background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

1

Ćwiczenie 3 i 4 

 

PRÓBKOWANIE I ANALIZA WIDMOWA SYGNAŁÓW  

 

J. Walczak, P. Świszcz  

 

 

Celem  ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi ideami i twierdzeniami dotyczącymi 

próbkowania sygnałów a także odtwarzania sygnałów na podstawie znanych ciągów próbek. 

Innym celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami analizy widmowej sygnałów, a w 

szczególności z zastosowaniem do tej analizy dyskretnego (DFT) i szybkiego (FFT) 

przekształcenia Fouriera.  

 

 

1. Wprowadzenie  

Tematyka  ćwiczenia dotyczy dwóch ważnych i ściśle ze sobą powiązanych działów teorii 

sygnałów: teorii próbkowania i metod analizy widmowej. Niektóre najważniejsze z 

problemów dotyczących rozpatrywanych w ramach ćwiczenia zagadnień omówiono poniżej 

w sposób skrótowy, dokładna analiza tych zagadnień opisana jest w pracy [1]. 

 

 

1.1. Próbkowanie sygnałów  

Polega ono na przekształceniu sygnału ciągłego w równoważny sygnał dyskretny (rys.1) a 

następnie w sygnał cyfrowy.  

f(t)

t

0

f(h)

h

0

1

2

3

4

5 ...

 

Rys.1. Próbkowanie sygnału ciągłego 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

2

Przekształcenie takie powinno umożliwić odtwarzanie sygnału ciągłego f(t) na podstawie 

znajomości próbek f[n] sygnału dyskretnego z dowolną dokładnością. Warunki przy których 

możliwe jest odtworzenie sygnału wiążą się  ściśle z właściwościami szeregu Shannona-

Kotielnikowa i twierdzeniem Shannona-Kotielnikowa.  

 

1.1.1. Szereg Shannona-Kotielnikowa  

W teorii próbkowania sygnałów o ograniczonej energii szczególne znaczenie posiada funkcja 

S

a

 (rys.2)  

 

Sa

t

t

t

dla t

dla t

(

)

sin

,

.

ω

ω

ω

0

0

0

0

1

0

=

=



 (1) 

 

Rys.2. Funkcja S

 

Zbiór funkcji S

a

 oznaczony przez  {e

n

} określony wzorem:  

 

(

)

e

f S

f

t hT) h

h

m

a

m

=

= ± ±

2

2

0 1 2

π (

,

, , … (2) 

gdzie:  

f

m

 - częstotliwości Nyquista (por. rozdz.1.1.2) 

T=(2f

m

)

-1

 

jest ortogonalny w przestrzeni sygnałów o ograniczonej energii lecz nie jest zupełny. Szereg 

Fouriera (uogólniony) wykorzystujący bazę {e

h

} (2) funkcji S

a

 nosi nazwę szeregu Shannona-

Kotielnikowa i jest określony wzorem:  

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

3

 

(

)

f t

f h S

f t hT

a

m

h

h

( )

[ ]

(

)

=

= −∞

=∞

2

π

 (3) 

Współczynniki f[h] tego szeregu są próbkami sygnału f(t) w chwilach czasu hT 

 

f h

f t

f hT

t hT

[ ]

( )

(

)

=

=

=

, (4) 

gdzie 

T - okres próbkowania  

 

Poprzez wykorzystanie funkcji e

n

 (2) (rys.3) oraz próbek sygnału f[h] możliwe jest 

odtworzenie sygnału ciągłego na podstawie próbek 

 

Rys.3. Zmodyfikowane funkcje 

S

e

a

n

{ }

=

 

 

Warunki przy których możliwe jest odtworzenie sygnału na podstawie próbek określa 

fundamentalne twierdzenie Shannona-Kotielnikowa.  

 

1.1.2. Twierdzenie Shannona-Kotielnikowa  

Twierdzenie to dla przypadku próbkowania równomiernego (ze stałym odstępem czasu T, 

rys.4) wyrazić można w następujący sposób:  

Jeżeli f(t) jest sygnałem o ograniczonym widmie F(j

ω):  

 

F j

dla

dla

m

m

(

)

ω

ω ω

ω ω

=

<

=




0

0

 (5) 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

4

to sygnał ten można przedstawić z dowolną dokładnością za pomocą szeregu Shannona-

Kotielnikowa. Próbki sygnału f(t) muszą być równoodległe o stały przedział próbkowania T, 

taki że:  

 

T

f

m

m

=

π

ω

1

2

 (6) 

Częstotliwość 

ω

m

 nazywamy częstotliwością Nyquista a czas T granicznym czasem 

próbkowania. Ilustrację cytowanego twierdzenie przedstawiono na rys.4, natomiast jego 

dowód zamieszczone w pracy [1]. 

f(t)

t

|F(j

ω)|

ω

−ω

m

ω

m

0

0

f(hT)

π

ω

m

T 2T

4T

6T

8T

0

hT

T

2T

4T

6T

8T

 

Rys.4. Ilustracja twierdzenia o próbkowaniu. 

 

W sytuacjach praktycznych rozważa się dwa przypadki próbkowania  

 

f

T

f

m

0

1

2

= >

 (7) 

 

f

T

f

m

0

1

2

= <

 (8) 

Przypadek (7) spełnia założenia twierdzenia Shannona-Kotielnikowa w przeciwieństwie do 

przypadku opisanego wzorem (8). Jeżeli częstotliwość próbkowania f

o

 spełnia warunek (8), to 

występuje efekt nakładania się widma sygnału odtwarzanego nazywany aliasingiem, co 

prowadzi w efekcie do błędnego odtwarzania sygnałów. Okresowe powielanie widma sygnału 

odtwarzanego jest spowodowane operacja próbkowania sygnału. Ilustrację twierdzenia o 

próbkowaniu dla przypadków opisanych wzorami (7), (8) pokazano na rys.5. W sytuacji gdy 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

5

niemożliwe jest spełnienie warunku (7) co zachodzi na przykład gdy sygnał f(t) posiada 

nieograniczone widmo, konieczne jest zastosowanie filtru dolnoprzepustowego o częstości 

odcięcia 

ω

g

≥ω

m

 , przez co ograniczyć można błędy odtwarzania sygnałów spróbkowanych. 

|F(jω)|

ω

−ω

m

ω

m

0

ω

−ω

m

ω

m

0

F'(jω)

ω

0

ω

−ω

1

ω

1

0

|F(jω)|

ω

−ω

m

ω

m

0

(        )

ω

ω

m

1

ω

m

ω

m

Π

(        )

ω

1

1

−2ω

m

−3ω

m

m

m

−ω

1

−ω

0

ω

1

ω

0

1

ω

1

ω

0

−ω

1

−ω

0

−ω

m

−ω

1

ω

m

−ω

0

−ω

0

−ω

m

ω

0

ω

0

m

|F(jω)|

ω

−ω

m

ω

m

0

ω

−ω

m

ω

m

0

F'(jω)

ω

0

ω

−ω

1

ω

1

0

|F(jω)|

ω

0

(        )

ω

ω

0

1

ω

0

ω

m

Π

(        )

ω

1

1

1

−ω

1

−ω

m

−ω

0

−2ω

0

ω

0

0

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

j)

f

> 2fm

f

< 2fm

1

1

 

Rys.5. Ilustracja twierdzenia o próbkowaniu - przypadki niekrytyczne. 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

6

Błędy te są zależne (rys.6) od różnicy powierzchni pod charakterystykami widmowymi 

sygnału pierwotnego f(t) i sygnału spróbkowanego 

|F(jω)|

ω

−ω

m

ω

m

0

|F(j

ω)|

|F(jω)|

Sygnał pierwotny f(t)

Sygnał próbkowany f(t)

~

~

 

Rys.6. Widmo sygnału pierwotnego i spróbkowanego 

 

Inne przyczyny błędów odtwarzania sygnałów spróbkowanych to:  

•  przyjęcie założenia o istnieniu charakterystyki idealnego filtru dolnoprzepustowego, 
•  charakter impulsów próbkujących, które nie stanowią ciągu idealnych impulsów Diraca 

lecz są sygnałem okresowym prostokątnym, rys. 7.  

 

ω

−ω

m

ω

m

0

ω

1

ω

0

|F(jω)|

−ω

1

−ω

0

|K(jω)|

ch-ki filtru

 

Rys.7. Ilustracja próbkowania nieidealnego 

 

Analizę wymienionych błędów przeprowadza się najczęściej metodami numerycznymi.  

 

1.2. Analiza widmowa sygnałów  

Analiza widmowa dotyczy wszystkich występujących w technice sygnałów, do których 

zalicza się: sygnały o ograniczonej energii, sygnały o ograniczonej mocy średniej, sygnały 

okresowe, prawie okresowe, impulsowe a także stochastyczne. Celem metod widmowych jest 

analiza właściwości sygnałów i układów a także ich synteza z wykorzystaniem charakterystyk 

częstotliwościowych. Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów definiowane są w różny 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

7

sposób w zależności od klasy przebiegu których one dotyczą. Krótki przykład tych 

charakterystyk przedstawiono poniżej.

1

 

 

 

1.2.1. Widmo Fouriera sygnałów okresowych  

Każdy sygnał okresowy całkowalny z kwadratem a zatem należący do przestrzeni sygnałowej  

L

T

2

 można przedstawić w postaci szeregu Fouriera:  

 

f t

F e

F e

h

jh

t

h

h

n

jh

t

h

( )

Re

=

=

= −∞

=∞

=

ω

ω

0

0

0

 (9) 

gdzie:  

 

ω

π

0

2

=

T

,  T - okres przebiegu  

(10) 

 

F

T

f t e

dt h

h

jh

t

T

=

= ± ±

1

0 1 2

0

0

( )

,

, , ,

ω

…  (11) 

 

F

F

F e

h

h

h

j

n

=

=

2

2

ϕ

 (12) 

Widmem sygnału okresowego f(t) nazywamy zbiory {F

h

, h=0,

±1, ±2...},  { ,

, , ,...}

F h

h

= 0 1 2

Podobnie widmem amplitudowym nazywamy zbiory {

,

, , ,...}

F

h

h

= ± ±

0 1 2

{

,

, , ,...}

F

h

h

= 0 1 2

 natomiast widmem fazowym nazywamy zbiory {arg F

h

, h=0,

±1,±2...}, 

{arg

,

, , ,...}

F h

h

= 0 1 2

, przy czym:  

 

arg

arg

arg

F

F

F

h

h

h

=

=

 . 

(13) 

Przykładowe widma   F i F

h

h

  sygnału okresowego pokazano na rys.8, 9 

                                                 

1

 Bez uwzględnienia charakterystyk dystrybucyjnych sygnałów, por. [1]. 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

8

|F

h

|

|F

1

|

|F

-4

|

|F

4

|

|F

3

|

|F

2

|

|F

0

|

|F

-3

|

|F

-2

|

|F

-1

|

h

1

2

3

4

-h

-1

-2

-3

-4

0

arg F

h

h

1

2

3

4

-1

-2

-3

-4

0

arg F

1

arg F

6

5

6

-5

-6

arg F

-1

arg F

-6

a)

b)

 

Rys.8. Widma F

h

 sygnału okresowego 

 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

9

h

1

2

3

4

0

5

6

h

1

2

3

4

0

5

6

7

a)

b)

|F

h

|

arg F

h

 

Rys.9. Widma   F

h

  sygnału okresowego 

 

Widma sygnałów okresowych mają zawsze charakter dyskretny, przy czym poszczególne 

prążki widma są rozmieszczane na osi częstotliwości w jednakowej odległości pomiędzy 

sobą.  

Szereg Fouriera (9) jest powszechnie wykorzystywany w teorii obwodów elektrycznych do 

analizy układów z przebiegami okresowymi i niesinusoidalnymi.  

 

 

1.2.2. Widmo Fouriera sygnałów nieokresowych o skończonej energii 

Widmem Fouriera F(j

ω) sygnału f(t) o skończonej energii nazywamy transformatę Fouriera 

tego sygnału:  

 

{ }

F j

f t

f t e

dt

j t

(

)

( )

( )

ω

ω

=

=

−∞

F

 (14) 

gdzie:  

F - symbol transformaty Fouriera.  

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

10

Transformata Fouriera F(j

ω) sygnału f(t) jest funkcją zespoloną zmiennej rzeczywistej ω i 

może być przedstawiona w postaci wzoru:  

 

F j

F j

e

F j

e

j

F j

j

j

(

)

(

)

(

)

arg (

)

(

)

ω

ω

ω

ω

ϕ ω

=

=

 (15) 

 

Funkcje  

F j

(

)

ω

 i 

ϕ(jω) nazywamy widmem amplitudowym i fazowym sygnału f(t). 

Wykresy tych funkcji nazywamy charakterystykami Bodego sygnału a wykres funkcji F(j

ω) 

na płaszczyźnie zespolonej Gaussa nazywamy charakterystyką Nyquista sygnału.  

Przykładowo dla sygnału jednostronnie wykładniczego  

  f t

e

a

dla t

dla t

at

( )

,

=

>

>

<




0

0

0

0

 (16) 

widmo F(j

ω) określa wzór:  

 

F j

a ju

a

e

jarctg

a

(

)

ω

ω

ω

=

+

=

+

1

1

2

2

 (17) 

Sygnał (16) i jego charakterystyki widmowe przedstawiono na rys.10. 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

11

t

ω

ω

f(t)

|F(jω)|

ϕ(ω)

π
2

π
2

1
2

1

0

0

0

 

Rys.10. Funkcja jednostronnie wykładnicza i jej charakterystyki widmowe 

 

Widma sygnałów nieokresowych o skończonej energii mają zawsze charakter funkcji 

ciągłych. Charakterystyki widmowe wielu częściej występujących sygnałów podano w pracy 

[1]. 

 

1.2.3. Dyskretny szereg Fouriera  

Przy obliczeniach numerycznych szeregu Fouriera (9), (11) należy:  

•  sumę nieskończoną (9) zastąpić sumą skończoną, 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

12

•  całkę (11) aproksymować sumą skończoną, 

•  przy obliczeniach uwzględniać tylko skończoną liczbę wartości funkcji f(t), 

e

jh

t

ω

0

 . 

Tak więc przy obliczeniach numerycznych operuje się na ciągach próbek sygnału  

f(m)=f(mT

0

),  m=0,1,2,.., N-1 równoodległych względem siebie o przedział czasowy T

0

:  

 

T

T

N

0

=

 , 

(18) 

gdzie:  

T - okres sygnału,  

N - liczba próbek. 

Dla ustalonego przedziału czasowego T

o

 (okresu próbkowania sygnału) pobór większej liczby 

próbek sygnału niż N nie wnosi żadnej dodatkowej informacji o sygnale f(t) z uwagi na jego 

okresowość, rys.11.  

 

f(t)

f(h)

t

h

T

0

2T

0

4T

0

(N-1)T

0

N

0

0

1 2

T

2T

-T

N-1

 

Rys.11. Funkcje f(t), f(m) 

 

Podstawiając we wzorze (9) t=mT

0

 uzyskuje się zależność pomiędzy ciągiem próbek sygnału 

a ciągiem współczynników F

h

 szeregu Fouriera  

 

f mT

f m

F e

F W

h

j

N

hm

h

M

h M

h

hm

h

M

h M

(

)

( )

0

2

=

=

=

= −

=

=−

=

π

 (19) 

przy czym:  

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

13

 

h

M

m

N

N

M

w e

j

N

= ± ±

±

=

+

=

0 1 2

0 1

1

2

1

2

, , ,..,

, , ,

π

 (20) 

W dalszym ciągu przybliżając (aproksymując) całkę (11) sumą skończoną uzyskujemy:  

 

F

T

T f mT e

T

f m w

h

jh

T

T m

m

N

hm

m

N

=

=

=

=

1

1

0

0

2

0

1

0

1

0

(

)

( )

π

 (21) 

Wzory (19), (21) wiążą ciągi współczynników Fouriera F

n

 sygnału z ciągami próbek tego 

sygnału. Można zauważyć,  że ciąg współczynników Fouriera F

h

 obliczony na podstawie 

wzoru (21) jest okresowy (rys.12) i zawiera 2M+1 różniących się wyrazów co wynika z 

okresowości funkcji w

hm

  (20).  

 

m T

0

0

N

1 2 3

T

T

0

f(m)

0

+M

1 2

|F

h

|

h

-M

-1

-2

0

M

1 2

h

-M

-1

-2

arg F

h

 

Rys.12. Szereg Fouriera ciągu okresowego f(m) 

 

Odwzorowania (19), którego współczynniki określa wzór (21) nazywamy dyskretnym 

szeregiem Fouriera.  

Szereg ten wykorzystuje się przy obliczaniu współczynników Fouriera sygnałów okresowych 

na podstawie ciągu próbek tych sygnałów.  

Na podstawie wzorów (19), (21) można zauważyć,  że w przypadku funkcji okresowych 

zawierających co najwyżej M harmonicznych dyskretny szereg Fouriera odtwarza te funkcje 

z zerowym błędem. Dla funkcji okresowych mających nieskończone widmo harmonicznych 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

14

w szeregu (19) nie zostają uwzględnione harmoniczne o numerach większych niż M. 

Ponieważ (por. (20)):  

 

2

1

2

M

N

M

N

+ ≤

<

 (22) 

to poprzez zwiększenie liczby próbek w okresie dokładność aproksymacji można dowolnie 

zwiększać.  

1.2.4. Dyskretna transformata Fouriera  

Polega ona na innej interpretacji wzorów (19), (21) opisujących dyskretny szereg Fouriera, 

który omówiono w poprzednim punkcie.  

Niech funkcja f(t) w przedziale obserwacji T (rys.13) opisana jest ciągiem próbek f(m), 

m=0,1,2,..,N-1. Rozróżnić należy dwa przypadki (rys.13). 

1.  Funkcja f(t) jest okresowa o okresie T. W tym przypadku funkcja ta opisywana jest 

szeregiem dyskretnym Fouriera (19), którego współczynniki określa wzór(21). 

2.  Funkcja f(t) jest nieokresowa lecz w przedziale obserwacji T (którego nie należy 

utożsamiać z okresem, rys.13) jest ona opisana tym samym ciągiem próbek co funkcja 

okresowa z punktu 1. Tym samym ciągowi czasowemu f(m) próbek funkcji f(t) zostaje 

przyporządkowany ciąg współczynników zespolonych F

n

. Ciąg ten nosi nazwę dyskretnej 

transformaty Fouriera sygnału f(t) 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

15

f(t)

t

m

0

f(t)

t

N

0

1 2 3

N

1 2 3

m

T = NT

0

 

Rys.13. Interpretacja dyskretnego szeregu Fouriera i dyskretnej transformaty Fouriera 

 

Dyskretną transformatę Fouriera (DFT) można więc zdefiniować w następujący sposób:  

Niech będą dane dwa ciągi:  

•  liczb rzeczywistych (czasowy) a

0

, a

1

,.., a

N-1

  

•  liczb zespolonych A

0

, A

1

, .., A

n-1

 

o jednakowej liczebności N. 

Odwzorowania:  

 

A

a w

h

N

h

m

mh

m

N

=

=

=

0

1

0 1

1

,

, ,...,

 (23) 

 

a

A w

m

N

m

h

mh

h

m

=

=

=

0

1

0 1

1

,

, ,...,

 (24) 

nazywamy odpowiednio prostym i odwrotnym dyskretnym przekształceniem Fouriera (DFT). 

 

1.2.5. Szybka transformata Fouriera FFT 

Obliczenia numeryczne dyskretnej transformaty Fouriera według wzorów (23), (24) 

wymagają wykonania N-1 operacji mnożenia oraz jednego dodawania N-1 składników 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

16

 

A

a

a w

a w

a

w

h

m

m

N

m N

=

+

+

+ +

0

1

2

2

1

1

(

)

 (25) 

czyli prawie N

2

 operacji mnożenia. Dla ciągów zawierających dużą liczbę wyrazów n oraz 

wielokrotnych obliczeń (DFT) wydłuża to znacznie czas obliczeń. Redukcję liczby mnożeń 

umożliwiają algorytmy numeryczne noszące nazwę szybkich transformat Fouriera 9FFT). 

Omawianie tych algorytmów nie jest celem ćwiczenia. Można wykazać, że dla liczby próbek 

 

N

s

s

=

=

2

3 4

,

, ,...

 (26) 

całkowita liczba mnożeń może być zredukowania do wartości (N log

2

N)/2.  

 

2. Opis układu pomiarowego  dla ćwiczenia C3 (Próbkowanie sygnałów

Schemat ideowy stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys.14. Stanowisko to składa się 

z następujących bloków funkcyjnych  

•  generatora sygnałowego napięcia sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego o 

regulowanej amplitudzie i częstotliwości,  

•  karty pomiarowej PC-LAB sprzężonej z komputerem IBM PC wyposażonym w niezbędne 

oprogramowanie.  

 

Generator 
sygnałowy 

Generator 
specjalizowany
 przebiegów 
odkształconych

Karta
pomiarowa
PC LAB

IBM PC

Oprogramowanie
- karty pomiarowej
- PC DSP
- do odtwarzania sygn.

 

Rys.14. Schemat ideowy stanowiska. 

 

Sygnały z generatora sygnałowego lub/i generatora przebiegów odkształconych 

doprowadzane są do karty pomiarowej skąd w postaci plików ASCII są zapisywane na dysku 

komputera. Dalsza obróbka tych plików przeprowadzana jest na drodze programowej z 

background image

 

 

Materiały dydaktyczne powielane

 

17

wykorzystaniem pakietu PC DSP oraz specjalnego programu do odtwarzania sygnałów 

analogowych z próbek. 

 

3. Opis układu pomiarowego  dla ćwiczenia C4 (Analiza widmowa sygnałów

Stanowisko to składa się z następujących przyrządów: 

•  generatora sygnałowego napięcia sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego o 

regulowanej amplitudzie i częstotliwości , 

•  analizatora widma, 
•  oscyloskopu. 

 

 

Literatura  

1.  Szabatin J.: Podstawy teorii sygnałów. WKŁ, Warszawa 1982. 

2.  Papoulis A.: Sygnały i układy. WKŁ, Warszawa 1988.