Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing)

Операция восстановления аналогового сигнала из его дискретного представления обратна операции дискретизации и представляет, по существу, интерполяцию данных.

Дискретизация сигналов может приводить к определенной потере информации о поведении сигналов в промежутках между отсчетами. Однако существуют условия, определенные теоремой Котельникова-Шеннона, согласно которым аналоговый сигнал с ограниченным частотным спектром может быть без потерь информации преобразован в дискретный сигнал, и затем абсолютно точно восстановлен по значениям своих дискретных отсчетов.

Как известно [], любая непрерывная функция может быть разложена на конечном отрезке в ряд Фурье, т.е. представлена в спектральной форме - в виде суммы ряда синусоид с кратными (нумерованными) частотами с определенными амплитудами и фазами. У относительно гладких функций спектр быстро убывает (коэффициенты модуля спектра быстро стремятся к нулю). Для представления "изрезанных" функций, с разрывами и "изломами", нужны синусоиды с большими частотами. Говорят, что сигнал имеет ограниченный спектр, если после определенной частоты F все коэффициенты спектра равны нулю, т.е. сигнал представляется в виде конечной суммы ряда Фурье.

Теоремой Котельникова-Шеннона устанавливается, что если спектр сигнала ограничен частотой F, то после дискретизации сигнала с частотой не менее 2F можно восстановить исходный непрерывный сигнал по полученному цифровому сигналу абсолютно точно. Для этого нужно выполнить интерполяцию цифрового сигнала "между отсчетами" специальной функцией (Котельникова-Шеннона)[3]. Решение задачи восстановления сигнала по дискретным отсчетам, т.е. интерполяции дискретного сигнала непрерывной функцией, позволяет получить разложение в ряд Шеннона-Котельникова в явной форме. Задача восстановления в частотной и временной области соответственно имеет вид [3]:

Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing) - student2.ru , где Ф(f) – спектр непрерывного сигнала,

Раскрывая операцию дискретной свертки, имеем:

Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing) - student2.ru Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing) - student2.ru

Базисные функции разложения по Шеннону-Котельникову Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing) - student2.ru представляют собой наиболее известный случай, когда разложение/восстановление сигнала ведется не с помощью кусочно-постоянных, кусочно-линейных или гармонических функций. За пределами нескольких периодов дискретизации базисные функции можно считать нулевыми, и базис, соответственно, практически конечным, т.е. имеющим тенденцию к локализации [4].

Теоретическая возможность восстановления сигнала всего по двум отсчетам на период дискретизации без погрешности объясняется, с позиции вейвлет-преобразования, как следствие более высокой корреляции функций Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing) - student2.ru с интерполируемым сигналом, чем это наблюдается у перечисленных выше функций. В силу этих свойств базисные функции Шеннона-Котельникова относят к числу вейвлет-функций (п.1.2.3.).

Однако для практического применения и построения устройств обработки сигнала, основанных на данном принципе, является препятствием необходимость получения полной информации о сигнале.

На практике эта теорема имеет огромное значение. Например, известно, что диапазон звуковых сигналов, воспринимаемых человеком, не превышает 20 кГц. Следовательно, при дискретизации записанных звуковых сигналов с частотой не менее 40 кГц мы можем точно восстановить исходный аналоговый сигнал по его цифровым отсчетам, что и выполняется в проигрывателях компакт-дисков для восстановления звука. Частота дискретизации звукового сигнала при записи на компакт-диск составляет 44100 Гц.

Это явление можно наблюдать, если спектр аналогового сигнала был неограниченным или имел частоту, выше частоты дискретизации.

Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliacing) - student2.ru

Рис. 4.1 Появление кажущейся частоты при дискретизации.

Для предотвращения элайсинга следует повышать частоту дискретизации или ограничить спектр сигнала перед оцифровкой фильтрами низких частот (НЧ-фильтры, low-pass filters), которые пропускают без изменения все частоты, ниже заданной, и подавляют в сигнале частоты, выше заданной. Эта граничная частота называется частотой среза (cutoff frequency) фильтра. Частота среза анти-элайсинговых фильтров устанавливается равной половине частоты дискретизации. В реальные АЦП почти всегда встраивается анти-алиасинговый фильтр.

Наши рекомендации