background image

Cyfrowe 

Cyfrowe 

Przetwarzanie 

Przetwarzanie 

Sygnałów

Sygnałów

dla kierunku: Informatyka

specjalność: Przemysłowe Systemy Informatyczne

cześć 1

Wybrane zagadnienia z teorii sygnałów

Dyskretyzacja sygnału analogowego

Odtwarzanie i obliczanie parametrów sygnału na podstawie 

próbek 

Instytut Metrologii Elektrycznej

UNIWERSYTETU ZIELONOGÓRSKIEGO

dr hab. inż. Jerzy Bolikowski, prof. UZ

background image

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRZEDMIOTU

CPS

1-2

W  otaczającym  nas  środowisku  występuje  wiele  sygnałów  fizycznych  niosących  informację  na, 
podstawie której podejmowane są różne decyzje. Organizm człowieka wyposażony jest w pięć kategorii 
czujników:  słuchu,  dotyku,  smaku,  zapachu  i  wzroku.  Czujniki  te  przetwarzają  wielkości  fizyczne  w 
sygnały elektryczne, które za pośrednictwem nerwów przesyłane są do „analogowego superkomputera” 
jakim  jest  mózg.  W  większości  przypadków  decyzje  podejmowane  są  samodzielnie  przez  człowieka. 
Istnieją jednak sytuacje, w których niezbędne lub celowe jest wspomaganie człowieka przez urządzenia 
elektroniczne,  a  przede  wszystkim  przez  cyfrowy  mikrokomputer.  Aby  komputer  mógł  przeprowadzić 
odpowiednią analizę zawartej w sygnałach informacji (cyfrowe przetwarzanie sygnałów) do jego pamięci 
muszą być wprowadzone liczby, które z wystarczającą dokładnością odwzorowują rzeczywiste sygnały. 
Po  przetworzeniu  przez  mikrokomputer  rezultat  obróbki  ma  postać  sekwencji  liczb.  Praktyczne 
wykorzystanie  wyników  cyfrowego  przetwarzania  sygnałów  wymaga  zazwyczaj  przetworzenia  ich  w 
postać analogową, a więc w sygnał elektryczny.

Operacje na sygnałach elektrycznych mogą 
być 

przeprowadzone 

pominięciem 

konwersji  analogowo-cyfrowej  a  potem 
cyfrowo-analogowej 

przez 

coraz 

doskonalsze  układy  elektroniki  analogowej 

które 

przemysł 

półprzewodnikowy 

zainwestował wielkie sumy pieniędzy.

Czym zatem uzasadnione jest coraz 

powszechniejsze stosowanie 

cyfrowego przetwarzania sygnałów?

W

ie

lk

o

śc

fi

zy

cz

n

e

czujniki

sygnały

elektryczne

przetwarzanie

 analogowo-

cyfrowe

liczb

y

cyfrowe

przetwarzanie

 sygnałów

przetwarzanie

 cyfrowo-

analogowe

liczb

y

sygnały

elektryczne

LITERATURA PODSTAWOWA

 Marven C., Evers G.: Zarys cyfrowego 

przetwarzania sygnałów. WKiŁ. 1999.

 Lyons R.G.: Wprowadzenie do cyfrowego 

przetwarza-nia sygnałów. WKiŁ. 1999.

 Szabatin J.: Podstawy teorii sygnałów. WKiŁ. 

1982.

 van de Plassche R.: Scalone przetworniki 

analogo-wo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. WKiŁ. 
1997.

 Kulka Z., Libura A., Nadachowski M.: 

Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-
analogowe. WKiŁ. 1987.

background image

CPS

1-3

programowalność

możliwe  jest  skonstruowanie  jednej  konfiguracji  sprzętowej,  która  przez  zmianę 
oprogramowania  może  służyć  do  realizacji  różnych  zadań  cyfrowego  przetwarzania 
sygnałów.  W  technice  analogowej  do  każdego  zadania  musi  być  zaprojektowany  i 
wykonany inny układ elektroniczny.

stabilność 

algorytmy  cyfrowego  przetwarzania  sygnałów  (programy)  są  odporne  na  zmianę 
warunków  eksploatacji  (temperatura,  wilgotność,  zakłócenia  elektromagnetyczne, 
procesy  starzeniowe  itp.).  Dla  poprawnej  pracy  układów  analogowych  wymagane  jest 
stosowanie  często  bardzo  skomplikowanych  metod  i  układów  korygujących  wpływ 
czynników zewnętrznych.

powtarzalność 

Programy realizujące algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów działają identycznie 
na  różnych  egzemplarzach    tego  samego  urządzenia.  Każdy  układ  analogowy,  ze 
względu  na  rozrzut  parametrów  tworzących  go  elementów,  ma  inne,  mieszczące  się  w 
pewnym zakresie, właściwości.

kompresja danych

Przy  ograniczonej  przepustowości  kanałów  transmisji  zachodzi  konieczność  kompresji 
danych.  Przy  wykorzystaniu  cyfrowej  transmisji  danych  istnieje  możliwość  bezstratnej 
kompresji  w  przeciwieństwie  do  transmisji  analogowej,  gdzie  kompresja  danych 
związana jest z utratą części informacji.

WŁAŚCIWOŚCI CYFROWEGO PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW

background image

CPS

1-4

SYGNAŁY I ICH KLASYFIKACJA

W  rozumieniu  teorii  sygnałów, 

sygnał

  jest  pojęciem  abstrakcyjnym,  modelem 

matematycznym  wyrażającym  się  określoną  funkcją,  przebiegiem  stochastycznym  lub 
dystrybucją

W  technice 

sygnał

  definiowany  jest  jako  funkcja  czasowa  dowolnej  wielkości  o 

charakterze energetycznym, w którym można wyróżnić dwa elementy: nośnik i parametr 
informacyjny. 

W teorii sygnałów stosowane są dwa, niezależne od siebie, sposoby podziału sygnałów. W 
pierwszym  sygnały  dzieli  się  na  deterministyczne  i  losowe;  w  drugim  zaś  rozróżnia  się 
sygnały: ciągłe i dyskretne.

sygnały deterministyczne

nieokresow

e

okresow

e

sinusoidalne 
(harmoniczn

e)

niesinusoidalne 

(poliharmoniczn

e)

niestacjonar

ne

sygnały losowe

 

stacjonarn

e

ergodyczne

nieergodyczne

Sygnałem  ciągłym

  w  czasie  jest 

funkcja  x(t),  której  dziedziną  jest  każdy 
punkt pewnego przedziału osi czasu.

Sygnałem  dyskretnym

  w  czasie  jest 

funkcja  x[n],  której  dziedziną  jest  zbiór 
liczb całkowitych.

 

Sygnałem  deterministycznym

  jest  sygnał, 

którego  każda  wartość  jest  jednoznacznie 
określona  za  pomocą  ścisłych  zależności 
matematycznych.

Sygnały  opisane  za  pomocą  procesu  stochastycznego 
nazywa się 

sygnałami losowymi

, a konkretna funkcja 

(sygnał)  jest  traktowana  jedynie  jako  jedna  z  wielu 
możliwych realizacji procesu stochastycznego. 

Stacjonarnym 

nazywany 

jest 

proces 

stochastyczny, 

którego 

charakterystyki 

statystyczne  (wartość  średnia,  wartość  średnia 
kwadratowa,  funkcja  korelacji)  nie  są  funkcjami 
czasu. 

Ergodycznym  jest  proces,  którego  dowolna 
statystyczna  charakterystyka,  otrzymana  ze 
zbioru  realizacji  w  dowolnej  chwili,  jest  równa 
podobnej  charakterystyce  otrzymanej  z  jednej 
realizacji  procesu  obliczonej  jako  średnia  w 
dostatecznie długim czasie.

Na  podstawie  fundamentalnych  praw  lub  w 
rezultacie  wielu  obserwacji  można  opisać 
dokładnie  wartość  syg-nału  deterministycznego 
w dowolnej chwili, również w przyszłości.

background image

CPS

1-5

WYBRANE SYGNAŁY DETERMINISTYCZNE

Impuls prostokątny (t)

x(t)

t

-1/2

1/2

0

1

2

1

 

dla

    

1

2

1

 

dla

   

2

1

2

1

 

dla

   

0

t

t

t

t

t

x

)

(

)

(

x(t)

 b

c

a

t

 

b

c

t

a

t

x

)

(

Sygnał Sa

0

 

dla

  

          

1

0

 

dla

  

0

0

0

t

t

t

t

t

Sa

t

x

sin

)

(

0

0

3

0

3

0

background image

CPS

1-6

Skok jednostkowy - 1(t)




0

 

dla

    

0

0

 

dla

   

2

1

0

 

dla

    

1

1

t

t

t

t

t

x

)

(

)

(

x(t)

t

1

Skok sygnału o dowolną wartość i w 
dowolnym punkcie osi czasu można 
zapisać jako:

)

(

)

(

0

1

t

t

A

t

x

x(t)

A

t

0

t

Sygnał sinusoidalny

)

,

(

)

sin(

)

(



t

t

X

t

x

0

t

0

0

0

2

0

0

2

background image

CPS

1-7

WYBRANE SYGNAŁY STOCHASTYCZNE

Sygnał harmoniczny stochastyczny

)

cos(

)

(

)

(

t

t

t

Konkretną realizacją sygnału 

t jest sygnał harmoniczny deterministyczny

)

cos(

)

(

t

X

t

x

Zmienne losowe opisane odpowiednimi funkcjami gęstości prawdopodobieństwa

Szum śrutowy



i

i

t

k

t

)

(

)

(

Szum śrutowy jest przykładem sygnału z parametrem statystycznym;
            jest  ciągiem  zmiennych  losowych,  których  realizacje  tworzą  ciągi  na  osi 
czasu, a k(t) jest sygnałem deterministycznym losowym. Można go traktować 
jako sumę sygnałów impulsowych poprzesuwanych losowo względem siebie o 
odcinki  czasu        .  Szum  śrutowy  jest  modelem  matematycznym  sygnałów 
przypadkowych, których źródłem są zjawiska fizyczne związane z przepływem 
prądu elektrycznego w elementach elektronicznych.

 

i

i

background image

CPS

1-8

SYGNAŁY DYSTRYBUCYJNE

Delta Diraca - (t)

 

0

 

 t 

dla

  

0

 

 t 

dla

   

0

t

(t)

0

t

1

Dystrybucja Diraca (delta Diraca) jest modelem matematycznym 
sygnału  impulsowego  o  nieskończenie  krótkim  czasie  trwania  i 
nieskończenie dużej amplitudzie. Sygnał taki nie jest realizowalny 
fizycznie,  ale  stanowi  wygodny  abstrakcyjny  model  sygnału 
fizycznego,  którego  przebieg  ma  kształt  bardzo  wąskiego 
impulsu.

1

dt

t)

(

(t-t

0

)

0

t

1

t

0

Ciągiem definiującym dystrybucję d(t) może 
być na przykład ciąg funkcji gaussowskich o 
postaci:

2

2

1

t

e

t

)

,

(

Wraz ze zbliżaniem się parametru  do zera funkcje gaussowskie 

są  coraz  węższe,  a  jednocześnie  rośnie  ich  wartość.  W  granicy 
ciąg dąży do do wartości, która jest równa zeru dla t różnego od 
zera  i  równa  nieskończoności  dla  t  =  0.  Jednocześnie  pole 
ograniczone  wykresem  każdego  elementu  ciągu  jest  równe  1. 
Zatem delta Diraca jest granicą ciągu funkcji gaussowskich

 

t

e

t

2

2

1

0

lim

Jeżeli x(t) jest dowolnym sygnałem, to

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

0

0

t

t

t

x

t

t

t

x

t

x

t

t

x

Właściwość 
próbkowani
a

background image

CPS

1-9

Dystrybucja grzebieniowa - III(t)

Dystrybucja  grzebieniowa  jest  ciągiem  okresowo 
powtarzających  się  delt  Diraca  o  jednostkowych 
wysokościach 

jednostkowym 

okresie. 

Zdefiniowana jest następującym wyrażeniem:



n

n

t

t

III

)

(

)

(



n

n

t

n

x

t

III

t

x

)

(

)

(

)

(

)

(

właściwość próbkowania



n

n

t

t

III

)

(

)

(

właściwość zmiany skali

t

T

)

(

T

t

III

T

1

t

0

 1

 2

-1

-2

-3

 3

)

(t

III

1

Z właściwości zmiany skali wynika, że ciąg delt 
Diraca  jednakowo  odległych  od  siebie  o 
dowolną  odległość  T  i  o  jednostkowych 
wysokościach można zapisać w postaci:

)

(

T

t

III

T

1

Wówczas operację próbkowania dowolnego sygnału w odstępach czasu T można zapisać następująco:



n

nT

t

nT

x

T

t

III

T

t

x

)

(

)

(

)

(

)

(

1

background image

CPS

1-10

W  teorii  sygnałów  pojęciu 

sygnał

  przyporządkowuje  się  odpowiednie  modele 

matematyczne.  Wybór  tych  modeli  jest  w  zasadzie  arbitralny  ale  ze  względów 
praktycznych bierze się pod uwagę następujące aspekty:

  Model  powinien  być  możliwie  ogólny,  tak  aby  opisywał  dostatecznie  szeroką  klasę 

sygnałów fizycznych i abstrahował od jego natury fizycznej.

 Model powinien zapewniać łatwość analizy matematycznej problemów generacji, 

przetwarzania i przesyłania sygnałów. 

Wszystkie  sygnały  fizyczne  (istniejące  w  przyrodzie  oraz  generowane  sztucznie  przez 
człowieka) trwają w czasie, mają na ogół bardzo skomplikowaną formę i nie dają się opisać 
żadną  funkcją  elementarną.  Bezpośrednie  badanie  analityczne  takich  sygnałów  jest 
niezwykle  trudne,  a  czasami  niemożliwe.  Dobór  odpowiedniej 

analitycznej 

reprezentacji  sygnału

  jest  zagadnieniem  kluczowym  w  analizie  sygnałów. 

Przedstawienie  sygnału  w  postaci  analitycznej  powinno  zapewnić  uproszczenie  obliczeń 
przy  badaniu  właściwości  sygnału  i  pomiarach  jego  parametrów  oraz  umożliwić  głębszą 
interpretację niektórych cech fizycznych. 
Sygnały mogą być reprezentowane w 

dziedzinie czasu

 i w 

dziedzinie częstotliwości

W zależności od celu analizy wybiera się jedną z tych dziedzin wykorzystując odpowiedni 
aparat matematyczny. 

METODY ANALIZY SYGNAŁÓW

Najczęściej  stosowana  jest 

widmowa  (dyskretna)  reprezentacja  sygnałów

 

(dziedzina  częstotliwości).  W  przypadku  sygnałów  okresowych  jest  to 
trygonometryczny lub zespolony 

szereg Fouriera

a w przypadku sygnałów nieokresowych 

całkowe przekształcenie (transformata) Fouriera.

 

dziedzinie czasu

 sygnały opisuje się 

średnią czasową rzędu 

n

 lub 

funkcją korelacji

.

background image

CPS

11

CPS

1-11

SZEREG FOURIERA - trygonometryczny

Z matematycznego punktu widzenia 

zagadnienie dyskretnej reprezentacji 

sygnału sprowadza się do aproksymacji 

sygnału 

x

 szeregiem typu

n

i

i

i

x

1

x

i

  - 

ustalone funkcje

i



liczby rzeczywiste lub zespolone

Po  ustaleniu  funkcji  aproksymującej  wyznacza  się  liczby 

i

  tak,  aby  błąd  aproksymacji 

(według 

ustalonego 

kryterium) 

był 

najmniejszy. 

Kryterium 

tym 

jest 

błąd 

średniokwadratowy. Można  udowodnić,  że błąd  aproksymacji  dąży  do  zera jeśli zastosuje 
się  zestaw  zupełny  funkcji  ortogonalnych,  a  liczba  wyrazów  szeregu  dąży  do 
nieskończoności. Jeśli do aproksymacji użyje się zestaw funkcji sinus i cosinus (najczęściej 
stosowany),  to  dowolną  funkcję  okresową  o  okresie  T

0   

spełniającą  warunki  Dirichleta,   

można  przedstawić  za  pomocą  nieskończonego  szeregu,  zwanego  szeregiem  Fouriera,  o 
równaniu

1

0

0

0

2

1

n

n

n

t

n

b

t

n

a

a

t

x

sin

cos

)

(

dt

t

n

t

x

T

a

T

n

0

0

0

2

cos

)

(

dt

t

n

t

x

T

b

T

n

0

0

0

2

sin

)

(

0

0

2

T

trygonometryczny 

szereg Fouriera

2

2

n

n

n

b

a

X





n

n

n

a

b

arctg

widmo 

amplitudowe 

sygnału

widmo fazowe 

sygnału

dt

t

t

x

T

a

T

0

0

0

1

)

(

ponieważ

)

cos(

sin

cos

X

b

a

1

0

0

2

1

n

n

n

t

n

X

a

t

x

)

cos(

)

(

gdzie:

SYGNAŁY W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCI

background image

CPS

12

CPS

1-12

SZEREG FOURIERA - wykładniczy



n

t

jn

n

e

F

t

x

0

)

(

Uwzględniając zależności Eulera

sin

cos

j

e

j

sin

cos

j

e

j

otrzymuje się

można wykazać, że

)

(

)

(

n

n

n

n

n

n

jb

a

F

jb

a

F

a

F

2

1

2

1

0

0

0

0

0

0

1

T

t

jn

n

dt

e

t

f

T

F

)

(

zespolony szereg

Fouriera

zespolone widmo

Fouriera

oraz

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

F

b

a

A

F

F

j

b

F

F

a

2

2

2

)

(

)

(

Przedstawienie funkcji okresowej za pomocą szeregu Fouriera jest równoważne 
rozłożeniu funkcji okresowej na jej funkcje składowe. Częstotliwość  f

0 

w

0

 /2p  

jest  podstawową  częstotliwością,  a  pozostałe  harmonicznymi  częstotliwości  f

0

.. 

Dlatego  analiza  sygnału  przy  użyciu  szeregu  Fouriera  nazywa  się 

analizą 

harmoniczną

.

background image

CPS

13

CPS

1-13

SZEREG FOURIERA  -  

Przykłady

Stąd szereg Fouriera reprezentujący sygnał 

x(t)=

3

t

  (0<t<2

) ma postać:

Rozwinąć w szereg Fouriera sygnał: x(t)=3t  
(0<t<2

6

0

2

2

3

1

2

3

1

3

1

2

2

2

0

2

2

0

0

0

)

(

)

(

t

tdt

dt

t

x

T

a

T

3

2

0

a

0

3

1

3

1

3

1

2

0

2

0

2

0



ktdt

k

kt

k

t

dx

kt

t

a

k

sin

sin

)

cos(

k

dt

kt

t

b

k

6

3

1

2

0

)

sin(

....

sin

.

sin

.

sin

sin

sin

t

t

t

t

t

y

5

2

1

4

5

1

3

2

2

3

6

3

k = 10

k = 500

źródło: http://skierka.zsh.konin.pl/andrzej/szeregf.html

a

0

/2

 

x(t)

t

y=3t

2

background image

CPS

14

CPS

1-14

SZEREG FOURIERA  -  

Przykłady

widmo amplitudowe

k

k

b

a

n

X

n

n

6

6

0

2

2

2

2

 

)

(





0

6

*

tg

tg

k

arc

a

b

arc

n

n

n

widmo fazowe

t

x(t)

T

A

t

A

t

x )

(

Rozwinąć w wykładniczy szereg Fouriera sygnał okresowy:







T

n

Sa

T

A

n

Sa

T

A

n

n

A

n

T

n

A

j

e

e

T

n

A

e

e

T

jn

A

e

T

jn

A

dt

Ae

T

F

jn

jn

jn

jn

T

t

jn

t

jn

n



2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

0

0

0

0

0

2

2

0

2

2

2

2

0

2

2

0

0

0

0

0

0

0

)

(

)

sin(

)

sin(

/

/

/

/

background image

CPS

15

CPS

1-15

SZEREG FOURIERA  -  

Przykłady





n

t

jn

n

t

jn

n

e

T

n

Sa

T

A

e

F

t

x

0

0



)

(

źródło: http://skierka.zsh.konin.pl/andrzej/szeregf.html

n = 3

n = 33

Efekt Gibbsa

F

0

0

0

1

1

1

7

1

7

Re

Im

1

X

2

1

1

X

2

1

)

t

cos(

X

1

1

1

t

1

1

widmo amplitudowe 

T

n

Sa

T

A

F

n



T

A

Fazorowy model sygnału

fazor

 - wektor obracający się na płaszczyźnie zespolonej

background image

CPS

16

CPS

1-16

SZEREG KOTIELNIKOWA-SHANNONA

Dowolny sygnał x(t) o ograniczonym częstotliwością  f

max

 paśmie może być reprezentowany przez szereg





n

m

n

m

nT

t

Sa

nT

x

nT

t

f

Sa

nT

x

t

x

)

(

)

(

)

(

2

)

(

)

(

współczynniki szeregu są wartościami sygnału x(t) w punktach nT

x(nT)

wartości sygnału w 

dyskretnych chwilach 

czasu

m

f

T

2

1

kolejne wyrazy szeregu

suma wyrazów szeregu

T

background image

CPS

17

CPS

1-17

TRANSFORMACJA FOURIERA

Dyskretne  widmo  Fouriera  istnieje  dla  sygnałów  okresowych.  Natomiast  w  praktycznych 
zastosowaniach  istnieje  konieczność  analizy  sygnałów  nieokresowych.  Jeśli  sygnał 
nieokresowy potraktuje się jako sygnał periodyczny o okresie dążącym do nieskończoności, 
to dyskretne widmo Fouriera takiego sygnału przechodzi w granicy w widmo ciągłe.  

0

0

2

1

2

n

d

T

d

T

T

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

j

X

F

d

e

j

X

t

x

t

x

F

dt

e

t

x

j

X

t

j

t

j

1

2

1

Para transformat Fouriera

transformata prosta

zespolone widmo 

sygnału

transformata odwrotna

)

(

Im

)

(

Re

)

(

j

X

j

j

X

j

X

 

2

2

j

j

j

X

Im(

)

Re(

)

(





)

Re(

)

Im(

tg

j

j

arc

widmo amplitudowe

sygnału

widmo fazowe

 sygnału

background image

CPS

18

CPS

1-18

Sygnał  zespolony  jest  abstrakcyjnym,  nierealizowalnym  fizycznie  modelem  sygnału. 
Charakterystyki  sygnału  zespolonego  określone  są  dla  całej  osi  zmiennej 

.  Natomiast 

interpretację fizyczna mają tylko ich prawe części dla 

 

0

Widmo  amplitudowe  i  widmo  fazowe  reprezentują  strukturę  częstotliwościową  sygnału. 
Reprezentacja ta ma dla sygnałów rzeczywistych wyraźny 

sens fizyczny

. Dla 



 widmo 

sygnału  jest  wielkością  fizyczną  w  nie  mniejszym  stopniu  niż  sam  sygnał.  Można  je 
zmierzyć lub obejrzeć na ekranie analizatora widma. Na podstawie widma można w sposób 
jednoznaczny  odtworzyć  sygnał.  Widmo  sygnału  jest  więc  alternatywnym  i  równoważnym 
sposobem  przedstawienia  sygnału.  Pełna  informacja  o  sygnale  jest  „zapisana”  w  jego 
widmie.  Wszelkie  cechy  sygnału  w  dziedzinie  czasu  mają  swoje  odzwierciedlenie  w 
dziedzinie  częstotliwości.  Operacje  przeprowadzane  na  widmie  sygnału  oddziaływają  na 
przebieg i parametry sygnału w dziedzinie czasu.
Część  mocy  sygnału

P,  która  przypada  na  przyrost  pulsacji    nazywana  jest  widmową 

gęstością mocy

SENS FIZYCZNY WIDMA SYGNAŁU

d

dP

P

lim

)

(

Widmo  gęstości  mocy  jest  rzeczywistą  funkcją  pulsacji 

.  Nie  zawiera  ono  jednak  żadnej 

informacji o fazie sygnału. Informacja ta jest tracona przy obliczaniu wartości średniej, co 
jest niezbędne dla wyznaczania mocy.
Widmo gęstości mocy jest rzeczywiste, zawsze dodatnie i parzyste. 

Ponieważ przy obliczaniu gęstości widmowej mocy informacja o fazie jest tracona, 
funkcja ta nie zawiera pełnej informacji o sygnale. Stąd obliczenie odwrotne nie jest 
możliwe.

)

(

)

(

background image

CPS

19

CPS

1-19

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI TRANSFORMACJI FOURIERA

)

(

)

(

)

(

)

(

bY

aX

t

by

t

ax

a

X

a

at

x

1

)

(

0

0

t

j

e

X

t

t

x

)

(

)

(

liniowość

zmiana skali (podobieństwo)

Jeśli  a>1,  to  skala  czasu  jest  rozszerzana,  sygnał  jest  „rozciągnięty”  w  czasie. 
Rozszerzenie skali czasu powoduje zawężenie skali częstotliwości i jednocześnie zwiększa 
się  a-krotnie  gęstość  widmowa.  Fizycznie  oznacza  to,  że  zmniejsza  się  szybkość  zmian 
sygnału,  a  widmo  skupia  się  wokół  małych  częstotliwości,  jego  gęstość  w  tym  zakresie 
wzrasta.
Dla  0<a<1  sygnał  jest  „ściśnięty”  w  czasie,  a  efekty  w  dziedzinie  częstotliwości  są 
przeciwne.

przesunięcie w dziedzinie czasu

Widmo  amplitudowe    sygnału  przesuniętego  nie  ulega  zmianie  w  stosunku  do 
widma  amplitudowego  sygnału  nieprzesuniętego.  Natomiast  widmo  fazowe 
powiększa  się  o  składnik  (-

0

t).  Jest  to  całkowicie  zgodne  z  sensem  fizycznym 

przesunięcia  sygnału  na  osi  czasu.  Struktura  częstotliwościowa  amplitud 
poszczególnych  harmonicznych  sygnału  nie  zmienia  się.  Zmieniają  się  natomiast 
fazy poszczególnych harmonicznych względem układu odniesienia.

0

t

j

e

Przesunięcie sygnału na osi czasu o t

0

 odpowiada pomnożeniu widma przez czynnik zespolony            .

background image

CPS

20

CPS

1-20

)

(

)

(

0

0

 X

e

t

x

t

j

przesunięcie w dziedzinie częstotliwości (modulacja)

)

(

)

(

0

0

 X

e

t

x

t

j

)

(

)

(

0

0

X

e

t

x

t

j

Jeśli  widmo  sygnału  przesuwa  się  w  prawo  o  wartość  

0

>0,  to  sygnał  należy  pomnożyć 

przez sygnał wykładniczy zespolony            , czyli

t

j

e

0

Przesunięcie  widma  sygnału  w  lewo  o  wartość  

0

>0  odpowiada  pomnożeniu  sygnału 

przez sygnał zespolony           , a więc

t

j

e

0

Dodając stronami powyższe pary transformat otrzymuje się

)

(

)

(

cos

)

(

0

0

0

2

1

X

X

t

t

x

Z  powyższej  zależności  wynika,  że  pomnożenie  sygnału  harmonicznego  przez 
sygnał 

x(t)

  powoduje  rozszczepienie  widma  na  dwie  części  przemieszczone  w 

prawo  i  w  lewo  o  wartość  

0

.  Operacja  ta  nazywana  jest  modulacją  i 

wykorzystywana  jest  w  telekomunikacji  do  przesyłania  sygnałów  na  dalsze 
odległości.  Sygnałem  modulowanym  jest  sygnał  harmoniczny  (informacja  zawarta 
jest w jego częstotliwości), a sygnałem modulującym sygnał 

x(t).

background image

CPS

21

CPS

1-21

PRZYKŁADY PAR TRANSFORMAT FOURIERA

x(t)

t

-/4

/4

0

A

impuls prostokątny (funkcja bramkowa)



2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2









Sa

A

A

A

j

j

A

e

e

j

A

e

j

A

dt

Ae

X

j

j

t

j

t

j

sin

sin

)

sin(

)

(

/

/

/

/

t

2



Sa

A

x(t)

t

-

0

A

x(t)

t

-/2

/2

0

A

2

4

2

4

A

2

A

A

2

4

4

8

8

4

8

4

8

background image

CPS

22

CPS

1-22























2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

0

0

0

0

0

0

2

2

2

2

0

0

0

0

)

(

)

(

lim

)

(

)

(

sin

)

(

)

(

sin

lim

lim

cos

lim

cos

/

/

/

/

Sa

Sa

dt

e

e

e

dt

e

t

t

t

F

t

j

t

j

t

j

t

j









2

2

2

0

0

0

)

(

)

(

cos

Sa

Sa

t

t

1

0

0

12

6

 T

t

x(t)

t

t

0

cos

funkcja

0

0

)

(

X

T

6

T

12

0

0

)

(

X

)

(



(t),



0

.

Zwiększanie  szerokości  impulsu  prostokątnego 
zwiększa  koncentrację  widma  wokół  pulsacji  

0

W  granicy    funkcja  Sa  dąży  do  funkcji 

impulsowej  (t),  co  oznacza,  że  widmo  funkcji 

cosinus  w  przedziale  nieograniczonym  zawiera 
funkcje impulsowe umieszczone w punktach 

0



0



0

background image

CPS

23

CPS

1-23

SYGNAŁY W DZIEDZINIE CZASU

wartości średnie

Sygnał x(t) może być opisana średnią czasową rzędu 

n

, nazywaną też momentem 

zwykłym rzędu 

n

:

T

T

n

n

dt

t

x

T

t

x

)

(

)

(

2

1

lub dla sygnałów nieokresowych:

T

T

n

T

n

dt

t

x

T

t

x

)

(

lim

)

(

2

1

Dla n=1 otrzymuje się średnią arytmetyczną, która może być interpretowana jako składowa o 
zerowej częstotliwości - składowa stała sygnału lub współczynnik a

0

/2 szeregu Fouriera.

Dla n=2 - moment zwykły drugiego rzędu jest miarą mocy sygnału. Pierwiastek kwadratowy 
tej wielkości jest wartością skuteczną sygnału:

T

T

sk

dt

t

x

T

X

)

(

2

2

1

funkcja korelacji

T

T

T

xy

t

y

t

x

dt

t

y

t

x

T

R

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

lim

2

1

funkcja autokorelacji

T

T

T

xx

t

x

t

x

dt

t

x

t

x

T

R

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

lim

2

1

background image

CPS

24

CPS

2-24

CPS

24

CPS

2-24

DYSKRETYZACJA SYGNAŁU ANALOGOWEGO

t

s

4t

s

3t

s

2t

s

2.901...

8.187...

5.982...

7.983...

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

1

1

Cyfrowe przetwarzanie 

sygnału

L

H

 

1

x

 

4

x

 

3

x

 

2

x

sygnał cyfrowy w naturalnym

 kodzie dwójkowym

Próbkowanie

kwantowani

e

Sygnał analogowy 

x(t)

Sygnał o ciągłym 

czasie i ciągłej 

wartości

Sygnał o dyskretnym 

czasie i ciągłej 

wartości

Zakodowany 
sygnał

dyskretnym 

czasie 

dyskretnej 

wartości

Przetwornik 

próbkująco-pamiętający

S/H

Przetwornik 

analogowo-cyfrowy

A/C

1

0

)

(

)

(

)

(

N

n

s

nt

t

t

x

n

y

q=1.25V

7/8
6/8
5/8
4/8
3/8
2/8
1/8
0

V

10

U

FS

t

s





q

U

INT

liczba

we

kodowanie

background image

CPS

25

CPS

2-25

CPS

25

CPS

2-25

CPS

25

Przetwornik próbkująco-pamiętający

Przetwornik próbkująco-pamiętający (ang. sample-and-hold circuit - S/H) służy do pobrania 
próbki  napięcia  w  krótkim  okresie  (rzędu  pojedynczych  mikrosekund)  i  zapamiętania  tej 
próbki w czasie niezbędnym do przetworzenia jej przez przetwornik analogowo - cyfrowy.

Przetwornik  S/H  umożliwia  zamianę  ciągłej 
funkcji  U

we

  (t)  w  ciąg  impulsów  U

wy 

(t

n

)    o 

wartościach  proporcjonalnych  do  wartości 
napięcia  wejściowego  w  chwilach  t

n

Moment  pobrania  próbki  określony  jest 
przez układ sterujący przełącznikiem. 

Po zamknięciu przełącznika kondensator pamiętający C

H

 ładowany jest przez rezystancję 

zamkniętego  przełącznika  do  czasu  aż  napięcie  na  kondensatorze  osiągnie,  z 
dopuszczalnym błędem, wartość napięcia wejściowego. 
Ta  faza  pracy  układu  nazywana  jest 

próbkowaniem

  a  jej  czas  (

czas  próbkowania  t

S

)  jest 

równy  czasowi  trwania  impulsu  sterującego.  Po  zakończeniu  fazy  próbkowania 
(przełącznik  otwarty)  napięcie  na  kondensatorze,  nazywane 

próbką  napięcia

 

wejściowego

,  jest  dostępne  na  wyjściu  układu  przez  czas  zwany 

czasem  pamiętania  t

H

.. 

Pomiędzy fazami próbkowania i pamiętania występują stany przejściowe. 

Jeśli czas próbkowania jest krótszy od czasu pamiętania, to układ nazywany jest układem 

próbkująco  -  pamiętającym

.  W  przeciwnym  przypadku  mamy  do  czynienia  z  układem 

śledząco  -  pamiętającym  T/H

  (ang.  track-and-hold  circuit).  Sumę  czasów  próbkowania  i 

pamiętania  nazywa  się 

okresem  próbkowania

,  a  jego  odwrotność  - 

częstotliwościa 

próbkowania

.

Czas,  przez  który  musi  być  ładowany  kondensator,  aby  otrzymać  żądaną 
dokładność próbki nazywany jest 

czasem przyjęcia próbki

 lub 

czasem akwizycji

background image

CPS

26

CPS

2-26

Trzy  czynniki  mają  wpływ  na  czas  przyjęcia  próbki.  Pierwszym 
jest  stała  czasowa  (r

zał

  C

)  wynikająca  z  rezystancji  r

zał

 

przełącznika  w  stanie  załączenia  i  pojemności  kondensatora 
pamiętającego.  Drugim  -  maksymalny  prąd  wyjściowy  I

0max 

wzmacniacza  A1.  Trzecim  -  maksymalna  szybkość  zmian 
napięcia  S

U   

na  wyjściu  tego  wzmacniacza.  Maksymalna 

szybkość zmian napięcia na kondensatorze jest określona albo 
przez  szybkość  ładowania  kondensatora  maksymalnym 
prądem,  albo  przez  maksymalną  szybkość  zmian  napięcia  na 
wyjściu  wzmacniacza,  w  zależności  od  tego,  która  z  tych 
wartości jest mniejsza.

we

U

H

C

H

C

U

sterowanie

Schemat zastępczy

Przykład

Należy obliczyć czas przyjęcia próbki o wartości 10 V z błędem  = 0.02% 

dla układu S/H, w którym pojemność kondensatora pamiętającego C

H

 = 5 

nF,  maksymalny  prąd  wyjściowy  wzmacniacza  I

0max

  =  10  mA  i 

maksymalna szybkość zmian na wyjściu wzmacniacza wejściowego S

U

  = 

5V/ms.  Sumaryczna  rezystancja  wyjściowa  wzmacniacza  i  zamkniętego 
przełącznika wynosi r

zał = 120 

Kondensator ładowany jest z szybkością:

s

V

s

V

C

I

dt

du

H

C

H

2

10

5

10

10

9

3

0

max

Szybkość ta nie przekracza maksymalnej szybkości zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza, 
a  więc,    w  tym  przypadku,  maksymalna  szybkość  narastania  napięcia  na  kondensatorze 
ograniczona  jest  przez  maksymalny  prąd  wyjściowy  wzmacniacza.  Takim  prądem  będzie 
ładowany  kondensator  ze  stałą  szybkością  2V/s  aż  do  momentu,  kiedy  suma  napięć  na 

kondensatorze  i  sumarycznej  rezystancji  szeregowej  osiągnie  wartość  10V.  Na 
kondensatorze odłoży się w tym czasie napięcie:

t

U

H

S

czas

akwizycji

U

CH

U

we

sterowani

e

V

V

r

I

U

U

zal

we

C

H

8

8

120

10

10

10

3

0

.

max

background image

CPS

27

CPS

2-27

Stąd pierwszy składnik czasu akwizycji wynosi

s

t

aq

4

4

2

8

8

1

.

.

)

(

Od tego momentu ładowanie kondensatora przebiega wykładniczo ze stałą czasową

ns

F

C

r

H

zal

600

10

5

120

9

Dopuszczalny bezwzględny błąd przyjęcia próbki wynosi

mV

V

U

U

we

we

2

10

100

02

0

100

.

Z  takim  błędem  bezwzględnym  musi  ustalić  się  różnica  (10  V  -  8.8  V  =  1.2  V).  Błąd 
względny dla tej wartości napięcia wynosi

0017

0

2

1

10

2

3

.

.

'

Czas niezbędny do naładowania kondensatora z takim błędem (drugi składnik czasu akwizycji) wynosi:

s

ns

t

aq

8

3

0017

0

600

2

.

)

.

ln(

)

ln(

'

)

(

Łączny czas przyjęcia próbki przez analizowany układ wynosi:

s

s

s

t

t

t

aq

aq

aq

2

8

8

3

4

4

2

1

.

.

.

)

(

)

(

W  obliczeniach  pominięto  czas  opóźnienia  włączenia  przełącznika,  rzędu 
kilkudziesięciu nano-sekund dla przełączników półprzewodnikowych.

Wynika stąd, że układ sterujący musi zamykać przełącznik na czas próbkowania nie krótszy niż t

= 8,2 s

koniec przykładu

 

background image

CPS

28

CPS

2-28

Czas  przejścia  od  fazy  próbkowania  do  fazy  pamiętania  jest  różny  od  zera.  Czas  między 
chwilą  wystąpienia  zmiany  sygnału  sterującego  a  chwilą  pełnego  rozwarcia  przełącznika 
jest określany jako 

czas apertury

.

Czas  ten  może  zmieniać  się  przypadkowo  w  pewnych 
granicach  zwanych 

drżeniem  fazy  apertury

  (ang.  aperture 

jitter). 
Błąd  spowodowany  czasem  apertury  można  korygować 
przez właściwy dobór chwili zmiany sygnału sterującego.
Błąd  wynikający  z  drżenia  fazy  apertury  nie  daje  się 
skorygować. Przejawia się on tym, że zapamiętana wartość 
napięcia będzie się różnić od wartości chwilowej napięcia w 
momencie  zmiany  sygnału  sterującego.  W  pewnych 
zastosowaniach  wartość  tego  parametru  może  być 
krytyczna.

Przykład
Mierzone  jest napięcie  sinusoidalne o  wartości  maksymalnej 10V i częstotliwości  3 kHz. Wymagane jest 
aby błąd wynikający z drżenia fazy apertury był mniejszy od 0.01% wartości maksymalnej (U = 1 mV). 

Obliczyć dopuszczalny czas drżenia fazy apertury układu S/H.

Maksymalna szybkość zmiany napięcia mierzonego (w chwili przejścia sinusoidy przez zero) wynosi

s

V

V

s

U

dt

t

U

d

S

t

188400

10

1

3000

2

0

max

max

max

sin

(

Czas, w którym napięcie zmieni się o 1 mV wynosi

ns

s

S

U

t

5

188400

10

1

3

max

Należy  więc  wybrać  układ  S/H  o  drżeniu  fazy  apertury  mniejszym  od  5  ns. 
Wymaganie takie spełniają dobre scalone układy S/H.

koniec przykładu

 

czas apertury

 

drżenie 

fazy

 apertury

 

błąd 

apertur

y

 

błąd drżenia 

fazy apertury

 

t

U

H

S

background image

CPS

29

CPS

2-29

CPS

29

CPS

2-29

CPS

29

CPS

2-29

CPS

29

Przy  rozłączaniu  przełącznika  może  wystąpić  zjawisko 
polegające  na  zmianie  ładunku  zgromadzonego  w 
kondensatorze  pamiętającym  w  wyniku  oddziaływania 
cyfrowego 

układu 

sterującego 

na 

kondensator 

pamiętający.  W  chwili  wyłączania  przełącznika  może 
wystąpić  przepływ  ładunku  między  kondensatorem  C

H

  a 

pasożytniczym  kondensatorem  C

między  bramką  a 

drenem tranzystora. 

S   
H     

Wartość  tego  ładunku  jest  równa:                      ,  gdzie  DU

  -  zmiana  napięcia  bramki  w 

momencie  wyłączania  przełącznika.  Na  skutek  odpływu  ładunku  q  następuje  zmiana 
napięcia na kondensatorze pamiętającym

B

p

U

C

q

H

B

p

H

C

C

U

C

C

q

U

H

Zmiana ta nazywana jest 

piedestałem

 lub 

błędem piedestału.

Przy przejściu od fazy próbkowania do fazy pamiętania występują krótkotrwałe oscylacje 
tłumione  napięcia  pamiętanego.  Czas  trwania  tych  oscylacji,  w  zależności  od  rodzaju 
układu S/H i wymaganej dokładności, wynosi od kilku nanosekund do kilku mikrosekund. 
W  katalogach  zwykle  podawana  jest  wartość  tego  czasu  (

settling  time

)  dla  różnych 

rozdzielczości  przetwornika  a/c  mierzącego  zapamiętaną  próbkę.  Projektując  sterowanie 
układu należy przewidzieć opóźnienie impulsu inicjującego konwersję przetwornika a/c w 
stosunku  do  zbocza  inicjującego  fazę  pamiętania.    Zapobiega  to  zakłóceniom  pracy 
przetwornika.

W  fazie  pamiętania  najważniejszym  parametrem  jest   

szybkość  spadku  napięcia  na 

kondensatorze pamiętającym

 określona jako

Prąd  upływowy

  jest  sumą  algebraiczną  czterech  różnych  składników  mających 

wpływ  na  jego  wartość  i  polaryzację.  W  katalogach  podawana  jest  wartość  prądu 
upływowego.  Na  tej  podstawie  można  obliczyć  szybkość  zmian  napięcia 
pamiętanego.

H

L

C

C

I

dt

dU

H

gdzie I

 - całkowity prąd upływowy.

background image

CPS

30

CPS

2-30

WYBRANE PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE

N

k

K

R

K

wy

U

b

U

1

2

2R

R

2R

R

2R

2R

R

I

2

1

R

I

4

1

R

I

8

1

R

/

U

I

R

R

U

R

U

I 

1

0

1

1

0

0

U

wy

Przetwornik cyfrowo-analogowy (C/A)

przetwornik kompensacyjny

REJESTR SUKCESYWNEJ 

APROKSYMACJI (SAR)

PRZETWORNIK

C/A

MSB

LSB

KOMPARATOR

ZEGAR

X

U

K

U

U

R

=U

FS

1

0

1

10,24 V

Kompensacyjny przetwornik A/C

1

0

1

q=1,28

U

x

czas 

przetwarzan

ia

nominalny zakres U

FS

=q2

N

rzeczywisty zakres U

0

=q(2

N

-1)

Po  ostatnim  kroku  napięcie  kompensacyjne  ma  wartość  równą  z 
dokładnością 1 LSB napięciu mierzonemu. Cyfrową reprezentacją 
wartości  napięcia  mierzonego  w  kodzie  binarnym  jest  stan 
przerzutników.

 

Układ  sterujący  powoduje  generowanie  przez  przetwornik  C/A  kolejno 
napięć kompensacyjnych o  wartościach U

R

/2, U

R

/4, ..., U

R

/2

N

, gdzie N jest 

liczbą  bitów  przetwornika.  W  każdym  kroku  przetwarzania  wartość 
napięcia  kompensacyjne-go  jest  porównywana  z  napięciem  mierzonym. 
Jeśli  wartość  tego  napięcia  po  kolejnym  k-tym  kroku  jest  mniejsza  od 
napięcia  mierzonego,  to  przerzutnik  b

k

  odpowiadający  temu  krokowi 

pozostaje  w  stanie  “1”  i  odpowiadająca  mu  część  napięcia  U

k

  =  U

R

/2

k

 

pozostaje  włączona.  Jeśli  po  kolejnym  kroku  napięcie  kompensujące  jest 
większe od mierzonego (lub równe), to następuje skasowanie przerzutnika 
(b

=  0)  i  odłączenie  odpowiadającej  temu  krokowi  składowej  napięcia 

kompensującego. 

background image

CPS

31

CPS

2-31

przetwornik natychmiastowy typu „flash”

ośmiobitowym 

dwustopniowym 

przetworniku  typu  „flash”  po  wykonaniu 
kwantyzacji  zgrubnej  uzyskane  4-bitowe 
słowo  cyfrowe  (bardziej  znaczące  bity) 
jest  przetwarzane  na  wartość  analogową 
w 4-bitowym przetworniku c/a. Ta wartość 
jest 

odejmowana 

od 

sygnału 

wejściowego,  a  różnicę  poddaje  się 
przetworzeniu  a/c  w  drugim  4-bitowym 
przetworniku  „flash”  dającym  4  mniej 
znaczące bity wyniku przetwarzania.

-

+

-

+

-

+

-

+

R

R

R

R

R

U

WE

U

REF

r

Konwerte

r

kodów

Wyjście 
cyfrowe

jednostopniowy

komparatory

Układ 

S/H

„flash

4 bity

zgrubny

C/A

4 bity

Układ

zatrzaskowy

-

+

„flash

4 bity

dokładn

y

U

WE

rejestr

dwustopniowy

background image

CPS

32

CPS

2-32

parametry przetworników analogowo-cyfrowych

Najważniejszymi  parametrami  przetworników  analogowo-cyfrowych  są  te,  które  określają  dokładność  i 
szybkość  przetwarzania.  Przetwornik  analogowo-cyfrowy  ma  cechy  układu  cyfrowego  jak  i  układu 
analogowego.    Z  jego  właściwościami  jako  układu  cyfrowego  związany  jest  błąd  kwantyzacji  określający 
rozdzielczość przetwarzania, a z właściwościami analogowymi - błędy analogowe określające dokładność 
względna i bezwzględną. 

błąd analogowy

 

Błąd  analogowy  przetwornika  a/c,  tak  jak  każdego  układu  analogowego  składa  się  z  błędu  zera,  błędu 
czułości (wzmocnienia) i błędu nieliniowości. Dwie pierwsze składowe błędu analogowego definiowane są 
identycznie  jak  dla  innych  analogowych  układów  pomiarowych  i  wyrażane  w  wartościach  względnych  w 
stosunku  do  nominalnego  zakresu  przetwarzania.  Istotny  dla  użytkownika  jest  dodatkowy  błąd 
temperaturowy  tych  składowych.  Dla  temperatury  odniesienia  są  zwykle  skorygowane  do  pomijalnie 
małej wartości. 
Błąd  nieliniowości  (tz. 

nieliniowość  całkowa

)  określony  jest  jako  maksymalne  odchylenie  rzeczywistej 

charakterystyki  przetwarzania  (linia  łącząca  środki  przedziałów  zmian  napięcia,  przy  których  następuje 
zmiana kodu) od charakterystyki idealnej. Zmiana wartości kodu w  idealnym przetworniku następuje przy 
zmianie napięcia o 1 LSB (1 kwant). W rzeczywistym przetworniku istnieją lokalne różnice w stosunku do 1 
LSB (tzw. 

nieliniowość różnicowa

). Jeśli błąd ten jest większy od 1 LSB, to pojawia się efekt gubienia kodu.

Wypadkową  tych  trzech  składowych  błędu  jest 

błąd  podstawowy

  określony  jako  maksymalna 

różnica  pomiędzy  rzeczywistą  charakterystyką  przetwarzania  a 

 

charakterystyką  idealną 

(nominalną).

charakterystyka idealna

charakteryst

yka 

rzeczywista

brakujący kod

charakteryst

yka 

rzeczywista

charakterystyka idealna

nieliniowość całkowa

nieliniowość różniczkowa

background image

CPS

33

CPS

2-33

Błąd cyfrowy - 
błąd kwantyzacji

 

q

q

q

q

q

000

001

010

011

100

U

x

+½ q

-½ q

U

x

Zastąpienie  rzeczywistych  wartości  U

x

  odpowiednimi  wartościami 

dyskretnymi  wprowadza 

błąd  kwantowania

  zwany  też  ze  względu  na 

przypadkowy  charakter 

szumem  kwantowania

.  Średnia  wartość  błędu 

kwantyzacji  w  pełnym  zakresie  przetwarzania  jest  równa  zeru,  jeśli 
charakterystyka przetwarzania jest przesunięta o wartość q/2 w stosunku 
do początku układu współrzędnych.

Sygnał  mierzony  może  przyjmować  dowolną  wartość  pomiędzy  dwoma 
poziomami kwantowania  z jednakowym  prawdopodobieństwem (p=1/q). 
Stąd błąd kwantowania może być określony na przykład przez odchylenie 
standardowe (wartość skuteczną szumu kwantyzacji w woltach). 

12

2

2

2

2

q

dU

U

p

U

U

q

q

U

q

U

x

x

x

x

xi

xi

i

)

(

)

(

Często  przydatne  jest  określenie  (w  decybelach)  stosunku  wartości 
skutecznej sygnału wejściowego (dla pełnego zakresu przetwarzania) do 
szumu kwantyzacji (S/N).  Zależy on od kształtu napięcia wejściowego. 
W przypadku napięcia stałego unipolarnego 

8

10

02

6

12

2

20

12

2

20

,

,

)

lg

(lg

)

/

lg(

N

q

q

N

S

N

N

Rozdzielczość

  przetwornika  analogowo-cyfrowego  określa  najmniejszą  wartość  sygnału  wejściowego 

rozróżnianą  przez  przetwornik.  Może  być wyrażona  przez  wartość  napięcia  wejściowego  odpowiadającą 
najmniej znaczącemu bitowi słowa wyjściowego (1 LSB).

N

FS

U

q

2

W przypadku napięcia sinusoidalnego o amplitudzie międzyszczytowej 

q2

N

:

76

1

02

6

5

1

2

20

12

2

2

2

20

,

,

,

lg

)

/

lg(

N

q

q

N

S

N

N

Szybkość  przetwarzania

  określona  jest  przez  czas  niezbędny  do  przetworzenia  w  postać  cyfrową 

sygnału  analogowego    o  wartości  równej  pełnemu  zakresowi  przetwarzania. 

Częstotliwość 

przetwarzania

 jest w przybliżeniu równa odwrotności czasu przetwarzania.

background image

s

s

s

s

s

s

nt

kf

f

nt

nt

m

f

m

nt

f

nt

f





0

0

0

0

2

2

2

2

2

sin

sin

)

sin(

)

sin(

CPS

34

CPS

2-34

CPS

34

CPS

3-34

Przy próbkowaniu z częstotliwością f

s

 nie można odróżnić spróbkowanych wartości sygnału sinusoidalnego o 

częstotliwości f

0

 Hz od spróbkowanych wartości sygnału sinusoidalnego o częstotliwości (f

0

 +kf

s

) Hz.

niejednoznaczność sygnału dyskretnego w dziedzinie częstotliwości

Częstotliwość [kHz]

6 kHz

Po  dyskretyzacji  sygnału,  jego  widmo  jest  powielone.  Okres  pomiędzy  powielonymi  widmami 
wynosi zawsze f

s

Sygnał okresowy ma widmo dyskretne.    Sygnał dyskretny ma widmo okresowe.

Częstotliwość [kHz]

Częstotliwość [kHz]

[s]

f

0

=

7

k

H

z

[s]

f

s

=

6

k

H

z

[s]

background image

Widmo sygnału okresowego 

poliharmonicznego

Po spróbkowaniu, każdy prążek widma jest 

powielony okresowo z okresem f

s. 

Odtworzenie sygnału oryginalnego wymaga 

odfiltrowania powielonych segmentów widma 

przez filtr dolnoprzepustowy.

f

g

-f

g

f

g

-f

g

f

f

g

-f

g

f

f

Charakterystyka idealnego filtru 

dolnoprzepustowego o częstotliwości odcięcia f

g

.

Jeśli  częstotliwość  próbkowania  jest  co 
najmniej  dwa  razy  większa  od  częstotliwości 
najwyższej 

harmonicznej 

sygnale 

próbkowanym, 

to 

istnieje 

możliwość 

bezbłędnego  odtworzenia  sygnału  przez 
filtrację jego próbek.

f

f

g

-f

g

f

s

f

s

>2f

g

f

s

/2

Jeśli  częstotliwość  próbkowania  nie  spełnia 
powyższego warunku, niemożliwe jest wierne 
odtworzenie  widma  sygnału  oryginalnego 
bez względu na dobór częstotliwości odcięcia 
filtru.  Fragmenty  sąsiednich  segmentów 
widma  zachodzą  na  siebie  powodując  ich 
zniekształcenie.  Zjawisko  nakładania  się 
widm często nazywane jest 

aliasingiem.

 

f

g

-f

g

f

f

f

s

/2

CPS

2-35

CPS

3-35

aliasing

f

s

<2f

g

background image

CPS

2-36

CPS

3-36

Twierdzenie Kotielnikowa-Shannona o próbkowaniu

Jeśli  sygnał  nie  może  zmieniać  się  zbyt  szybko,  to  na  odcinki 
sygnałów  łączące  dwie  sąsiednie  próbki  są  narzucone  pewne 
więzy. Na więzy te wpływają także wartości dalszych próbek. Im 
próbki  leżą  bliżej  siebie  tym  więzy  te  są  silniejsze.  Przy 
wystarczająco bliskim położeniu więzy te mogą być tak silne, że 
przez próbki można wykreślić sygnał tylko na jeden sposób. Tak 
więc  intuicyjnie  można  przyjąć,  że  przy  ograniczonej  szybkości 
zmian  sygnału  (w  sygnale  nie  ma  harmonicznych  powyżej 
pewnego progu) i przy dostatecznie gęstym próbkowaniu istnieje 
możliwość odtworzenia sygnału na podstawie jego próbek.

Twierdzenie o próbkowaniu

 

Niech x(t) będzie sygnałem, którego widmo X(

) spełnia warunek 

m

X

     

dla

     

0

)

(

Sygnał x(t) jest równoważny zbiorowi swoich próbek odległych od siebie o stały przedział

m

T

to znaczy

m

T

n

nT

x

t

x

,

,

,

);

(

)

(

1

0

background image

CPS

2-37

CPS

3-37

Dowód

Widmo  sygnału  poddane  zostanie  dwóm  wzajemnie  znoszącym  się  operacjom.  Najpierw 
operacji  powielenia  okresowego  przez  splecenie  widma  w  dziedzinie  częstotliwości  z 
dystrybucją grzebieniową. Powstaje w ten sposób widmo o okresie 2

m

 równym odstępowi 

między impulsami Diraca w dystrybucji grzebieniowej. Następnie widmo to poddawane jest 
operacji  idealnej  filtracji  poprzez  pomnożenie  go  przez  charakterystykę  idealnego  filtru 
dolnoprzepustowego o pulsacji odcięcia 

m

.









m

m

m

III

X

X

2

2

2

1

)

(

)

(

Dokonując odwrotnego przekształcenia Fouriera obu stron powyższego równania otrzymuje 

się

 

1

2

1

2



n

m

m

m

m

t

Sa

nT

t

nT

x

t

Sa

T

t

III

T

t

x

t

Sa

T

t

III

t

x

t

x

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

m

m

T

2

2

)

(

)

(

0

0

0

2

t

Sa

T

III

T

t

III

T

2

         

1

0

0

)

(

)

(

Uwzględniając właściwości splotu dystrybucji Diraca z dowolną funkcją 

)

(

)

(

)

(

0

0

t

t

x

t

t

t

x

ostatecznie otrzymuje się



n

m

nT

t

Sa

nT

x

t

x

)

(

)

(

)

(

Udowadnia to tezę twierdzenia o próbkowaniu. 

Znajomość wartości próbek sygnału wystarcza do odtworzenia pozostałych wartości 

sygnału.

background image

CPS

2-38

CPS

3-38

CPS

2-38

CPS

3-38

Odtwarzanie sygnału na podstawie próbek

 

t

x

 

 

p

p

p

T

t

III

T

1

t

x

nT

x

 

p

m

p

nT

t

Sa

nT

x

 

 

N

1

p

m

p

nT

t

Sa

nT

x

t

x

Na  wyjściu  filtru  następuje  sumowanie  odpowiedzi  na  ciąg  próbek  reprezentujących  sygnał 
ciągły. Przy zachowaniu wymagań wynikających z twierdzenia Kotielnikowa-Shannona  (

idealne 

próbkowanie i idealna filtracja

) sygnał wyjściowy filtru jest identyczny z sygnałem wejściowym. 

sygnał oryginalny

próbki sygnału oryginalnego

odpowiedź idealnego 
filtru na kolejne próbki

sygnał odtworzony jako 
suma odpowiedzi 
idealnego filtru na 
próbki sygnału

background image

CPS

2-39

CPS

3-39

próbkowanie pasmowe - podpróbkowanie

Struktura  częstotliwościowa  powielonego  widma 
jest  identyczna  jak  struktura  częstotliwościowa 
sygnału  oryginalnego.  Zmienione  jest  tylko 
położenie widma na osi częstotliwości. Tak więc na 
podstawie  próbek  pobieranych  z  częstotliwością 
znacznie  mniejszą  od  częstotliwości  Nyquista 
można  wiernie  odtworzyć  informację  zawartą  w 
sygnale 

pasmowy 

pod 

warunkiem, 

że 

częstotliwość 

„podpróbkowania” 

spełnia 

następujący warunek: 

W  praktyce  występują  sygnały,  których  widmo 
jest  skupione  wokół  pewnej  częstotliwości 
środkowej  f

C.

  i  zajmuje  pasmo  B  znacznie 

mniejsze  od  od  f

C.

  Wykorzystując  właściwość 

okresowego  powielenia  widma  sygnału  po  jego 
spróbkowaniu, można odtworzyć sygnał pasmowy 
bez 

konieczności 

próbkowania 

go 

częstotliwością spełniającą warunek Kotielnikowa-
Shannona. 

1

2

2

m

B

f

f

m

B

f

C

S

C

gdzie m jest liczbą 
naturalną taką, że

-f

C

f

C

częstotliwość [MHz]

f

SMIN

=f

SMAX

=2B

m=6

f

SMAX

=2f

C

-B=60MHz

-f

C

f

C

częstotliwość [MHz]

m=1

f

SMIN

=f

C

+B/2=35MHz

-f

C

f

C

częstotliwość [MHz]

m=1

B

f

S

2

f

= 32,5 MHz,

B = 5 MHz

2B = 10 MHz

f

SMIN

f

SMAX

C

st

o

tl

iw

o

ść

 [

M

H

z]

B

-f

C

f

C

częstotliwość [MHz]

Widmo sygnału pasmowego

przed próbowaniem

f

= 32,5 MHz, B = 5 MHz

background image

CPS

2-40

CPS

3-40

Z  twierdzenia  Kotielnikowa-Shannona  wynika  teoretyczna  możliwość  przekazywania  informacji  zawartej 
w  sygnale  ciągłym  za  pomocą  jego  próbek,  przy  założeniu,  że  sygnał  ma  ograniczone  widmo  (f

g

)  i 

próbkowany  jest  z  częstotliwością  f

s

  nie  mniejszą  niż  2f

g. 

Należy  jednak  zdawać  sobie  sprawę  z  różnicy 

między teorią a fizyczną rzeczywistością. Istnieją trzy zasadnicze rozbieżności:

 Sygnały rzeczywiste mają widmo nieograniczone (kryterium 

Paleya-Wienera)

 Impulsy Diraca są nierealizowalne w praktyce

 Idealny filtr dolnoprzepustowy jest nierealizowalny w praktyce

próbkowanie rzeczywiste

Widmo  każdego  sygnału  fizycznego  ma  charakter 
malejący  ze wzrostem częstotliwości i przyjmuje wartości 
pomijalnie  małe  powyżej  pewnej  częstotliwości  f

g. 

różnej 

dla różnych sygnałów. Ponadto, często znane jest pasmo, 
w  którym  zawarta  jest  użyteczna  informacja.  W  celu 
uniknięcia  aliasingu,  sygnał  ciągły  przed  próbkowanie 
poddawany  jest  filtracji  przez  tzw. 

filtr  antyaliasingowy 

arbitralnie  ustalonej  częstotliwości  odcięcia  f

g

.  W  wyniku 

działania 

filtru 

na 

układ 

próbkująco-pamiętający 

podawany  jest  sygnał,  w  którym  praktycznie  występują 
tylko harmoniczne zawierające użyteczną informację. 

filtr 

antyaliasingowy

f

f

g

-
f

g

f

widmo sygnału

 za filtrem 

antyaliasingowy

m

-f

g

 ... f

g

pasmo, w 

którym 

przenoszona 

jest informacja

f

f

g

-
f

g

przed próbkowaniem

f

f

g

-
f

g

f

s

f

s

/2

po próbkowaniu

Taki sygnał może być próbkowany z częstotliwością równą co najmniej 2f

bez 

obawy, że nastąpi nakładanie się sąsiednich segmentów widma.

rzeczywiste widmo sygnału

background image

CPS

2-41

CPS

3-41

W  praktycznej  realizacji  próbkowania,  idealna  dystrybucja  grzebieniowa  (niemożliwa  do 
zrealizowania)  zastępowana  jest  prostokątną  falą  nośną  (możliwą,  w  przybliżeniu,  do 
zrealizowania). W takim przypadku widmo sygnału próbkowanego splatane jest z widmem 
fali  prostokątnej.  Widmem  fali  prostokątnej  jest  ciąg  impulsów  widmowych  oddalonych  o 
1/t

s

, których obwiednią jest funkcja typu Sa.

t

g

s

f

2

1

t 

A

t

t

f

f

)

t

n

(

Sa

t

A

)

nf

(

X

s

s

s

f

1

s

t

1

 

Widmo  sygnału  spróbowanego  falą  prostokątną  jest  ciągiem  oddalonych  od  siebie  o  2f

g

 

segmentów  widmowych,  z  których  każdy  jest  tego  samego  kształtu  co  widmo  sygnału   
informacyjnego.  Odtworzenie  sygnału  informacyjnego  jest  możliwe  za  pomocą  filtru  o 
częstotliwości odcięcia równej f

g

.

Sygnał informacyjny

Widmo sygnału informacyjnego

rzeczywisty kształt impulsów próbkujących

background image

CPS

2-42

CPS

3-42

Kolejne folie 

przygotowaniu

background image

CPS

2-43

CPS

3-43

CYFROWA ZMIANA SZYBKOŚCI PRÓBKOWANIA

Zmiana  użytkowej  częstotliwości  próbkowania  dokonywana  na  zbiorach  liczb  reprezentujących  próbki 
rzeczywistego sygnału. Stosowana jest wtedy, gdy częstotliwość fizycznego próbowania sygnału nie jest 
odpowiednia  (za  duża  lub  za  mała)  dla  realizacji  konkretnego  algorytmu  cyfrowego  przetwarzania 
sygnałów. 

decymacja - 

zmniejszenie szybkości próbkowania o dowolny czynnik całkowity (D)

Wynik 

decymacji 

jest 

identyczny 

wynikiem 

rzeczywistego  prób-kowania 
z częstotliwością f

NEW

.

Granica,  do  której  można 
prowadzić 

decymację 

wynika  z  twierdzenia  o 
próbkowaniu, 

to 

znaczy 

f

NEW

>2B. 

Zapewnia 

to 

uniknięcie aliasingu. 

t

f

f

OLD

n

OLD

t

f

f

NEW

n

NEW

D

f

f

D

N

N

OLD

NEW

OLD

NEW

,

interpolacja - 

zwiększenie szybkości próbkowania o dowolny czynnik całkowity (I)

Decymacja  polega  na  odrzuceniu  pewnej  liczby  ze  zbioru  próbek  tak  aby  powstał  nowy  zbiór  o  liczbie 
próbek D razy mniejszej.(D jest liczbą całkowitą). Dla N próbek ponumerowanych od p(0) do p(N-1) przy 
decymacji o czynnik D pozostawiane są próbki p(Dn), gdzie n=0,1,2,3 itd.  

Interpolacja o czynnik całkowity I polega na obliczeniu (I-1) nowych wartości 
próbek  równomiernie  rozłożonych  pomiędzy  sąsiednimi  próbkami 
pochodzącymi  z  fizycznego  procesu  próbkowania.  Cyfrowa  filtracja  (filtr 
interpolacyjny)  umożliwia  obliczenia  wartości  próbek  w  dyskretnych 
chwilach czasu.

Połączenie interpolacji z decymacją umożliwia przetworzenie zbioru rzeczywistych próbek sygnału 
pobranych  z  częstotliwością  f

OLD

  w  zbiór  próbek  tego  samego  sygnału  odpowiadających 

próbkowaniu z częstotliwością 

OLD

NEW

OLD

NEW

If

f

IN

N

,

OLD

NEW

f

D

I

f

background image

CPS

2-44

CPS

3-44


Document Outline