background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Warunki zbieżności Dirichleta

Zachowanie szeregu Fouriera
 w punktach nieciągłości

Peter G. L. Dirichlet

Zbieżność średniokwadratowa

Twierdzenie Parsevala

Moc ułamkowa

Efekt Gibbsa

Okna Fejera, Lanczosa...

Podsumowanie

 

Zbieżność szeregu 
Fouriera

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Szereg Fouriera 
sygnału x
(t)

  

 

 

,

2

,

1

,

0

1

o

o

o



n

dt

e

t

x

T

X

e

X

t

x

T

t

x

t

x

T

t

jn

n

n

t

jn

n

m

n

T

m

n

dt

e

e

e

e

n

e

T

t

m

j

t

jn

t

jm

t

jn

t

jn

,

,

0

,

2

,

1

,

0

,

o

o

o

o

o

o

background image

 

 

Jeżeli sygnał x(t) w przedziale [0, T]:

klasa sygnałów A
A1)

 posiada skończoną liczbę punktów nieciągłości I 

rodzaju,

A2)

 posiada skończoną liczbę ekstremów,

A3)

 jest ograniczony

klasa sygnałów B
B1)

 posiada skończoną liczbę punktów nieciągłości II 

rodzaju,

B2)

 poza punktami nieciągłości 

B1)

 spełnia warunki 

A1A3

,

B3) 

jest bezwzględnie całkowalny 

to wykładniczy szereg Fouriera jest 

zbieżny 

(jednostajnie)

 do sygnału x(t) we wszystkich 

punktach jego 

ciągłości.

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Warunek zbieżności
Dirichleta (I)

 

T

dt

t

x

Warunki Dirichleta są warunkami wystarczającymi.

 

t

x

background image

 

 

Warunek Dirichleta (I)

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

czas

x(t)

0

T

sygnał klasy A

I

I

background image

 

 

Warunek Dirichleta (I)

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

czas

x(t)

0

T

sygnał klasy B

I

II

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Warunek Dirichleta (I)

   





t

x

t

x

t

x

t

x

2

1

lim

lim

2

1

o

o

W punktach nieciągłości 

I rodzaju

 szereg Fouriera

przyjmuje wartość:

sugerujący, że w punktach nieciągłości sygnału
x(t) jego wartość  powinna być równa 

średniej

arytmetycznej granicy lewo- i prawostronnej

.

Umowa ta gwarantuje zbieżność szeregu Fouriera do
sygnału we 

wszystkich

 chwilach czasu (ale jednostajną

wyłącznie w punktach ciągłości).

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Zachowanie szeregu 
Fouriera w punkcie 
nieciągłości

czas

x(t)

0

T

t

x(t-)

x(t+)

 

   

t

x

t

x

t

x

2

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Punkt nieciągłości

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

2

4

6

8

10

12

Zachowanie się szeregu Fouriera w pkt. nieciągłości

czas

(10 harmonicznych)

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Punkt nieciągłości

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

2

4

6

8

10

12

Zachowanie się szeregu Fouriera w pkt. nieciągłości

czas

(20 harmonicznych)

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Warunek zbieżności
Dirichleta - II

 

T

dt

t

x

   

1

0

1

1

2

1

o

0

n

i

i

i

n

i

i

t

x

t

x

T

t

t

t

t

t

t

E

OGRANICZON

 

WAHANIE

warunek II

Jeżeli sygnał x(t) w przedziale [0, T]:

klasa sygnałów A
A1)

 ma wahanie ograniczone

klasa sygnałów B
B1)

 posiada skończoną liczbę punktów nieciągłości II 

rodzaju,

B2)

 poza punktami nieciągłości 

B1)

 spełnia warunek 

A1

,

B3) 

jest bezwzględnie całkowalny 

to wykładniczy szereg Fouriera jest zbieżny 
(jednostajnie) do sygnału x
(t) we wszystkich 
punktach jego ciągłości.

warunek I

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Warunek zbieżności Dirichleta - 
II

 

 

2

0

,

2

sin

2

ln

t

t

t

x

Sygnał bezwzględnie całkowalny wg. G. M. Fichtenholz
„Rachunek różniczkowy i całkowy”, tom II, str. 507

 

2

o

dt

t

x

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Warunek zbieżności Dirichleta - 
II

 

 

2

0

,

cos

2

sin

2

ln

1

t

n

nt

t

t

x

n

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

 

Matematyk niemiecki, I poł. XIX wieku

 Najważniejsze osiągnięcia:

 teoria liczb 

- funkcje dzeta

 teoria mnogości 

- zasada szufladkowa

 teoria szeregów 

- zasada zbieżności

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Funkcje dzeta Riemanna:

(przypadek funkcji Dirichleta)

 

 

1

Re

,

1

1

s

n

s

n

s

Tożsamość Eulera:

 

 

pierwszych

 

liczb

zbiór 

,

1

Re

,

1

1

1

p

s

p

s

p

s

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Hipoteza Riemanna:

(nieudowodniona do dzisiaj)

 

 

1

Re

0

,

0

1

1

s

n

s

n

s

jb

s

2

1

Wszystkie miejsca zerowe (a jest ich nieskończenie wiele)
funkcji dzeta Riemanna mają postać:

Dowód hipotezy Riemanna zmieniłby
oblicze teorii liczb; obliczenia numeryczne
wskazują, że przeszło 1,5 x 10

9

 liczb spełnia

hipotezę Riemanna.

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Twierdzenie o liczbach pierwszych:

(korzysta z funkcji dzeta Dirichleta)

 

 

 

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

dla

 

ln

1

ln

lim

2

,

 

 

pierwszych

 

liczb

 

liczba

 

Błąd oszacowania:

x = 10

10

4,5%
x
 = 10

14

3,0%
x
 = 10

18

2,5%

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Zasada pudełkowa Dirichleta:

Jeżeli N przedmiotów umieścimy w K < N pudełkach,
to w którymś z pudełek znajdą się co najmniej 2 przedmioty.

N = 4

K = 3

Zastosowanie:
W Krakowie mieszkają 2 osoby mające tę samą liczbę
włosów na głowie (

N  800.000

)

Największa liczba włosów na głowie - K = 500 000

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Zbieżność 
średniokwadratowa

aproksymacja
szeregiem Fouriera

 

 





k

k

n

t

jn

n

n

t

jn

n

e

X

t

x

e

X

t

x

o

o

a

szereg Fouriera

Średniokwadratowy błąd aproksymacji

 

 

0

1

o

2

a

2

T

dt

t

x

t

x

T

e

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Zbieżność 
średniokwadratowa

Szereg Fouriera stanowi 

aproksymację średniokwadratową

sygnału. Warunkiem jej istnienia jest 

skończona wartość całki

:

 

0

1

2

o

2

2

 

k

k

k

n

n

T

X

dt

t

x

T

e

 

T

dt

t

x

T

o

2

1

a więc 

skończona energia (moc)

 sygnału.

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Twierdzenie Parsevala

 





n

n

T

X

dt

t

x

T

2

o

2

1

Twierdzenie Parsevala pozwala wyznaczyć moc sygnału:

 

T

dt

t

x

T

P

o

2

1

w dziedzinie częstotliwości:





n

n

X

P

2

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Moc ułamkowa

 

1

2

2

o

u

 





k

n

n

k

k

n

n

X

X

kf

P

0

5

10

15

20

25

30

35

0

0.05

0.1

0.15

0.2

kf

o

|X

k

|

Moc ułamkowa

 

T = 1

t

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Moc ułamkowa

 

t

n

n

e

n

j

t

x

n

t

jn

n

n

o

1

2

o

sin

1

1

2

1

1

2

2

1





0

5

10

15

20

25

30

35

75

80

85

90

95

100

kf

0

P

(k

f

o

[%

]

Sygnał piłokształtny

 

 

 

%

99

16

%

95

4

%

90

2

o

u

o

u

o

u

f

P

f

P

f

P

T = 1

t

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Moc ułamkowa
(sygnał piłokształtny - 
90%)

0

0.5

1

1.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Aproksymacja sygnału piłokształtnego

2 harmoniczne

90% mocy sygnału 

T = 1

t

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Moc ułamkowa
(sygnał piłokształtny - 
95%)

0

0.5

1

1.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Aproksymacja sygnału piłokształtnego 

4 harmoniczne

95% mocy sygnału          

T = 1

t

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Moc ułamkowa
(sygnał piłokształtny - 
99%)

0

0.5

1

1.5

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Aproksymacja sygnału piłokształtnego

16 harmonicznych

99% mocy sygnału 

T = 1

t

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Efekt Gibbsa

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

efekt Gibbsa 

Impuls prostokątny

11 harmonicznych  

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Efekt Gibbsa

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

efekt Gibbsa 

Impuls prostokątny

39 harmonicznych  

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Efekt Gibbsa

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

efekt Gibbsa 

Impuls prostokątny

79 harmonicznych  

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Efekt Gibbsa

Efekt Gibbsa występuje w punktach 

nieciągłości sygnału,

a objawia się jako nadmierne oscylacje 

aproksymacji

skończonym szeregiem Fouriera; poziom 

oscylacji jest

niezależny od długości aproksymacji.

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Okna Fejera, 
Lanczosa...

 

 





k

k

n

t

jn

n

n

n

t

jn

n

e

X

w

t

s

e

X

t

x

o

o

Funkcja okna (ang. window)

k

n

w

n

 ,

0

jest dobierana w celu minimalizacji efektu Gibbsa.

W klasycznej aproksymacji jest stosowane

okno prostokątne o wagach

k

n

w

n

 ,

1

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Okna Fejera, 
Lanczosa...

Okno prostokątne Okno Fejera

k

n

w

n

 ,

1

k

n

k

n

w

n

,

/

1

Okno Lanczosa

Okno von Hanna, Hamminga, Kaisera...

 

x

x

x

Sa

k

n

k

n

Sa

w

n

/

sin

,

/

background image

 

 

„Teoria sygnałów” 

 Zdzisław Papir

Okna Fejera, 
Lanczosa...

-15

-10

-5

0

5

10

15

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Okna aproksymacji szeregiem Fouriera

numery wyrazów szeregu Fouriera n

w

a

g

a

 w

n

okno prostokątne

okno Fejera

okno Lanczosa

okno von Hanna

podwójna szerokość okna 2*k + 1 

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Okna Fejera, 
Lanczosa...

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

okno prostokatne

impuls prostokątny

okno Fejera

okno Lanczosa

Impuls prostokątny

11 harmonicznych  

Impuls prostokątny
7 harmonicznych

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Okna Fejera, 
Lanczosa...

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

okno prostokatne

impuls prostokątny

okno Fejera

okno Lanczosa

Impuls prostokątny

15 harmonicznych  

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Okna, efekt Gibbsa, 
błąd aproksymacji...

Okna Fejera, Lanczosa pozwalają w dużym stopniu zmniejszyć

efekt Gibbsa

 (oscylacje w pobliżu punktu nieciągłości sygnału),

ale 

kosztem wzrostu błędu średniokwadratowego.

Pamiętajmy, że przecież 

szereg Fouriera (z oknem prostokątnym)

stanowi 

najlepszą aproksymację sygnału,

zapewniającą 

minimum błędu średniokwadratowego.

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

Podsumowanie

• 

Warunki Dirichleta zapewniają zbieżność szeregu Fouriera

   do wartości sygnału; w punktach nieciągłości szereg Fouriera
   generuje „średnią arytmetyczną” nieciągłości.

• 

Praktycznym warunkiem zbieżności jest skończona wartość mocy

   sygnału (zbieżność średniokwadratowa).

 

Ze zbieżności średniokwadratowej wynika twierdzenie Parsevala

   pozwalające wyznaczyć moc sygnału poprzez moc poszczególnych
   składowych harmonicznych.

 

Moc ułamkowa (konsekwencja tw. Parsevala) pozwala szacować

  w praktyce użyteczną szerokość pasma sygnału.

 

W pobliżu punktów nieciągłości aproksymacja szeregiem Fouriera

   wykazuje nadmierne i utrzymujące się fluktuacje (efekt Gibbsa).

 

Okna Fejera, Lanczosa i inne pozwalają redukować efekt Gibbsa,

  ale kosztem dokładności aproksymacji.


Document Outline