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

42603. Формы в HTML-документах 80 KB
  enctype Атрибут указывающий способ кодирования содержимого формы для передачи программеобработчику. type Атрибут type определяет вид элемента INPUT. Значения атрибута type элемента INPUT: type= text по умолчанию Создание поля ввода в котором можно сразу после загрузки страницы разместить произвольный текст используя атрибут vlue. Например INPUT nme= T1 vlue= Родион type= pssword Создание поля для ввода пароля.
42604. Настольный горизонтально-фрезерный станок модели НГФ-110Ш 625.5 KB
  Оснащение: горизонтально фрезерный станок модели НГФ110Ш; плакаты и электрифицированные стенды для изучения устройства и кинематической схемы фрезерного станка; набор инструментальных инструментов методические пособия. Горизонтальнофрезерный станок1 фундаментная плита 2 станина 3 консоль 4 салазки 5 стол 6 хобот 7 оправка со фрезойОтличается от универсальнофрезерного станка отсутствием поворотного устройства то есть стол станка может перемещаться только перпендикулярно или вместе с салазками параллельно оси...
42606. Табличный процессор Microsoft Excel 94.5 KB
  Настроить внешний вид таблицы выделить ее выбрать Формат Ячейки. В закладке Число нажать на кнопку выбрать ячейку В2 Должно получиться: Число В2 = 0. В закладке Число для функции BS нажав на кнопку выбрать ячейку С2 Должно получиться: Число С2 = 0. Выбрать: График самый верхний левый; Нажать Далее посмотреть вид графика; Нажать Далее; Заполнить: Название диаграммы: график функций f1x f2x Ось Х: х радианы Ось Y: f1x f2x.
42607. Постмодернистские теории Н. Луман, Э. Гидденс 16.15 KB
  Исследование диаграмм компонентов и развертывание обретение навыков в их использовании. Диаграмма компонентов Архитектура ПО это представление ПО с помощью базовых элементов трех типов: компонентов соединителей и данных. Диаграмма компонентов Component digrm описывает физическое представление системы и обеспечивает переход от логического представления к реализации проекта в форме программного кода. Стереотипы компонентов такие: база данных DB; модуль который выполняется .
42608. Кинематическая схема токарно-винторезного станка ТВ-4 181 KB
  Углубить знания по устройству и принципу работы токарно-винторезного станка ТВ-4. Приобрести практические навыки составления и расчета уравнений кинематического баланса.Оборудование и инструмент: токарно-винторезный станок ТВ-4, плакаты отдельных узлов станка, кинематическая схема станка. Изучите кинематическую схему станка по методическому пособию.
42609. Изучение работы жидкостного U-образного манометра и комплекта приборов для измерения давления пневматической ветви ГСП 67.5 KB
  В процессе выполнения лабораторной работы студенты закрепляют знания по разделу Измерение давления и Дистанционная передача сигнала измерительной информации теоретического курса Технические измерения и приборы. Студенты знакомятся с принципом действия устройством преобразователя измерительного разности давления пневматического 13ДД11 в комплекте с вторичным прибором РПВ4. Стенд предназначен для выполнения лабораторной работы по изучению работы измерительного преобразователя разности давления пневматического 13ДД11 в...
42610. Изучить содержание панели управления NC, записать назначение функциональных клавиш, записать команды изменения функций клавиш F1 – F10 47.5 KB
  Для входа в меню надо нажать клавишу [F9]. В верхней строке экрана появится строка меню, содержащая следующие пункты “Левая”, “Файл”, “Диск”, “Команды”, “Правая”. Пункты меню ”Левая” и “Правая” задают режимы вывода информации соответственно в левой и правой панелях NC. Пункт меню “Файл” дает возможность производить разные операции над файлами
42611. Текстовый редактор MS WORD 64 KB
  Цель работы настройка параметров текстового редактора MS WORD; создание документа и шаблона в текстовом редакторе MS WORD; основные приемы форматирования документа MS WORD имеющего сложную структуру. Создание документа включает выбор параметров документа: размера бумаги величины полей пространственной ориентации листа и т. Редактирование документа подразумевает исправление всевозможных ошибок в тексте внесение изменений в текст документа. Форматирование документа оформление документа с целью задания ему требуемой...