якої показують множину наборів комбінацій двох благ що забезпечують один і той же рівень корисності. норма і нахил кривих байдужості визначаються уподобаннями споживача і залежать від ступеня замінності благ у споживанні. Узагальнимо властивості кривих байдужості: криві байдужості не можуть перетинатися; криві байдужості розташовані далі від початку...
27258. Гроші, їх функції і функціональні форми. Грошова маса та її структура. Товарне виробництво 22.58 KB
  Гроші є з одного боку виробничими відносинами які виникають у товарному виробництві за усіх видів обміну результатами трудової діяльності. Гроші це форма що історично виникла яка повинна мати власний матеріальний носій. Такий підхід до функцій грошей означає що гроші представляють інструмент економічних відносин у суспільстві і саме люди використовуючи можливості грошей можуть визначати ціни товарів застосовувати гроші в процесах реалізації й платежів а також використовувати їх як засіб нагромадження. Функція міри вартості полягає в...
27259. Ціна як економічна категорія, її функції, види. Ціноутворюючі фактори 52.77 KB
  Тому ціна як категорія кількісна це грошове вираження вартості товару. Це знайшло своє відображення у багаточисельності теорій присвячених вартості і цінам. Теорія трудової вартості. Суть цієї теорії в тому що субстанція і величина вартості як основа мінової вартості і цін визначається працею Вартість це втілена в товари праця.