background image

1

ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA 

SYGNAŁÓW DYSKRETNYCH

Spis treści

1.

Zależności pomiędzy analizą częstotliwościową sygnałów 
analogowych i dyskretnych

2.

Definicja i własności dyskretnej transformacji Fouriera

3.

Analiza częstotliwościowa dyskretnych obrazów

background image

2

Dyskretna transformacja Fouriera

ang. Discrete Fourier Transform DFT

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0.5

1

1.5

2

sygna

ł

czas

1

2

3

4

5

6

7

8

0

2

4

6

8

widmo amplitudowe

częstotliwość

1

2

3

4

5

6

7

8

-1

-0.5

0

0.5

1

widmo fazowe

częstotliwość

background image

3

Trochę historii

Baron Jean Baptiste Joseph 
FOURIER (1768-1830)

Z wyróżnieniem ukończył szkolę wojskową w Auxerre.

Został nauczycielem Ecole Normal a potem Politechniki 
w Paryżu.

Napoleon mianował go zarządcą Dolnego Egiptu w 1798 
roku.

Po powrocie do Francji został prefektem w Grenoble. 
Baronem został w 1809 roku. Ostatecznie w 1816 roku 
został sekretarzem Akademii Nauk a następnie jej 
członkiem w 1817.

W okresie od 1808 roku do 1825 roku napisał 21 tomowy 
Opis Egiptu.

Równaniem ciepła zainteresował się w 1807 roku. W opublikowanej w 1822 roku 
pracy pokazał jak szereg zbudowany z sinusów i kosinusów można wykorzystać do 
analizy przewodnictwa ciepła w ciałach stałych. Nad szeregami trygonometrycznymi 
pracował do końca życia, rozszerzając tę problematykę na transformację całkową. 

background image

4

Geneza transformacji sygnału 

jednowymiarowego

T

t

f

j

a

a

dt

e

t

s

f

s

0

2

)

(

)

(

ˆ

)

(

)

(

t

n

s

n

s

a

Wprowadźmy dyskretyzację

n

N

0 1

1

, ,...,

1

0

2

)

(

)

(

ˆ

N

n

t

n

f

j

a

e

n

s

t

f

s

t T N

/ (

)

1

0

1

2

3

4

5

6

7

)

(n

s

Widmo sygnału analogowego

gdzie:

Wartość całki oznaczonej aproksymujemy „metodą prostokątów”

gdzie jest czasem trwania sygnału.

- ilość próbek

gęstość dyskretyzacji

background image

5

Dyskretyzacja w dziedzinie częstotliwości

f

k f

k

 

2

/

)

1

(

,

2

/

)

3

(

,

...

,

2

/

)

3

(

,

2

/

)

1

(

N

N

N

N

k

2

/

2

1

2

/

)

1

(

p

m

N

f

f

N

t

N

f

f

N

f

N

(

)/

1 2

1

2

f

N t

T

t

1

1

a z nich wynika

-1

0

1

0

)

(

ˆ f

s

kHz

Dyskretne widmo będziemy wyznaczać w punktach

Aby były rozłożone równomiernie i obejmowały 
zarówno dodatnie jak i ujemne wartości

Położenie skrajnych punktów musi: uwzględniać założenia tw. Shanona
i wynikać z powyższych założeń. Otrzymamy zatem dwa warunki:

background image

6

Prototyp DFT

 ( )

( )

s

k

t

s

n w

kn

n

N

0

1

Wprowadzając oznaczenie

)

/

2

sin(

)

/

2

cos(

2

N

j

N

e

w

N

j

1

0

2

)

(

)

(

ˆ

)

(

ˆ

N

n

kn

N

j

k

a

e

n

s

t

k

s

f

s

otrzymujemy wartości widma dyskretnego

1

0

2

)

(

)

(

ˆ

N

n

t

n

f

j

a

e

n

s

t

f

s

t

N

k

f

k

f

k

Przybliżone wartości widma analogowego

obliczamy dla wybranych częstotliwości

otrzymując

background image

7

Odwrotna dyskretna transformacja Fouriera

m

m

f

f

t

f

j

a

a

df

e

f

s

t

s

2

)

(

ˆ

)

(

s n

f

s k w

kn

k

( )

 ( )

Z widma ciągłego odtwarzamy sygnał analogowy

ang.  Inverse Discrete Fourier Transform IDFT

N

j

e

w

2

Aproksymując wartość całki „metodą prostokątów” spodziewamy się otrzymać 
dyskretne wartości sygnału

gdzie

background image

8

Wzajemna jednoznaczność transformacji

DFT            oraz            IDFT

s n

N t

s k w

N t

w

t

s m w

kn

kn

km

m

N

k

k

( )

 ( )

( )



 

1

1

0

1

1

0

)

(

)

(

)

(

1

N

m

k

n

m

k

n

s

w

m

s

N

w

m n

N

m n

k m n

k

(

)


0

dla
dla

n

m

k

w

Re

n

m

k

w

Im

4

8

j

e

w

2

2

8

j

e

w

3

8

w

4

8

w

5

8

w

N

j

N

e

w

2

6

8

w

7

8

w

1

0

8

8

8

 w

w

 ( )

( )

s

k

t

s

n w

kn

n

N

0

1

s n

f

s k w

kn

k

( )

 ( )

background image

9

Przykład

Jakie jest widmo dyskretne sygnału

jeśli gęstość próbkowania wynosi

s

T

[

]

1 0

1 0 1 0

?

]

[

10

3

s

t

Sygnał posiada N=6 próbek. Spodziewamy się, że reprezentuje drgania 
kosinusoidalne o okresie

czyli o częstotliwości

 

4

4 10

3

t

s

[ ]

.

]

[

250 Hz

f

background image

10

Zakończenie przykładu

Numery próbek

Dyskretne widmo ma numerację

Gęstość dyskretyzacji w dziedzinie częstotliwości

Zatem widmo dyskretne jest obliczane dla częstotliwości [Hz] 

5

,

4

,

3

,

2

,

1

,

0

n

5

,

2

;

5

,

1

;

5

,

0

;

5

,

0

;

5

,

1

;

5

,

2

k

]

[

3

/

500

10

6

1

1

3

Hz

t

N

f

3

/

1250

,

250

,

3

/

250

,

3

/

250

,

250

,

3

/

1250

T

s

0

10

3

0

0

10

3

0

ˆ

3

3

1

0

)

(

)

(

ˆ

N

n

kn

w

n

s

t

k

s

j

j

e

w

j

2

3

2

1

)

3

/

sin(

)

3

/

cos(

3

W oparciu o wzór

gdzie

otrzymujemy

background image

11

Macierzowy zapis rozwiązania przykładu

Macierz współczynników

wyznacza obroty wektora

 

kn

0

2 5

5

7 5

10

12 5

0

1 5

3

4 5

6

7 5

0

0 5

1

1 5

2

2 5

0

0 5

1

1 5

2

2 5

0

1 5

3

4 5

6

7 5

0

2 5

5

7 5

10

12 5

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

j

e

w

j

2

3

2

1

3

6

Numer wiersza

Numer kolumny

5

,

4

,

3

,

2

,

1

,

0

n

5

,

2

;

5

,

1

;

5

,

0

;

5

,

0

;

5

,

1

;

5

,

2

k

s

W

t

s

ˆ

 

N

N

kn

C

w

W

gdzie

background image

12

Koniec przykładu w zapisie macierzowym

 

2

2

3

2

3

2

1

2

3

2

1

2

2

3

1

1

1

1

2

2

3

2

3

2

1

2

3

2

1

2

2

3

1

2

2

3

2

3

2

1

2

3

2

1

2

2

3

1

1

1

1

2

2

3

2

3

2

1

2

3

2

1

2

2

3

1

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

w

W

kn

T

s

W

t

s

0

10

3

0

0

10

3

0

ˆ

3

3

Dla rozważanego przykładu macierz przekształcenia ma postać

i otrzymujemy

T

f

3

/

1250

,

250

,

3

/

250

,

3

/

250

,

250

,

3

/

1250

dla częstotliwości

background image

13

Okresowość widma DFT

 (

)

 ( )

s k N

s k

bo

)

/

2

sin(

)

/

2

cos(

2

N

j

N

e

w

N

j

 ( )

( )

s

k

t

s

n w

kn

n

N

0

1

1

0

2

/

2

sin

2

/

2

cos

)

(

)

(

ˆ

N

n

n

N

nk

j

n

N

nk

n

s

t

k

s

1

0

/

2

sin

/

2

cos

)

(

)

(

ˆ

N

n

N

nk

j

N

nk

n

s

t

k

s

Otrzymaliśmy wzór

gdzie

czyli

Funkcje trygonometryczne powodują, że widmo jest funkcją o okresie N, tzn.

background image

14

Racjonalizacja DFT

k

N

0 1 2

1

, , ,...,

  

N

T

k

f

N

f

f

f

)

1

(

...,

,

2

,

,

0

t

k

s

k

s

)

(

ˆ

)

(

ˆ

Przyjmujemy

f

k

f

k

Skoro

to

Wprowadzamy nową funkcję dyskretną

 ( )

( )

s

k

t

s

n w

kn

n

N

0

1

Przy tych dwóch założeniach wzór 

przyjmie ostateczną postać dyskretnej transformacji Fouriera.

background image

15

Definicja DFT oraz IDFT

1

0

)

(

)

(

ˆ

N

n

kn

w

n

s

k

s

s n

N

s k w

kn

k

N

( )

( )

1

0

1

s W s

 

N

N

kn

C

W

N

w

N

W

*

1

1

1

)

/

2

sin(

)

/

2

cos(

2

N

j

N

e

w

N

j

gdzie

1

,

,

2

,

1

,

0

,

N

n

k

Dyskretna transformacja Fouriera zdefiniowana jest wzorem

a odwrotna dyskretna transformacja Fouriera wzorem

Przekształcenie DFT można zapisać macierzowo

Elementy macierzy powstają przez podniesienie do potęgi kn wartości zespolonej

przy czym jest numerem wiersza a numerem kolumny. Numeracja rozpoczyna się 
od zera bo

Macierz przekształcenia w odwrotnej dyskretnej transformacji Fouriera

 

N

N

kn

C

w

W

s

W

s

ˆ

1

ma postać

background image

16

Własności DFT

1. Zależność pomiędzy widmem dyskretnym a widmem sygnału 
analogowego

)

(

ˆ

)

(

ˆ

f

k

s

t

k

s

a

2.  Ilość dyskretnych wartości widma jest równa ilości próbek
czasowych sygnału.

3. Gęstość dyskretyzacji widma

f

N t

T

t

1

1

t T

N

/ (

)

1

gdzie  

2

/

N

k

dla

background image

17

Własności DFT

4. Szerokość widma:

Dla nieparzystej ilości próbek

f

f

N

t N

f

N

N

N

T N

N

p

max

(

)

1

2

1

2

1

2

1

2

2

Dla otrzymujemy

N

 

f

f

p

max

/

2

Dla parzystej ilości próbek

f

f

t

f

N

T

N

p

max

2

1

2

2

1

2

background image

18

Własności DFT

5. Macierz jest nieosobliwa i symetryczna, jej elementy są na ogół
zespolone a ich moduły są zawsze równe 1. Macierz odwrotna do niej

W

W

N

1

/

6. Liniowość DFT, tzn.

)

(

ˆ

)

(

ˆ

)

(

)

(

2

1

2

1

k

s

b

k

s

a

n

s

b

n

s

a

7. Przesunięcie w dziedzinie czasu

s n n

s k w

kn

(

)

( )

0

0

9. Zachowanie energii czyli dyskretna postać twierdzenia Parsevala

1

0

1

0

2

2

)

(

ˆ

1

)

(

N

n

N

k

k

s

N

n

s

s n s n

N

s m s k m

m

N

1

2

1

2

0

1

1

( ) ( )

 ( )  (

)

8. Modulacja

bo

1

0

1

0

0

0

0

)

(

)

(

N

n

n

N

n

m

km

kn

kn

w

m

s

w

w

n

n

s

bo

2

1

2

1

bWs

aWs

bs

as

W

background image

19

Graficzna prezentacja przykładu DFT

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0.5

1

1.5

2

sygna

ł

czas

1

2

3

4

5

6

7

8

0

2

4

6

8

widmo amplitudowe

częstotliwość

1

2

3

4

5

6

7

8

-1

-0.5

0

0.5

1

widmo fazowe

częstotliwość

background image

20

Prezentacja przykładu

Gęstość próbkowania wynosi 

. Jakie jest widmo

dyskretne sygnału

t

s

 0 001

,

[ ]

?

1

0

1

2

1

0

1

2

T

s

2

2

1

j

2

2

1

j

2

2

1

j

2

2

1

j

 

k

w

Re

 

k

w

Im

Np. dla N=8

2

2

1

)

4

/

sin(

)

4

/

cos(

8

2

8

j

j

e

w

j

Obliczamy

Podnosząc tę liczbę do potęgi całkowitej otrzymamy tylko jedną  z ośmiu 
możliwości przedstawionych na poniższym rysunku.

background image

21

Macierzowy zapis przykładu

Udowodnimy, że sygnał zawiera składową stałą i drgania o okresie 4 [ms], 
czyli o częstotliwości

]

[

250 Hz

f

)

7

(

)

6

(

)

5

(

)

4

(

)

3

(

)

2

(

)

1

(

)

0

(

)

7

(

ˆ

)

6

(

ˆ

)

5

(

ˆ

)

4

(

ˆ

)

3

(

ˆ

)

2

(

ˆ

)

1

(

ˆ

)

0

(

ˆ

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

2

2

1

j

2

2

1

j

2

2

1

j

2

2

1

j

Gęstość próbkowania wynosi 

. Jakie jest widmo

dyskretne sygnału

]

[

001

,

0

s

t

?

1

0

1

2

1

0

1

2

T

s

background image

22

Rozwiązanie przykładu

T

s

0

4

0

0

4

0

8

ˆ

0

Próbkowanie częstotliwości

Sygnał ma składową stałą i drgania o częstotliwości

Szerokość widma wynosi

czyli jest równa 

częstotliwości Nyquista

.

]

[

125

1

Hz

t

N

f

2

250

f

Hz

[

]

f

f

Hz

max

[

]

4

500

Wyliczamy

background image

23

Jeszcze raz ten sam przykład

Jakie jest widmo dyskretne sygnału

jeśli gęstość próbkowania wynosi

s

T

[

]

1 0

1 0 1 0

?

]

[

10

3

s

t

Sygnał posiada N=6 próbek. Reprezentuje drgania kosinusoidalne o okresie

czyli o częstotliwości

 

4

4 10

3

t

s

[ ]

.

]

[

250

4

1

Hz

t

f

Gęstość dyskretyzacji w dziedzinie częstotliwości wynosi

]

[

3

/

500

10

6

1

1

3

Hz

t

N

f

czyli widmo będzie wyliczane dla częstotliwości

3

/

1000

3

1

,

3

/

500

6

1

,

0

t

t

Zatem, nie trafiamy w częstotliwość 250 [Hz]. 

background image

24

Co zatem wyliczymy?

j

e

w

j

2

3

2

1

3

6

s

W

s

ˆ

gdzie

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

1

1

1

1

1

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

2

/

3

5

,

0

2

/

3

5

,

0

1

1

1

1

1

1

1

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

W

T

j

j

j

j

s

3

1

3

1

1

3

1

3

1

1

ˆ

A przecież składowej stałej i częstotliwości 167 [Hz] oraz 333 [Hz] 
nie ma w sygnale! Jest tylko 250 [Hz].

T

s

2

2

1

2

2

1

ˆ

background image

25

Dwuwymiarowa transformacja Fouriera jako 

geneza dyskretnej transformacji obrazów

 

dy

dx

e

y

x

s

f

f

s

y

f

x

f

j

y

x

y

x

)

(

2

)

,

(

)

,

(

ˆ

Widmo częstotliwościowe obrazu analogowego zdefiniowane jest wzorem

Widmo rzeczywiste w trzeciej ćwiartce jest kopią widma z pierwszej i podobnie z czwartej jest kopią z drugiej.
Widmo urojone w trzeciej ćwiartce ma przeciwny znak niż widmo z pierwszej i podobnie z czwartej, przeciwny znak 
niż w drugiej. 

Odtwarzanie obrazu analogowego z jego widma częstotliwościowego dokonywane 
jest przy pomocy wzoru

Wzory te wykorzystamy do wyprowadzenia dyskretnej transformacji 
sygnałów dwuwymiarowych, czyli  2-D DFT. 

s x y

s f

f e

df df

x

y

j f x f y

x

y

x

y

( , )

( , )

(

)





2

 

 

dy

dx

y

f

x

f

y

x

s

j

dy

dx

y

f

x

f

y

x

s

f

f

s

y

x

y

x

y

x

)

(

2

sin

)

,

(

)

(

2

cos

)

,

(

)

,

(

ˆ

background image

26

Geneza dyskretnej transformacji obrazów

s x y

s f

f e

df df

x

y

j f x f y

x

y

x

y

( , )

( , )

(

)





2

x

N

j

x

e

w

2

y

N

j

y

e

w

2



x

y

y

y

x

x

k

k

n

k

y

n

k

x

y

x

y

x

y

x

w

w

k

k

s

f

f

n

n

s

)

,

(

ˆ

)

,

(



x

y

y

y

x

x

n

n

n

k
y

n

k

x

y

x

y

x

w

w

n

n

s

y

x

k

k

s

)

,

(

)

,

(

ˆ

Obliczając przybliżone wartości całek oznaczonych

( , )

( , )

(

)

s f

f

s x y e

dx dy

x

y

j f x f y

x

y





2

otrzymujemy

gdzie

background image

27

Dyskretna transformacja sygnału 

dwuwymiarowego

 

1

0

1

0

,

,

ˆ

x

x

y

y

y

y

x

x

N

n

N

n

k

n
y

k

n

x

y

x

y

x

w

w

n

n

s

k

k

s

 

1

0

1

0

,

ˆ

1

,

x

x

y

y

y

y

x

x

N

k

N

k

k

n

y

k

n

x

y

x

y

x

y

x

w

w

k

k

s

N

N

n

n

s

y

x

f

k

f

k

s

y

x

k

k

s

k

k

s

y

y

x

x

y

x

y

x

)

,

(

ˆ

)

,

(

ˆ

)

,

(

ˆ

1

,...,

2

,

1

,

0

x

x

N

k

Przyjmujemy

oraz

i wprowadzamy nową funkcję dyskretną

Przy tych dwóch założeniach otrzymujemy wzory:

1

,...,

2

,

1

,

0

y

y

N

k

- dyskretnej transformacji Fouriera obrazów

- odwrotnej dyskretnej transformacji Fouriera obrazów

background image

28

Macierzowy zapis 2-D DFT

y

x

W

s

W

s

ˆ

gdzie

y

x

N

N

y

x

C

k

k

s

s

)

,

(

ˆ

ˆ

x

W

y

W

są macierzami symetrycznymi

 

x

x

x

x

N

N

k

n

x

x

C

w

W

1

,...,

0

,

x

x

x

N

n

k

x

numer kolumny macierzy

numer wiersza macierzy

x

n

 

y

y

y

y

N

N

k

n
y

y

C

w

W

1

,...,

0

,

y

y

y

N

n

k

numer kolumny

y

k

numer wiersza

y

n

sˆ

s

x

W

y

W

y

x

N

N

y

x

n

n

s

s

)

,

(

oraz

background image

29

Przykład 2-D DFT

Widmo amplitudowe z pierwszej ćwiartki jest identyczne jak widmo
z trzeciej i podobnie, w czwartej identyczne jak w drugiej.