background image

Cegły i pustaki

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Przedstawiony  algorytm  dyskretnego  przekształcenia  Fouriera 
umożliwia  wydzielanie  składowych  częstotliwościowych  czyli 
materiału  budulcowego  przebiegów.  Jednak  przebiegi  dyskretne 
zawierają „puste  przestrzenie” pomiędzy  kolejnymi  próbkami. 
Prześledzimy  w  jaki  sposób  wykonywana  jest  analiza  takich 
sygnałów.

background image

Poprawny sygnał

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Na  początku  próbkowaniu  poddamy  sygnał zawierający  dwie  składowe 
f

1

=

0,01 Hz i f

2

=

0,02 Hz. Postać widma amplitudowego takiego sygnału nie 

jest niczym nowym:

częstotliwość

f

1

=0,01

f

2

=0,01

Sygnał spróbkowany i jego widmo również nie jest podejrzany:

Widmo jest automatycznie ograniczane do zakresu 

0

÷f

p

/2

background image

Sabotaż

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Sygnał analogowy  jest  sygnałem  okresowym.  Częstotliwość podstawowa 
wynosi  w  tym  przypadku  0,01 Hz  a  częstotliwość drugiej  składowej  to  jej 
pierwsza wielokrotność, lub jak się czasem mawia pierwsza harmoniczna.  
Dokonamy  sabotażu  wprowadzając  do  sygnału  składową o  częstotliwości 
0,6  Hz  czyli  powyżej  połowy  częstotliwości  próbkowania.  Jest  to  60 
wielokrotność.  Skoro  występują wymierne  wielokrotności  częstotliwości 
podstawowej to sygnał nadal jest okresowy. 

Prążek 0,4 Hz to znany nam już alias będący efektem powielenia widma.

background image

Teraz w miejsce składowej 0,6 Hz wprowadzamy składową o częstotliwości 

.  Zgodnie  z  założeniem  podanym  przy  okazji  omawiania  budowy 

szeregów  trygonometrycznych  taki  sygnał

nie  jest  już okresowy.  Po  procesie 

próbkowania sygnał i jego widmo wyglądają tak:

Jeszcze większy sabotaż

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Hz

2

6

,

0 ⋅

Niekiedy  twierdzenie  o  próbkowaniu  formułowane  jest  w  sposób  „przynajmniej 
dwie próbki na okres sygnału”. Nie zawsze jednak można określić jaki jest okres. 
Z tego względu lepiej jest mówić, że 

częstotliwość próbkowania powinna być

dwa razy większa niż najwyższa częstotliwość składowej w  widmie sygnału.

background image

Dlaczego większa?

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Dlaczego  większa  a  nie  większa  bądź równa?  Jeśli  próbkujemy  sygnał
okresowy  z  szybkością równą dwukrotności  jego  częstotliwości  wszystko 
powinno być w porządku:

Próbki  zachowują strukturę częstotliwościową sygnału.  Jeśli  jednak 
pechowo trafimy tak:

Otrzymamy same zera.

background image

Różne widma

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Procedura z LabVIEW znowu chroni nas przed tym ukrywając informację o 
składowej widma przy połowie częstotliwości próbkowania:

Aby  zobaczyć tę składową i  obszary  ukrywane  przez  procedurę należy 
posłużyć się innym  narzędziem,  również dostępnym  w  LabVIEW  ale 
trudniejszym  w  obsłudze.  Na  palecie 

„Signal Processing/Transforms”

znajduje się ikona oznaczona 

„FFT”:

background image

DFT i sinusoida

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zastosujmy  DFT  do  analizy  sygnału  o  poznanej  strukturze  widmowej  aby 
zobaczyć co właściwie robi nowo wprowadzona procedura

.

Otrzymujemy  widmo  zawierające  prążki  ale  są one  bardzo  małe. 
Dodatkowo skala widma jest zupełnie nieprzystająca do założeń. Struktura 
połączeń

na  schemacie  pokazuje,  że  DFT  nie  produkuje  skali 

częstotliwościowej automatycznie.

sygnał wejściowy (x)

shift?

FFT size

FFT(x)

error

background image

DFT to „ona”

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zastosowanie próbnika na 
przewodzie, 

którym 

przesyłana 

jest 

DFT 

pozwala 

zobaczyć, 

ż

składa  się ona  z  wartości 
zespolonych.

Mówimy  „ta” DFT  ponieważ jak  się wkrótce  przekonamy  jest  to  wynik  działania 
poznanego  przez  nas  ostatnio  dyskretnego  przekształcenia  Fouriera.  Operacja 
matematyczna nazywa się przekształceniem lub 

transformacją natomiast jej wynik 

to 

transformata

Widoczne jest, że transformata jest  zespolona  natomiast  LabVIEW  ma tą brzydką
cechę,  że  gdy  próbuje  się

narysować

wartości  zespolone  na  wykresie 

uwzględniana  jest  jedynie  ich  część rzeczywista.  Rysunek  z  poprzedniego  slajdu 
jest zatem nieprawidłowy.
Na  slajdach  używane  jest  określenie  DFT  podczas  gdy  w  LabVIEW  nazwa  FFT. 
FFT to rozwinięcie od Fast Fourier Transformation, która stosuje bardziej wydajne 
algorytmy.

background image

Poprawny wykres DFT

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Na  wykresach  przedstawiona  została  część rzeczywista  i  urojona 
analizowanego sygnału.

Część

rzeczywista 

tej 

transformaty 

jest 

pomijalnie mała. 

Zasadnicza 

informacja 

zawarta  jest  w  części 
urojonej.

background image

Odwracalność

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Operacja  DFT  jest  odwracalna.  Z  zespolonych  prążków  można  otrzymać sygnał
czasowy.  Wykorzystamy  to  aby  sprawdzić,  że  istotnie  część rzeczywista  ma  w 
omawianym przypadku znikome znaczenie.

Na  przedstawionym  schemacie  dokonujemy  całkowitego  wyzerowania  części 
rzeczywistą

a  następnie  dokonujemy  rekonstrukcji  sygnału  za  pomocą

przekształcenia odwrotnego. Oto rezultat:

Sygnał wejściowy

Sygnał odtworzony

Sygnał wejściowy

background image

Prążki DFT i krążenia

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

sygnał to sinus

Porównajmy postać wykresu prążkowego z wynikami graficznego 
wyznaczania DFT z poprzedniego wykładu:

Widmo to dwa prążki jeden ma 
ujemną wartość urojoną drugi 
dodatnią ale również urojoną. 

f

p

/4 

f

p

3/4f

p

0

-2Ai

2Ai

Poprzednio dla sinusa również
wyszedł taki obraz. Ustaliliśmy, 
ż

e do analizy 4 punktów 

sygnału potrzebne były 4 
wektory analizujące.  

background image

Rozdzielczość częstotliwościowa

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Sprawdzenie  za  pomocą próbnika  pozwala  przekonać się,  że 
procedura  DFT  wytwarza  taką samą ilość próbek  jaką miał
analizowany sygnał.

Przekonaliśmy się również że widmo sygnału cyfrowego posiada 
okres    równy  f

p

zatem  jeżeli  transformata  opisuje  widmo  sygnału 

przy  użyciu  próbek  rozdzielczość częstotliwościowa  (odstęp 
między prążkami) wynosi

N

f

f

p

=

background image

Oś częstotliwości

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Przedstawiony  wzór  został wzięty  w  ramkę ponieważ jego 
znaczenie jest ważne dla poprawnego wyskalowania osi odciętych 
uzyskanej transformaty DFT.

Teraz  można  z  czystym  sumieniem  podpisać oś odciętych 
ponieważ pozwala ona odczytać prawdziwą częstotliwość sygnału. 
Tak naprawdę na osi tej przedstawione są częstotliwości wektorów 
analizujących.

background image

Wektory analizujące…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

W  przykładzie  graficznym  wykorzystaliśmy  zbiór  wektorów 
analizujących w postaci zespolonej rozmieszczonych równomiernie 
w  zakresie  od  zera  do  częstotliwości  próbkowania.  Używaliśmy  4 
wektorów  a  odległość między  wektorami  wynosiła  fp/4.  Była  to 
czteropunktowa  dyskretna  transformacja  Fouriera.  W  ogólnym 
przypadku używanych jest N wektorów. 

transformacja 
4 punktowa

transformacja 
8 punktowa

częstotliwości wektorów 
określone są zależnością:

N

f

n

f

s

n

=

background image

…i wzór na DFT

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

W  rozważaniach  rysunkowych  kolejne  prążki  widma  uzyskiwane 
były  poprzez  sumowania  iloczynów  próbek  sygnału  z  kolejnymi 
położeniami sprzężonych wektorów analizujących.

pojedynczy wektor 
analizujący

(

)

N

t

n

f

j

t

s

s

/

2

exp

)

(

π

(

)

N

n

f

j

s

s

/

0

2

exp

)

0

(

π

[

]

(

)

N

t

n

f

j

t

s

s

/

2

2

exp

2

π

biorąc pod uwagę, że:

s

f

t

1

=

transformata  stanowi  n 
próbek 

dziedzinie 

częstotliwości 

wartościach:

[ ]

=

=

N

k

n

N

kn

k

s

S

0

2

exp

π

background image

Przekształcenie odwrotne

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Skoro każdy prążek częstotliwościowy reprezentuje jedno krążenie 
w  przestrzeni  zespolonej  możliwe  jest  poustawianie  odpowiednich 
wartości  prążków  tak  aby  po  transformacji  odwrotnej  otrzymać
żą

dany sygnał.  Ustawiamy  jednostkową wartość prążka  składowej 

rzeczywistej transformaty:

Otrzymujemy przebieg czasowy o charakterze zespolonym. Zgadza 
się to z zależnością Eulera.

( )

( )

( )

x

x

i

ix

cos

sin

exp

+

=

background image

Synteza sygnału rzeczywistego

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Aby  stworzyć sygnał rzeczywisty  należy  dodatkowo  ustawić
symetrycznie prążek o częstotliwości ujemnej.

W  wyniku  tej  operacji  otrzymujemy  sygnał rzeczywisty  będący 
funkcją kosinus.  W  100  punktowej  transformacie  ustawiony  został
prążek  numer  3  odpowiadający  częstotliwości  0,02  Hz  ponieważ
pierwszy  prążek  to  częstotliwość

zero.  Drugi  odpowiada 

częstotliwości  0,98  Hz.  Jako  że  obowiązuje  schemat  powieleń
widma odpowiada to 0,02 Hz po ujemnej stronie częstotliwości.

background image

Od DFT do widma

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transformata  ma  postać zespoloną.  Często  wygodnie  posługiwać
się wartością jej  modułu  i  fazy  zamiast  części  rzeczywistej  i 
urojonej.

Otrzymany  wynik  jest  zależny  od 
liczby  próbek  N.  Z  tego  względu 
stosuje  się skalowanie  przez  2/N
aby  z  widma  odczytywać od  razu 
amplitudy 

składowych 

sinusoidalnych.

100 punktowa DFT

200 punktowa DFT

background image

Podsumowanie

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Przedstawione  zostało  powiązanie  pomiędzy  rozważaniami 
teoretycznymi  dotyczącymi  strukturą

widma  a  rezultatami 

otrzymywanymi za pomocą oprogramowania do analizy cyfrowej. 
Algorytm  DFT  może  być z  powodzeniem  użyty  do  dekompozycji 
częstotliwościowej sygnałów dyskretnych. 
Istnieje  procedura  odwrotna  umożliwiająca  syntezę sygnału  w 
oparciu o jego transformatę.

background image

Kolejne zagadnienie

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Warsztatem  pracy,  w  którym  wykonywane  były  wszystkie 
dotychczasowe  operacje  związane  z  przetwarzaniem  sygnałów 
było  LabVIEW.  Pomimo  niewątpliwych  zalet  takich  jak  relatywnie 
duża  intuicyjność,  czy  łatwość tworzenia  interfejsu  użytkownika 
pakiet  ten  posiada  niewątpliwą wadę.  Jest  drogi.  Z  tego  powodu 
następny

wykład 

przybliży 

możliwości 

wykorzystania 

oprogramowania dostępnego legalnie i za darmo w sieci.