Дискретизация сигналов с непрерывным временем
Часто дискретные сигналы получаются из аналоговых сигналов с помощью периодической дискретизации.
Рассмотрим аналоговый сигнал , имеющий представление Фурье:
![]() | (1.34) |
![]() | (1.35) |
Говорят, что последовательность со значениями
получена из
периодической дискретизацией, а
называется периодом дискретизации. Чтобы определить в каком смысле
представляет исходный сигнал
с
преобразованием Фурье последовательности
.
![]() | (1.36) |
Преобразование Фурье в дискретном времени также дает представление
![]() | (1.37) |
Путем замены (1.36) на сумму интегралов по интервалам длиной можно получить:(3.1)
![]() | (1.38) |
![]() | (1.39) |
Из соотношений (1.38) и (1.31) становится совершенно ясной связь между преобразованием Фурье в непрерывном времени и преобразованием Фурье последовательности, полученной посредством дискретизации.
Если период дискретизации слишком велик, сдвинутые варианты спектра перекрываются. В этом случае верхние частоты
отражаются в более низкие частоты
.
На нижнем рисунке спектральные свойства исходного сигнала тиражированы бесконечное число раз, поэтому можно ожидать, что ![]() ![]() ![]() | ![]() |
Z-преобразование
В теории систем с непрерывным временем преобразование Лапласа может рассматриваться как обобщение преобразования Фурье. Подобным образом можно обобщить преобразование Фурье для дискретных сигналов и систем на основе z-преобразования.
Z-преобразование используется при анализе дискретных линейных стационарных систем. Прямое z-преобразование
![]() | (1.40) |
где z-комплексная переменная (сравнить с преобразованием Фурье ).
Представив z в полярных координатах , получаем
![]() | (1.41) |
Поэтому z-преобразование можно интерпретировать как преобразование Фурье последовательности x(n), умноженное на экспоненциальную последовательность.
Z-преобразование сходится не для всех последовательностей и не для всех z. Для любой последовательности множество тех значений z, для которых z-преобразование сходится, называется областью сходимости.
Важный класс z-преобразований представляют преобразования , являющиеся рациональными функциями, т.е. отношениями полиномов от z. При этом корни числителя называют нулями, а корни знаменателя – полюсами. Область сходимости z-преобразования ограничена полюсами.
Пример. Рассмотрим последовательность (
«ступенька»). Ее z-преобразование задается рядом
, который сходится к
для
, имеет нуль в точке
и полюс в точке
.
![]() | Можно показать, что для правосторонней последовательности ( ![]() |
Обратное z-преобразование
Соотношение для обратного z-преобразования можно вывести, используя теорему Коши. Согласно этой теореме:
![]() | (1.42) |
Т.к. , умножая обе части на
и беря интеграл по контуру, окружающему начало координат
, меняя порядок интегрирования и суммирования в правой части:
, откуда, применяя теорему Коши:
(вычисляется с помощью теории вычетов или разложением на элементарные дроби с последующим нахождением обратных z-преобразований для этих более простых составляющих).
Свойства z-преобразования
Линейность: если и
, то
, где область сходимости равна, по крайней мере, пересечению областей сходимости
и
.
Сдвиг: если , то
.
Умножение на экспоненциальную последовательность: .
Дифференцирование: .
Свертка последовательностей: если - свертка двух последовательностей
и
, то z-преобразование
равно произведению z-преобразований
и
, т.е. если
, то
.
Теорема о комплексной свертке. В непрерывном случае свертка временных функций приводит к произведению преобразований Фурье и, аналогично, свертка преобразований Фурье получается из произведения временных функций.
В случае последовательностей и z-преобразований нельзя ожидать такого соотношения из-за того, что последовательности дискретны, а их z-преобразования непрерывны. Однако можно вывести похожее соотношение: если , то
.
Соотношение Парсеваля. Известно соотношение Парсеваля для преобразования Фурье. Обобщение этого соотношения на z-преобразование следует из теоремы о комплексной свертке. В частности, мы рассмотрим две комплексные последовательности и
. Тогда соотношение Парсеваля утверждает, что
![]() | (1.43) |
Контур интегрирования выбирается в пересечении областей сходимости и
.
Передаточная функция. В частотной области соотношение входным и выходным сигналами получается простым умножением преобразования Фурье входного сигнала на преобразование Фурье импульсной характеристики.
Более общим образом можно описать линейные стационарные системы с помощью z-преобразования импульсной характеристики.
![]() | (1.44) |
Часто z-преобразование импульсной характеристики называется передаточной или системной функцией. Передаточная функция на единичной окружности (т.е. при ) является частотной характеристикой системы.
Если область сходимости передаточной функции включает единичную окружность, то система устойчива и наоборот.
Если систему можно описать линейным разностным уравнением с постоянными коэффициентами, то ее передаточная функция является отношением полиномов.
![]() | (1.45) |
Следовательно, с точностью до скалярного множителя А передаточная функция может быть полностью описана картиной полюсов и нулей в z-плоскости.
Соотношение (1.45) не содержит указаний об области сходимости передаточной функции. Это находится в соответствии с тем фактом, что разностное уравнение неоднозначно определяет импульсную характеристику линейной стационарной системы. Для данного отношения полиномов различные способы выбора области сходимости приведут к различным импульсным характеристикам, но они все будут удовлетворять одному и тому же разностному уравнению. Если предположить, что система устойчива, то нужно выбрать кольцевую область, включающую единичную окружность.
z-преобразования некоторых функций
Функция времени | Преобразование Лапласа | z-преобразование |
![]() | ||
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
Дискретное преобразование Фурье
Дискретное преобразование Фурье есть частный вид преобразования Фурье, когда последовательность имеет конечную длительность.
Рассмотрим сначала ряды Фурье периодических последовательностей. Пусть . Такие последовательности не могут быть представлены z-преобразованием, так как не существует ни одного значения z, для которого бы сходилось z-преобразование такой последовательности. Однако можно представить
рядом Фурье, т.е. суммой комплексных экспонент с частотами, кратными основной частоте
периодической последовательности. В противоположность рядам Фурье непрерывных периодических функций имеется только N различных комплексных экспонент с периодом, равным целой части основного периода N. Это является следствием того, что комплексная экспонента
периодична по k с периодом N, т.е.
,
и т.д., следовательно, множество N комплексных экспонент с k=0,1,2…N-1 определяет все различные комплексные экспоненты с частотами, кратными
. Поэтому представление периодической последовательности
в виде ряда Фурье содержит только N этих комплексных экспонент и, следовательно, имеет вид
![]() | (1.46) |
Коэффициенты в (1.46) получаются из соотношения
![]() | (1.47) |
Выражения (1.46) и (1.47) могут рассматриваться как пара преобразований Фурье. Введем обозначение . Тогда ДРФ (дискретный ряд Фурье) пары представляются в виде:
![]() | (1.48) |
![]() | (1.49) |
можно интерпретировать как равноудаленные по углу выборки z-преобразования одного периода
, взятые на единичной окружности.
Теперь перейдем к рассмотрению последовательностей конечной длины. Преобразование последовательности конечной длины будем называть дискретным преобразованием Фурье.
Мы можем представить последовательность конечной длины N-периодической последовательностью периода N, один период которой совпадает с данной последовательностью. В этом случае исходная последовательность имеет такое же ДРФ представление, что и периодическая последовательность. Т.е. . Последовательность конечной длины
получается из
выделением одного периода, т.е.
, где
. То же самое можно записать и для выражений в частотной области:
;
.
Тогда
![]() ![]() | (1.50) |
Пара соотношений, определяемая преобразованиями (1.50) будет называться дискретным преобразованием Фурье. Отметим, что ДРФ последовательности конечной длины соответствует равноудаленным выборкам из z-преобразования на единичной окружности. Нужно подчеркнуть, что различие между последовательностью конечной длины и периодической последовательностью длины N невелико в том смысле, что обе они определяются N значениями и поэтому различия между (1.48) и (1.50) не столь велики.
Дискретное преобразование Фурье обладает свойством линейности.
Ранее было показано, что умножение коэффициентов ДРФ двух последовательностей соответствует периодической свертке этих последовательностей. Рассмотрим последовательности и
конечной длительности N с ДПФ
и
, и определим последовательность
, для которой коэффициенты ДПФ равны
.
![]() ![]() | (1.51) |
Выражение (1.51) отличается от линейной свертки и
. Для линейной свертки основные операции включают умножение
на обращенную во времени и линейно сдвинутую копию
, а также суммирование значений произведений. Чтобы получить значение свертки, эти последовательности сдвигаются по отношению друг к другу. В противоположность этому для свертки по (1.51) следует представить, что одна из последовательностей расположена на поверхности цилиндра в N равноудаленных точках. Вторая последовательность обращается во времени и также располагается на поверхности цилиндра в N точках. Если вообразить, что один цилиндр помещен внутрь другого, то тогда значение свертки может быть получено путем умножения значений на одном цилиндре на соответствующие значения на другом цилиндре и суммирования полученных произведений. Такая свертка часто называется круговой.
В большинстве случаев нас интересует линейная свертка двух последовательностей. Рассмотрим сначала две N-точечные последовательности и
, и обозначим
их линейную свертку, т.е.
. Непосредственно проверяется, что
имеет длину 2N-1, т.е. она может иметь самое большое 2N-1 ненулевых точек. Если она вычисляется после умножения дискретных преобразований Фурье
и
, тогда каждое из этих преобразований Фурье
и
должно вычисляться на основе 2N-1 точек.
Поэтому, если определить
![]() ![]() ![]() | (1.52) |
то будет линейной сверткой
и
.
Вычисление дискретного преобразования Фурье
Итак, будем искать способы вычисления выражений ;
. Обратное преобразование Фурье для дискретного сигнала для дискретного сигнала:
. В этих выражениях как
так и
могут быть комплексными. Выражения для прямого и обратного преобразований отличаются только знаком экспоненты и скалярным коэффициентом
. Поэтому рассуждения касающиеся вычислительных процедур применимы к обоим выражениям.
Так как может быть комплексным, то можно записать
![]() ![]() ![]() | (1.53) |
Отсюда видно, что для каждого значения k при непосредственном вычислении требуется 4N умножений и (4N-2) сложений действительных чисел. Так как
должно вычисляться для N различных значений K, непосредственное вычисление дискретного преобразования Фурье последовательности
требует 4
умножений и
сложений действительных чисел.
Так как количество вычислений, а следовательно, и время вычислений приблизительно пропорционально , то ясно, что при прямом методе необходимое число арифметических операций становится очень большим.
Большинство подходов к улучшению эффективности вычисления ДПФ использует следующие свойства величин .
1. (комплексно сопряжены)
2. , где