background image

1

PRZESTRZENIE SYGNAŁÓW

Spis treści

1. Przestrzenie metryczne –

odległość miedzy sygnałami

2. Przestrzenie unormowane –

moc sygnału

3. Przestrzenie unitarne –

iloczyn skalarny

4. Związki pomiędzy przestrzeniami

0 .2 1

0 .2 1 5

0 .2 2

0 .2 2 5

0 .2 3

-0 .2

-0 .1

0

0 .1

0 .2

background image

2

Definicja przestrzeni metrycznej

Zbiór  nazywamy 

przestrzenią metryczną

, jeżeli każdej parze 

elementów przyporządkowana jest liczba  nieujemna

w taki sposób, że spełnione są następujące warunki zwane 

aksjomatami metryki:

s s

S

1

2

,

( , )

s s

1

2

( , )

s s

s

s

1

2

1

2

0

  

( , )

( , )

s s

s s

1

2

2

1

( , )

( , )

( , )

s s

s s

s s

1

2

2

3

1

3

1.

2.

3.

background image

3

Przykłady przestrzeni metrycznych 

sygnałów analogowych 1-D

L

T

2

0

( , )

L

T

s s

s t

s t

dt

2

1

2

1

2

0

2

( , )

( )

( )

L

2

( )

R

L

s s

s t

s t

dt

2

1

2

1

2

2

( , )

( )

( )





C

t T

s s

s t

s t

( , ) max ( )

( )

1

2

0

1

2

 

)

,

0

T

C

)

,

(

1





L

dt

t

s

t

s

s

s

L



)

(

)

(

)

,

(

2

1

2

1

1

L

T

p

( , )

0

s t

dt

p

T

( )

0

 

1

  

p

L

p

T

p

p

s s

s t

s t

dt

( , )

( )

( )

1

2

1

2

0

1





background image

4

Przykład odległości między sygnałami

Dane są dwa sygnały : 

s t

t

1

( )

sin( )

s t

t

2

( )

cos( )

Jaka jest między nimi odległość

w przestrzeniach              i C(0, 2

?

L

2

0 2

( ,

)

L

s s

t

t

dt

2

1

2

2

0

2

2

( , )

sin( ) cos( )

C

t

s s

t

t

( , )

max sin( ) cos( )

1

2

0

2

 

d

t

t

dt

t

t

sin( ) cos( )

cos( ) sin( )

2

)

,

(

1

)

(

2

1

4

3

s

s

t

t

tg

C

oraz 

background image

5

Przykłady przestrzeni metrycznych 

obrazów analogowych

]

,

0

[

]

,

0

[

2

Y

X

L

L

X

Y

s s

s x y

s x y

dx dy

2

1

2

1

2

0

0

2

( , )

( , )

( , )

 

L

2

2

R

L

s s

s x y

s

x y

dx dy

2

1

2

1

2

2

( , )

( , )

( , )









C

x X

y Y

s s

s x y

s x y

( , )

max

( , )

( , )

1

2

0

0

1

2

 

 

]

,

0

[

]

,

0

[

Y

X

C

background image

6

Przykład odległości między obrazami

L

s s

x

y

y

x

dx dy

2

1

2

2

0

2

0

2

2 2

( , )

sin( )

sin( )

L

s s

x

y

xy dx dy

2

1

3

2

0

2

0

2

2

2

2

10

3

16

9

( , )

sin( )

)

,

(

)

,

(

3

1

2

1

2

2

s

s

s

s

L

L

Czy obraz

)

sin(

)

,

(

1

y

x

y

x

s

jest bliższy obrazowi

s x y

xy

3

( , )

w przestrzeni

?

)

sin(

)

,

(

2

x

y

y

x

s

czy obrazowi

L

x

2

0 2

0 2

[ ,

] [ ,

]

Obraz  z lewej jest bliższy obrazowi centralnemu niż obrazowi z prawej strony

background image

7

Przykłady przestrzeni metrycznych 

sygnałów dyskretnych 1-D

s

s

s

 [ ( ), ( ),...]

0

1

s n

p

n

( )

 

l

p

1

  

p

l

p

n

p

p

s s

s n

s

n

( , )

( )

( )

1

2

1

2

1



s s

l

1

2

2

,

l

n

s s

s n

s n

2

1

2

1

2

2

( , )

( )

( )

l

l

n

s s

s n

s n

( , )

max

( )

( )

1

2

1

2

2

l

background image

8

Przykłady przestrzeni metrycznych 

sygnałów dyskretnych 2-D

l

n

m

s s

s m n

s m n

2

1

2

1

2

2

( , )

( , )

( , )

l

l

m n

s m n

s m n

max

( , )

( , )

,

1

2

1

l

2

l



N

n

M

m

l

n

m

s

n

m

s

s

s

0

0

2

1

2

1

)

,

(

)

,

(

)

,

(

1

background image

9

1.

2.

gdzie

3.

Definicja przestrzeni unormowanej

Zbiór  nazywamy 

przestrzenią unormowaną

jeżeli każdemu jej 

elementowi , 

przyporządkujemy liczbę nieujemną

w taki 

sposób, że spełnione są następujące warunki:

s

S

s

s

s

   

0

s

s

R

s

s

s

s

1

2

1

2

background image

10

Przykłady przestrzeni unormowanych 

sygnałów analogowych

s

s t

dt

L

T

2

2

0

( )

s

s t

dt

L

2

2



( )

s

s x y

dx dy

L

X

Y

2

2

0

0

( , )

s

s x y

dx dy

L

2

2









( , )

s

s t

C

t

 max ( )

s

s x y

C

x y

 max ( , )

,

background image

11

Norma sygnału sinusoidalnego

Jakie są normy sygnału w 

przestrzeniach

?

L

2

0 2

( ,

)

C( ,

)

0 2

s

t dt

t

t

L2

2

0

2

0

2

2

2

4







sin ( )

sin( )

s

t

C

t

 

max sin( )

0

2

1

)

sin(

)

(

t

t

s

background image

12

Norma sygnału analogowego 2-D

Czy norma sygnału  

w przestrzeni  

jest taka sama jak w przestrzeni 

?

s x y

x

y

( , )

sin( ) cos( )

 

1

L

x

2

0 2

0 2

[ , ] [ , ]

C

x

[ ,

] [ ,

]

0 2

0 2

s

x

y dx dy

L2

2

2

0

2

0

2

1

3

sin( ) cos ( )

s

x

y

C

x y

x

max

[

sin( )]cos( )

( , ) [ ,

] [ ,

]

0 2

0 2

1

2

background image

13

Przykłady unormowanych przestrzeni 

sygnałów dyskretnych

s

s

s

s N

 [ ( ), ( ),..., ( )]

0

1

2

l

s

s n

l

n

N

2

2

0

( )

l

s

s n

l

n

 max ( )

s

s m n

l

n

N

m

M

2

2

0

0

( , )

s

s m n

l

m n

 sup ( , )

,

background image

14

Definicja iloczynu skalarnego

Iloczynem skalarnym

pary elementów należących do nazywamy 

operację, która tej parze przyporządkowuje liczbę

w taki 

sposób, że spełnione są następujące aksjomaty :

s s

1

2

,

1.

2.

3.

4.

s s

,

 0

dla

i

dla

s

 

s s

,

 0

s

 

s s

s s

1

2

1

2

,

,

C

s

s s

s s

s s

1

2

3

1

3

2

3

,

,

,

*

1

2

2

1

,

,

s

s

s

s

background image

15

Przykłady przestrzeni unitarnych

T

L

dt

t

s

t

s

s

s

0

*

2

1

2

1

)

(

)

(

,

2

n

T

n

s

n

s

s

s

s

s

)

(

)

(

,

*

2

1

*

2

1

2

1

 

Y X

dy

dx

y

x

s

y

x

s

s

s

0 0

*

2

1

2

1

)

,

(

)

,

(

,



m

n

n

m

s

n

m

s

s

s

)

,

(

)

,

(

,

*

2

1

2

1

background image

16

Przykład sygnałów ortogonalnych

Czy sygnały

oraz

są sygnałami ortogonalnymi 

w przestrzeni 

?

Zerowa wartość oznacza, że sygnały  s

1

s

2

są ortogonalne w 

)

sin(

)

(

1

t

t

s

L

2

0 2

( ,

)

s s

t

t dt

t dt

1

2

1

2

0

2

0

2

2

0

,

sin( ) cos( )

sin( )

L

2

0 2

( ,

)

)

cos(

)

(

t

t

s

s

background image

17

Odległość między sygnałami ortogonalnymi

Czy sygnały  

i

są ortogonalne?

1

)

(

1

t

s

s s

t

dt

t

t

1

2

2

0

1

0

1

2

1

0

,

|

Zerowanie iloczynu skalarnego oznacza, że sygnały są względem 
siebie prostopadłe. Odległość między nimi wynosi

( , )

s s

t

dt

1

2

2

0

1

2

2

2

3

)

1

,

0

(

2

L

1

2

)

(

2

 t

t

s

Jaka jest między nimi odległość w przestrzeni

?

background image

18

Związek między przestrzenią

unitarną i unormowaną

Funkcjonał zdefiniowany wzorem

dla  

jest normą w przestrzeni unitarnej S.

s

s s

,

s

S

Twierdzenie 1.

background image

19

Związek między przestrzenią

unormowaną i metryczną

Twierdzenie 2.

Funkcjonał zdefiniowany wzorem

dla

jest metryką w unormowanej przestrzeni S.

( , )

s s

s

s

1

2

1

2

s s

S

1

2

,

background image

20

Definicja metryki przesuwalnej

i bezwzględnie jednorodnej

Mówimy,  że 

metryka

w przestrzeni jest 

przesuwalna

jeśli 

spełniony jest warunek 

(

,

)

( , )

s

s s

s

s s

1

3

2

3

1

2

dla dowolnych 

s s s

S

1

2

3

, ,

Metryka

jest 

bezwzględnie jednorodna

jeśli zachodzi

  

 

(

,

)

( , )

s

s

s s

1

2

1

2

dla dowolnych 

oraz dla każdego

s s

S

1

2

,



background image

21

Związek między przestrzenią

metryczną i unormowaną

Twierdzenie 3.

Jeżeli metryka w przestrzeni jest przesuwalna i bezwzględnie 
jednorodna to wtedy i tylko wtedy przestrzeń jest unormowana. 
Norma dana jest wzorem

s

s

( , )