Концепция аналитического сигнал в радиотехнике

Содержание

Слайд 2

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Лекция № 4
Концепция аналитического сигнал в радиотехнике.
Учебные вопросы:
Свертка сигналов.
Квадратурный и cопряженный сигнал.
Аналитический сигнал и его спектр.
Преобразование Гильберта.

Слайд 3

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Литература:

Стр. 44..46; 47..50; 76..84.

Используя MathCAD , рассчитать и построить АКФ двумя способами:
1) по определению АКФ;
2) с использованием ОПФ от энергетического спектра ;
для импульсных сигналов:
Четные номера : треугольный и косинусоидальный .
Нечетные номера : пилообразный и SINC-образный (5).

Слайд 4

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

РТЦ и С Лекция #4

Сигнал на выходе линейной системы

ЛС
(фильтр)

δ(t)

g(t)

s(t)

y(t)=s(t) g(t)

ИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

СВЕРТКА

ННУ

Частотная характеристика линейной системы

Вопрос 1. Свертка сигналов

Слайд 5

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Под сверткой понимается математическая операция , которая выполняется в соответствии со следующим алгоритмом:
Второй сигнал отображается зеркально симметрично.
Второй сигнал задерживается по времени от – ∞ до +∞ .
Для каждого времени задержки находится произведение с первым сигналом.
Результаты произведений , полученные при каждом времени задержки суммируются.

Свертка двух сигналов во временной и частотной области

Слайд 6

Свойства свертки Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4 коммутативность дистрибутивность ассоциативность

Свойства свертки

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

коммутативность

дистрибутивность

ассоциативность

Слайд 7

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Выполнение свертки в частотной области

X

s(t)

g(t)

S(jω)

G(jω)

y(t)

ППФ

ППФ

ОПФ

Если второй сигнал является зеркальной комплексно-сопряженной копией первого сигнала , то результатом свертки таких сигналов является АКФ сигнала.

Согласно свойства преобразования Фурье свертке во временной области соответствует перемножение спектров двух сигналов в частотной области.

Слайд 8

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Математический и Физический спектр непериодического сигнала

Сопоставим комплексную и амплитудно фазовую формы ОПФ
Учитывая чётность модуля S(ω) и нечётность фазы φ(ω), обратное преобразование Фурье можно записать следующим образом

Слайд 9

Комплексное представление вещественного сигнала Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция

Комплексное представление вещественного сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Вопрос

2. Квадратурный и сопряженный сигналы
Слайд 10

Аналитический сигнал, отображающий вещественный сигнал Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы.

Аналитический сигнал, отображающий вещественный сигнал

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция

№4

ОПФ

ОПФ

+w

-w

О

sc(t)

ss(t)

S(jw)

Сигнал, сопряженный с вещественным сигналом.

s(t) квадратурное дополнение аналитического сигнала.

Слайд 11

Представление вещественного сигнала с использованием аналитического сигнала Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Представление вещественного сигнала с использованием аналитического сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и

сигналы. Лекция №4
Слайд 12

Преобразование Гильберта Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4 Реальная

Преобразование Гильберта

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Реальная и мнимая

части спектра произвольных каузальных сигналов связаны преобразованием Гильберта.
Вещественный сигнал и его квадратурное дополнение связаны преобразованием Гильберта
Преобразование Гильберта есть свертка сигнала и ядра 1/πt
Слайд 13

Спектральная плотность аналитического сигнала Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция

Спектральная плотность аналитического сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №4

Реальная

и мнимая части спектра произвольных каузальных сигналов связаны преобразованием Гильберта.
Слайд 14

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5
Лекция № 5
Дискретные сигналы в радиотехнике.
Учебные вопросы:
Дискретизация аналогового сигнала.
Теорема Котельникова.
Дискретное преобразование Фурье. 

Слайд 15

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Литература:

Стр. 188..191; 192..197; 197..202.

Используя MathCAD , рассчитать и построить линейную и круговую свертку двух дискретных сигналов :
Четные номера : 5 и 13 значный код Баркера.
Нечетные номера : 7 и 11 значный код Баркера.

Слайд 16

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Слайд 17

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича Кафедра

Санкт- Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича   Кафедра «Теоретических

основ связи и радиотехники»

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Вопрос №1. Дискретизация аналогового сигнала

least significant bit (LSB)
Наименьший значащий бит

Слайд 18

Дискретизация по времени и квантование по уровню. Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Дискретизация по времени и квантование по уровню.

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и

сигналы. Лекция №5
Слайд 19

Шум квантования Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Шум квантования

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Слайд 20

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Аналогово-цифровое преобразование и Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Аналогово-цифровое преобразование и Амплитудно-импульсная

модуляция (АИМ)
Слайд 21

Аналогово-цифровое преобразование и Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Аналогово-цифровое преобразование и Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы.

Лекция №5
Слайд 22

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Аналогово-цифровое преобразование и Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Аналогово-цифровое преобразование и Широтно-импульсная

модуляция (ШИМ)
Слайд 23

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Аналогово-цифровое преобразование и Время-импульсная модуляция (ВИМ)

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Аналогово-цифровое преобразование и Время-импульсная

модуляция (ВИМ)
Слайд 24

Математическая модель дискретизированного сигнала Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция

Математическая модель дискретизированного сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Дискретизированный

сигнал – последовательность дельта-функций , взвешенных значениями дискретных отсчетов

Х

+

Решетчатая функция отсчетов
- периодический сигнал

Слайд 25

Дискретизация аналогового сигнала. Теорема Котельникова. Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы.

Дискретизация аналогового сигнала. Теорема Котельникова.

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция

№5

Обобщенный ряд Фурье по системе базисных (ортогональных) функций Котельникова

Слайд 26

Дискретизация аналогового сигнала. Теорема Котельникова. Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы.

Дискретизация аналогового сигнала. Теорема Котельникова.

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция

№5

Восстановление аналогового сигнала по дискретным отсчетам.

Спектральная плотность базисных функций Котельникова.

ППФ

Слайд 27

Восстановление аналогового сигнала по его дискретным отсчетам Шумаков П.П. Радиотехнические цепи

Восстановление аналогового сигнала по его дискретным отсчетам

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и

сигналы. Лекция №5

Восстановление аналогового сигнала по его дискретным отсчетам ведется весовым суммированием базисных функций Котельникова имеющих вид SIN(x)/x.

Для получения базисных функций Котельникова необходимо радиотехническое устройство (фильтр) , которое в ответ на дискретный отсчет Sk выдает сигнал вида SIN(x)/Х.
Так как дискретный отсчет является эквивалентом дельта функции , то реакция на него будет являться импульсной характеристикой фильтра.
Следовательно восстанавливающий фильтр должен иметь импульсную характеристику вида SIN(x)/x.

Слайд 28

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 По свойству дуальности

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

По свойству дуальности преобразования

Фурье , таким устройством должен быть низкочастотный фильтр с идеальной (прямоугольной ) АЧХ и линейной ФЧХ, частота среза которого равна половине частоты дискретизации аналогового сигнала

Восстанавливающий фильтр

ППФ

Импульсная характеристика фильтра связана с его частотной характеристикой преобразованием Фурье.

Слайд 29

Спектр дискретизированного сигнала Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Спектр дискретизированного сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Решетчатая функция

отсчетов - периодический сигнал, который можно разложить в ряд Фурье с коэффициентами:

Ряд Фурье для решетчатой функции отсчетов:

Новая модель дискретизированного сигнала

Слайд 30

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Спектр дискретизированного сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Спектр дискретизированного сигнала

Преобразование Фурье

для дискретизированного сигнала

Спектр дискретизированного сигнала при правильном выборе интервала дискретизации

Слайд 31

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Спектр дискретизированного сигнала

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Спектр дискретизированного сигнала при

не правильном выборе интервала дискретизации
Слайд 32

Эффект наложения при дискретизации - элайзинг (алиасинг) Шумаков П.П. Радиотехнические цепи

Эффект наложения при дискретизации - элайзинг (алиасинг)

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и

сигналы. Лекция №5

Алиасинг — одна из главных проблем при аналого-цифровом преобразовании видео- и аудиосигналов. Неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что высокочастотные его составляющие накладываются на низкочастотные, в результате чего восстановление сигнала во времени приводит к его искажениям. Для предотвращения этого эффекта частота дискретизации должна быть достаточно высокой и сигнал должен быть надлежащим образом отфильтрован перед оцифровкой.

Антиэлайзинговый
фильтр

АЦП

Аналоговый
сигнал

Цифровой
сигнал

Импульсы дискретизации

Слайд 33

Назначение формирующего АЭФ Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Назначение формирующего АЭФ

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Слайд 34

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Слайд 35

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Линейная Дискретная свертка

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Линейная Дискретная свертка (свертка

дискретных сигналов)
Длина первого N отсчетов, длина второго M отсчетов

Круговая (циклическая )Дискретная свертка
Обе последовательности имеют одинаковую длину N отсчетов
Чтобы выровнять длину последовательностей их дополняют нулями до длины
M+N-1.

Слайд 36

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Линейная свертка Циклическая свертка

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Линейная свертка

Циклическая свертка

Слайд 37

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Вычисление Линейной свертки

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Вычисление Линейной свертки с

помощью циклической свертки

Линейная свертка = дополнить сигналы нулями и сделать циклическую свертку

Слайд 38

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5 Дискретное преобразование Фурье

Шумаков П.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Лекция №5

Дискретное преобразование Фурье

Аналогично можно

поступить и при расчете линейной свертки через циклическую.
Рассмотрим пример. Пусть  , а   . Прямое вычисление линейной свертки потребует (12 миллионов) операций умножения и сложения.
Дополним каждую из последовательностей до 8192 отсчетов нулями и применим алгоритм БПФ с прореживание по времени, тогда на вычисление одного БПФ потребуется  операций комплексного умножения или 428000 операций действительного умножения. Таких блоков БПФ будет всего 3 штуки, плюс надо учесть 8192 комплексных умножений спектров, итого   , что почти в 7.5 раз ниже чем если бы мы считали линейную свертку в лоб