background image

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 1/21 

SYGNAŁY  WĄSKOPASMOWE

1

 

 
Sygnały o ograniczonej szerokości widma 

•  reprezentację sygnału za pomocą sygnału analitycznego można wprowadzić dla szerokiej 

klasy sygnałów, jest ona jednak szczególnie użyteczna w odniesieniu do sygnałów 
wąskopasmowych 

•  sygnały, których widma są różne od zera jedynie w pewnym przedziale o skończonej 

długości, nazywamy sygnałami o ograniczonej szerokości widma 

•  jeżeli 

Γ  jest skończonym przedziałem pulsacji, wówczas widmo sygnału o ograniczonej 

szerokości można zapisać w postaci 

( )

Γ

ω

ω

dla

0

X

 

( )

Γ

ω

=

ω

dla

0

X

 

•  ogólny model matematyczny sygnału o ograniczonej szerokości widma 

( )

( )

Γ

ω

ω

ω

π

=

d

e

X

t

x

t

j

2

1

 

                                                 

1

 opracowano na podstawie [1-5], wersja z dnia 02.10.2014 

  materiał nie jest pełnym i ścisłym pod względem formalnym opracowaniem poszczególnych tematów, stanowi 

jedynie szkielet, wokół którego budowany jest wykład 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 2/21 

SYGNAŁY  WĄSKOPASMOWE (cd) 

 

Przykład 1 
 
idealny sygnał dolnopasmowy (o widmie rzeczywistym) 
 
 

 

( )



ω

>

ω

ω

=

ω

ω

<

ω

=

ω

m

m

m

X

X

X

  

  

  

dla

dla

dla

0

2

0

0

 

 
 
czasowa postać sygnału 
 
 
 

( )

t

t

X

d

e

X

t

x

m

m

m

t

j

m

m

ω

ω

π

ω

=

ω

π

=

ω

ω

ω

sin

2

0

0

 

 
 

-π/ω

m

 

π/ω

m

 

-2π/ω

m

 

X

0

ω

m

/π 

2π/ω

m

 

x(t

X

0

 

m

 

ω

m

 

ω 

X(ω) 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 3/21 

SYGNAŁY  WĄSKOPASMOWE (cd) 

 

Przykład 2 
 
idealny sygnał środkowopasmowy (o widmie rzeczywistym) 
 
 

( )



ω

ω

+

ω

=

ω

=

ω

ω

ω

+

ω

<

ω

<

ω

ω

=

ω

  

0

 

 

 

2

 

 

0

0

0

0

0

0

 

h

pozostalyc

   

dla

dla

dla

X

X

X

 

 
 
czasowa postać sygnału 
 
 
 

( )

t

t

t

X

t

x

0

0

cos

sin

2

ω

ω

ω

π

ω

=

 

 
 
 

x(t

0

 

X

0

 

2∆ω 

2∆ω 

ω 

X(ω) 

ω

0

 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 4/21 

SYGNAŁY  WĄSKOPASMOWE (cd) 

 
Sygnały wąskopasmowe 
 
•  sygnał wąskopasmowy jest szczególną klasą sygnałów o ograniczonej szerokości widma 
 
•  sygnał wąskopasmowy – sygnał o widmie skupionym w przedziale pulsacji o szerokości 

ω

, w otoczeniu wartości środkowych 

0

ω

±

, przy czym 

1

/

0

<<

ω

ω

0

0

ω

 

0

ω

 - pulsacja podstawowa sygnału 

 

 

 
 
 
 

0

 

ω

0

 

ω 

|X(ω)| 

background image

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 5/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY 

 

•  ważnym zagadnieniem w analizie sygnałów, zwłaszcza sygnałów modulowanych, jest 

zagadnienie reprezentacji sygnału za pomocą drgania uogólnionego 

•  koncepcja drgania uogólnionego opiera się na pojęciu sygnału analitycznego 

•  sygnał rzeczywisty o znanym widmie 

( )

ω

X

 można przedstawić jednoznacznie jako 

sumę dwóch sygnałów, z których każdy zawiera w swoim widmie tylko dodatnie lub 
ujemne pulsacje, zatem 

( )

( )

( )

( )

ω

ω

ω

ω

ω

π

+

ω

ω

π

=

ω

ω

π

=

0

0

2

1

2

1

2

1

d

e

X

d

e

X

d

e

X

t

x

t

j

t

j

t

j

 

funkcja 

( )

( )

ω

ω

ω

π

=

0

1

d

e

X

t

z

t

j

x

 

nazywa się sygnałem analitycznym stowarzyszonym z sygnałem rzeczywistym 

( )

t

x

 

•  można wykazać, że pierwsza z całek równa jest 

( )

( )

t

z

d

e

X

x

t

j

*

0

1

=

ω

ω

π

ω

 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 6/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 
•  skąd wynika związek między sygnałami 

( )

t

x

 i 

( )

t

z

x

 

( )

( )

( )

[

]

( )

[

]

t

z

t

z

t

z

t

x

x

x

x

Re

2

1

*

=

+

=

 

•  część urojona sygnału analitycznego 

( )

( )

[

]

t

z

t

x

x

Im

ˆ

=

 

nazywa się sygnałem skojarzonym z sygnałem 

( )

t

x

 

•  zatem sygnałem analitycznym sygnału 

( )

t

x

, nazywanym również postacią analityczną 

sygnału 

( )

t

x

, jest sygnał zespolony postaci 

 
 

( )

( )

( )

t

x

j

t

x

t

z

x

ˆ

+

=

 

 
 
 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 7/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

•  sygnał analityczny można przedstawić na płaszczyźnie zmiennej zespolonej jako wektor, 

którego moduł i kąt zmieniają się w czasie; rzutem sygnału analitycznego na oś 

rzeczywistą w chwili 

t

 jest wartość sygnału 

( )

t

x

 w tej chwili 

 

 

 

xˆ  

z

x

 

Im 

Re 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 8/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

Amplituda, pulsacja i faza chwilowe sygnału analitycznego 

•  pojęcie sygnału analitycznego umożliwia uogólnienie na sygnały nieharmoniczne pojęcia 

amplitudy, pulsacji i fazy sygnału harmonicznego 

 

•  wykładnicza postać sygnału analitycznego 

( ) ( )

( )

( )

( )

( ) ( )

[

]

( )

( )

t

z

j

x

t

x

t

x

j

x

x

e

t

z

e

t

x

t

x

t

x

j

t

x

t

z

arg

ˆ

arctg

2

2

ˆ

ˆ

=

+

=

+

=

 

ostatecznie 

( )

( )

( )

t

j

x

e

t

X

t

z

ψ

=

 

•  amplituda chwilowa (obwiednia rzeczywista) 

( )

t

X

 sygnału rzeczywistego 

( )

t

x

 

(moduł jego sygnału analitycznego) 

( )

( )

( )

( )

t

x

t

x

t

z

t

X

x

2

2

ˆ

+

=

=

 

•  pulsacja chwilowa 

( )

t

ω

 sygnału rzeczywistego 

( )

t

x

 (pochodna argumentu jego 

sygnału analitycznego) 

( )

( )

t

t

t

d

d ψ

=

ω

 

background image

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 9/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

•  pojęcie fazy może być również uogólnione na sygnały nieharmoniczne, nie jest to jednak 

uogólnienie jednoznaczne; pojęcie fazy chwilowej określa się względem arbitralnie 

przyjętej pulsacji 

0

ω

 

•  fazą chwilową sygnału rzeczywistego 

( )

t

x

, określoną względem pulsacji 

0

ω

nazywamy funkcję 

( )

t

ϕ

, taką że 

( )

( )

t

t

t

ϕ

+

ω

=

ψ

0

 

(wybór wartości 

0

ω

 jest w zasadzie dowolny, jednak przykładowo dla sygnałów 

wąskopasmowych przyjmuje się zwykle pulsację środkową ich widma prawostronnego, 

wówczas obwiednia chwilowa 

( )

t

X

 i faza chwilowa 

( )

t

ϕ

 sygnału wąskopasmowego 

zmieniają się w czasie wolno w porównaniu ze zmianami wartości chwilowej tego sygnału) 

 
 
 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 10/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

przykład 

Wyznaczyć amplitudę chwilową, pulsację chwilową oraz fazę chwilową sygnału 

harmonicznego 

( )

(

)

0

0

cos

ϕ

+

ω

=

t

U

t

x

rozwiązanie 

można wykazać, że sygnał 

( )

t

xˆ

, skojarzony z sygnałem rzeczywistym 

( )

(

)

0

0

cos

ϕ

+

ω

=

t

U

t

x

 przyjmie postać 

( )

(

)

0

0

sin

ˆ

ϕ

+

ω

=

t

U

t

x

 

zatem postać analityczna sygnału 

( )

t

x

 

( )

( )

( )

(

)

(

)

(

)

( )

t

j

t

j

x

Ue

Ue

t

jU

t

U

t

x

j

t

x

t

z

ψ

ϕ

+

ω

=

=

ϕ

+

ω

+

ϕ

+

ω

=

+

=

0

0

0

0

0

0

sin

cos

ˆ

 

amplituda chwilowa 

( )

( )

U

t

z

t

X

x

=

=

 

pulsacja chwilowa 

( )

( )

(

)

0

0

0

d

d

d

d

ω

=

ϕ

+

ω

=

ψ

=

ω

t

t

t

t

t

 

faza chwilowa względem pulsacji 

0

ω

 

( )

( )

ϕ

+

ω

=

ψ

t

t

t

0

( )

( )

0

0

0

0

ϕ

=

ϕ

ϕ

+

ω

=

ϕ

+

ω

t

t

t

t

 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 11/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

Drganie uogólnione 

•  pojęcie sygnału analitycznego umożliwia wprowadzenie użytecznej w analizie sygnałów 

wąskopasmowych reprezentacji sygnałów nieharmonicznych 

•  dla ustalonej pulsacji 

0

ω

 sygnał rzeczywisty 

( )

t

x

 można przedstawić 

( )

( )

[

]

( )

( )

[

]

( )

( )

[

]

[

]

t

t

j

t

j

x

e

t

X

e

t

X

t

z

t

x

ϕ

+

ω

ψ

=

=

=

0

Re

Re

Re

 

ostatecznie 

( )

( )

( )

[

]

t

t

t

X

t

x

ϕ

+

ω

=

0

cos

 

przedstawienie to nosi nazwę drgania uogólnionego 

zatem jeśli 

0

ω

 jest częstotliwością środkową sygnału wąskopasmowego 

( )

t

x

 to sygnał 

taki  można  traktować  jako  sygnał  oscylacyjny  o  pulsacji  chwilowej  oscylującej  wokół 

pulsacji 

0

ω

  o  zmiennej  w  czasie  amplitudzie 

( )

t

X

  i  fazie  chwilowej 

( )

t

ϕ

,  inaczej 

sygnał  wąskopasmowy  stanowi  złożone  drganie  powstałe  jako  efekt  jednoczesnej 

modulacji amplitudy, pulsacji i fazy sygnału harmonicznego o pulsacji 

0

ω

 

•  podobnie 

( )

( )

[

]

( )

( )

[

]

( )

( )

[

]

t

t

t

X

e

t

X

t

z

t

x

t

j

x

ϕ

+

ω

=

=

=

ψ

0

sin

Im

Im

ˆ

 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 12/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

•  wykorzystując tożsamość trygonometryczną drganie uogólnione można przedstawić 

( )

( )

( )

[

]

( )

( )

( )

( )

( )

( )

t

t

x

t

t

x

t

t

t

X

t

t

t

X

t

t

t

X

t

x

Q

I

0

0

0

0

0

sin

cos

sin

sin

cos

cos

cos

ω

ω

=

=

ω

ϕ

ω

ϕ

=

ϕ

+

ω

=

 

podobnie 

( )

( )

( )

[

]

( )

( )

( )

( )

( )

( )

t

t

x

t

t

x

t

t

t

X

t

t

t

X

t

t

t

X

t

x

Q

I

0

0

0

0

0

cos

sin

cos

sin

sin

cos

sin

ˆ

ω

+

ω

=

=

ω

ϕ

+

ω

ϕ

=

ϕ

+

ω

=

 

składowe 

( )

( )

( )

t

t

X

t

x

I

ϕ

=

cos

 

( )

( )

( )

t

t

X

t

x

Q

ϕ

=

sin

 

nazywane są odpowiednio składową synfazową i składową kwadraturową i stanowią 

sygnały wolnozmienne w porównaniu z sygnałem 

( )

t

x

 

 

 

background image

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 13/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

•  drganie uogólnione można przedstawić również w postaci 

( )

( )

( )

[

]

[

]

( )

( )

[

]

( )

[

]

t

j

t

j

t

j

t

t

j

e

t

X

e

e

t

X

e

t

X

t

x

0

0

0

~

Re

Re

Re

ω

ω

ϕ

ϕ

+

ω

=

=

=

 

•  funkcję 

( )

( )

( )

t

j

e

t

X

t

X

ϕ

=

~

 

nazywamy obwiednią zespoloną sygnału 

( )

t

x

 

•  przykładowy sygnał harmonicznego 

( )

(

)

0

0

cos

ϕ

+

ω

=

t

U

t

x

, o analitycznej postaci 

( )

(

)

0

0

ϕ

+

ω

=

t

j

x

Ue

t

z

 

można przedstawić 

( )

( )

[

]

(

)

[

] [

] [

]

t

j

t

j

j

t

j

x

e

X

e

Ue

Ue

t

z

t

x

0

0

0

0

0

~

Re

Re

Re

Re

ω

ω

ϕ

ϕ

+

ω

=

=

=

=

 

gdzie 

0

~

ϕ

=

j

Ue

X

 

jest amplitudą zespoloną sygnału harmonicznego, zatem obwiednia zespolona 

( )

t

X

~

 jest 

uogólnieniem pojęcia amplitudy zespolonej na sygnały nieharmoniczne 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 14/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

•  obwiednię zespoloną można przedstawić w postaci 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

t

jx

t

x

t

t

jX

t

t

X

e

t

X

t

X

Q

I

t

j

+

=

ϕ

+

ϕ

=

=

ϕ

sin

cos

~

 

skąd otrzymujemy wyrażenia na obwiednię rzeczywistą 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

t

x

t

x

t

x

t

x

t

X

t

X

Q

I

2

2

2

2

ˆ

~

+

=

+

=

=

 

 

Widmo sygnału analitycznego 

•  jeżeli sygnał analityczny 

( )

t

z

x

 posiada widmo 

( )

ω

x

Z

, wówczas 

( )

( )

ω

ω

ω

π

=

d

e

Z

t

z

t

j

x

x

2

1

 

ponieważ 

 

 

( )

( )

ω

ω

ω

π

=

0

1

d

e

X

t

z

t

j

x

 

zatem 

 

 

( )

( )

<

ω

>

ω

ω

=

ω

0

0

0

2X

Z

x

 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 15/21 

SYGNAŁ  ANALITYCZNY (cd) 

 

 

z liniowości przekształcenia Fouriera wynika 

( )

( )

( )

ω

+

ω

=

ω

X

j

X

Z

x

ˆ

 

gdzie 

( )

ω

Xˆ

 - widmo sygnału skojarzonego 

( )

t

xˆ

 

zatem  

 

( )

( )

<

ω

>

ω

ω

=

ω

0

0

0

2X

Z

x

 

wtedy i tylko wtedy, gdy

( )

ω

X

 i 

( )

ω

Xˆ

 będą związane zależnością 

( )

( )

( )

<

ω

ω

>

ω

ω

=

ω

0

0

ˆ

jX

jX

X

 

inaczej 

( )

( ) ( )

0

,

sgn

ˆ

ω

ω

ω

=

ω

dla

X

j

X

 

-

ω

ω

|X(ω)|, |Z

x

(ω)

| 

2X

0

 

X

0

 

ω 

|X(ω)| 

|Z

x

(ω)

| 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 16/21 

PRZEKSZTAŁCENIE  HILBERTA 

 
•  ponieważ widmo sygnału skojarzonego 

( )

t

xˆ

 jest iloczynem widm sygnału 

( )

t

x

 i funkcji 

( )

ω

− sgn

j

, to sygnał ten jest splotem funkcji 

( )

t

x

 z pewną funkcją 

( )

t

f

, która jest 

odwrotną transformatą Fouriera funkcji 

( )

ω

− sgn

j

 

można wykazać, że dla 

0

ω

 

( )

( )

[

]

t

d

e

j

t

f

t

j

π

=

ω

ω

π

=

ω

1

sgn

2

1

 

 

czyli 

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

τ

τ

τ

π

=

π

=

=

=

d

t

x

t

t

x

t

f

t

x

t

x

t

f

t

x

1

1

ˆ

 

 
 
 
 
 

background image

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 17/21 

PRZEKSZTAŁCENIE  HILBERTA (cd) 

•  można również wyrazić sygnał 

( )

t

x

 poprzez sygnał 

( )

t

xˆ

 

z wyrażenia 

( )

( ) ( )

0

,

sgn

ˆ

ω

ω

ω

=

ω

dla

X

j

X

 

wynika 

( )

( ) ( )

0

,

ˆ

sgn

ω

ω

ω

=

ω

dla

X

j

X

 

zatem 

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

τ

τ

τ

π

=

π

=

=

=

d

t

x

t

t

x

t

f

t

x

t

x

t

f

t

x

ˆ

1

1

ˆ

ˆ

ˆ

 

wyrażenia 

( )

( )

τ

τ

τ

π

=

d

t

x

t

x

1

ˆ

 

( )

( )

τ

τ

τ

π

=

d

t

x

t

x

ˆ

1

 

stanowią proste i odwrotne przekształcenie Hilberta 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 18/21 

PRZEKSZTAŁCENIE  HILBERTA (cd) 

 
•  inny zapis 

( )

( )

[ ]

t

x

H

t

x

=

ˆ

     

( )

( )

[ ]

t

x

H

t

x

ˆ

1

=

 

•  sygnał analityczny 

( )

( )

( )

( )

( )

[ ]

t

x

jH

t

x

t

x

j

t

x

t

z

x

+

=

+

=

ˆ

 

•  ponieważ 

( )

( )

t

t

x

t

x

π

=

1

ˆ

 zatem sygnał 

( )

t

xˆ

 można traktować jako odpowiedź na 

sygnał 

( )

t

x

 filtru o odpowiedzi 

( )

t

t

h

π

=

1

 oraz transmitancji częstotliwościowej 

( )

( )

0

,

sgn

ω

ω

=

ω

dla

j

j

H

 

 
 
 

 

 
 

X(ω)=X(ω) Hjω) 

^

 

X(ω) 

x(t)=x(t)∗h(t

^

 

x(t

filtr 

kwadraturowy 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 19/21 

PRZEKSZTAŁCENIE  HILBERTA (cd) 

 

 

filtr kwadraturowy realizuje przesunięcie fazy wszystkich składowych o kąt 

°

− 90

 

w zakresie pulsacji dodatnich i 

°

90

 w zakresie pulsacji ujemnych, bez zmiany ich 

amplitud (filtr ten nazywany jest również filtrem Hilberta) 

Właściwości przekształcenia Hilberta 

- liniowość 

( )

( )

[

]

( )

[

]

( )

[

]

t

x

H

a

t

x

H

a

t

x

a

t

x

a

H

2

2

1

1

2

2

1

1

+

=

+

 

- transformata Hilberta funkcji parzystej (nieparzystej) jest funkcją nieparzystą (parzystą) 

-π/2 

arg Hjω) 

ω 

|Hjω)| 

π/2 

ω 

Hjω)=-jsgn(ω) 

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 20/21 

PRZEKSZTAŁCENIE  HILBERTA (cd) 

 

- transformata transformaty 

( )

[ ]

{

}

( )

t

x

t

x

H

H

=

 

- ortogonalność 

( )

( )

[ ]

(

)

0

,

=

t

x

H

t

x

 

- identyczność funkcji autokorelacji 

( ) (

)

(

)

( )

[ ]

(

)

[

]

(

)

τ

=

τ

t

x

H

t

x

H

t

x

t

x

,

,

 

- równość iloczynów skalarnych 

( ) ( )

(

)

( )

[

]

( )

[

]

(

)

t

x

H

t

x

H

t

x

t

x

2

1

2

1

,

,

=

 

- równość energii (lub mocy średniej) 

( ) ( )

(

)

( )

[ ]

( )

[ ]

(

)

t

x

H

t

x

H

t

x

t

x

,

,

=

 

- twierdzenie o splocie 

( )

( )

( )

[

]

( )

( )

( )

[

]

t

x

H

t

x

t

x

t

x

H

t

x

t

x

2

1

2

1

2

1

=

 

( )

( )

( )

[

]

( )

[

]

t

x

H

t

x

H

t

x

t

x

2

1

2

1

=

 

background image

 

6. Przekształcenie Hilberta, sygnał analityczny.doc, 21/21 

BIBLIOGRAFIA 

 

1.  Szabatin J.: Podstawy teorii sygnałów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 

Warszawa, 1982. 

2.  Szabatin J.: Przetwarzanie sygnałów. Materiały dydaktyczne Politechniki Warszawskiej, 

2003, 

www.ise.pw.pl/~szabatin

3.  Baskakow S.I.: Sygnały i układy radiotechniczne. Wydawnictwo Naukowe PWN, 

Warszawa, 1991. 

4.  Gonorowskij I.S.: Radiotechniczeskije cepi i signały. Sowietskoje Radio, Mockva, 1977. 

5.  Pasko M., Walczak J.: Teoria sygnałów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 

Gliwice, 1999.