4.1. Разложение непрерывных сигналов в ряд Котельникова
Как отмечено ранее, любые сигналы конечной длительности теоретически имеют бесконечно широкий спектр частот. В то же время доля энергии, передаваемая на высоких частотах, очень мала и ею при расчете полной энергии сигнала можно пренебречь.
Следовательно, сигналы с ограниченным спектром являются удобными математическими моделями реальных сигналов.В 1933 году В. А. Котельников доказал, что сигнал s(t) с ограниченной полосой частот, не имеющий спектральных компонент с частотами, которые превышают значение ωв = 2πFв, однозначно определяется значениями, выбранными через равные промежутки времени [1]
Δt = π/ωв = 1/2Fв.
Известно, что при аналогово-цифровом преобразовании, чем меньше частота оцифровки (или больше период дискретизации) и грубее квантование сигнала, тем меньше данных необходимо для представления аналогового сигнала в цифровом виде. С другой стороны с уменьшением объема данных увеличивается вероятность потери информации содержащейся в сигнале.
Чтобы продемонстрировать искажение информации при неправильном выборе частоты дискретизации сигнала рассмотрим примеры.
Пример.
Гармонический сигнал имеет частоту f (период T = 1/f). Проведем дискретизацию сигнала с периодом дискретизации Tд меньшим половины периода входного сигнала T (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Дискретизация сигнала с периодом Тд < Т/2
Очевидно, что дискретные отсчеты сигнала однозначно не отображают форму исходного сигнала, в частности по получившимся точкам можно построить гармонический сигнал с периодом Tискаж., отличающимся от периода исходного сигнала T. Период Tискаж. больше периода исходного сигнала T, соответственно частота меньше, частоты исходного сигнала f (рис. 4.2).
Данный эффект называется стробоскопическим эффектом или алиасингом. Он заключается в появлении ложной низкочастотной составляющей при дискретизации сигнала с частотой меньшей удвоенной частоты исходного сигнала (или с периодом большим половины периода исходного сигнала), отсутствующей в исходном сигнале.
Рис. 4.2. Стробоскопический эффект дискретизации
При дискретизации с периодом равным половине исходного аналогового сигнала (fд = 2f) возникает неопределенность начальной фазы и амплитуды сигнала, т.е. возможно зеркальное искажение (противофаза), при этом частота исходного сигнала не искажается. В крайнем случае, мы можем получить отсчеты сигнала равные нулю (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Дискретизация сигнала с периодом Тд = Т/2
Если период дискретизации меньше половины периода исходного сигнала, то очевидно, что через получившиеся после оцифровки точки можно построить только один гармонический сигнал, соответствующий исходному, без искажения начальной фазы, амплитуды и частоты (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Дискретизация сигнала с периодом Тд < Т/2
Таким образом, для адекватного восстановления гармонического сигнала по дискретным отсчетам, период дискретизации должен быть не меньше половины периода сигнала.
Частота равная половине частоты дискретизации называется частотой Найквиста fN = fд/2.Таким образом, аналоговый сигнал с ограниченным спектром может быть восстановлен однозначно и без искажений по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой большей удвоенной максимальной частоты его спектра Fд > 2·Fmax.
Данное утверждение известно как теорема Котельникова (в западной литературе теорема Найквиста-Шеннона) или теорема отсчетов.
Рис. 4.5. Временные диаграммы непрерывного сигнала s(t) и дискретизированного sд(t)
Важно, что не надо передавать непрерывно исходный сигнал s(t), достаточно передавать отсчёты s(kDt). Это первый шаг перехода от непрерывного сигнала к цифровому. С точки зрения математики теорема Котельникова означает представление сигнала в виде ряда:
, (4.1)
где s(k∆t) – отсчёты;
(sin ωв(t - k∆t)) / ωв(t - k∆t) – функции отсчётов.
Ряд Котельникова – это разложение сигнала s(t) в ряд по ортогональным функциям φk(t).
(4.2)
Теоретически дискретизация осуществляется с помощью d-импульсов.
;
Рис. 4.6. Временная диаграмма одиночного d-импульса
Спектр одиночного d-импульса получим, используя преобразование Фурье:
Использовано "фильтрующее" свойство дельта-функций:
Следовательно, спектр одиночного дельта-импульса имеет вид:
Рис. 4.7. Спектр одиночного δ-импульса
Чтобы получить отсчёты функции s(t) перемножим функцию s(t) на периодическую последовательность дельта-импульсов с периодом Т = Dt.
Рис. 4.8. Временная диаграмма периодической последовательности
δ-импульсов
Так как сигнал периодический, то его спектр будет дискретным.
(4.3)
;
Т = Dt; ωд – частота дискретизации. Спектр периодической последовательности дельта-импульсов в соответствии с формулой для U(t) имеет следующий вид:
Рис. 4.9. Спектр периодической последовательности δ-импульсов
Еще по теме 4.1. Разложение непрерывных сигналов в ряд Котельникова:
- 4. Сигналы с ограниченным спектром. Теорема Котельникова
- 4.5. Погрешности дискретизации и восстановления непрерывных сигналов
- 22.5. Количество информации при оптимальном приёме непрерывных сигналов
- 14.2. Модели непрерывных каналов
- 18.3. Потенциальная помехоустойчивость передачи непрерывных сообщений
- 15.5. Количество информации, переданной по непрерывному каналу
- Непрерывность настроения
- Деньги выполняют ряд функций.
- 2.4. Представление сигналов в виде рядов ортогональных функций
- Моменты количества: дискретное и непрерывное
- 15.6. Пропускная способность непрерывного канала
- 4.4. Восстановление непрерывного сигнала из отсчётов
- 3.1. Спектральное представление периодических сигналов
- 2.3. Геометрическое представление сигналов
- В итоге обозрения славянофильского учения о праве можно сформулировать ряд обобщений.
- 1.1. Информация, сообщения, сигналы и помехи
- 2.2. Математическое представление сигналов
- Разложение многочленов на множители