- •Лекция 7
- •Vector x
- •Получим дискретное преобразование Фурье (ДПФ) для этого вектора, что символически выражается следующим образом.
- •Последовательность X n , является, вообще говоря, последовательностью комплексных чисел. Поэтому интересно построить
- •Если ДПФ (2) рассматривать для любых значений индекса k, то обнаруживаются интересные свойства
- •На этом рисунке можно увидеть еще одно свойство. График АЧХ симметричен относительно 17-ого
- •Теперь обратимся к свойствам ДПФ, рассмотренным на предыдущей лекции.
- •2. Линейность. Линейной комбинации векторов соответствуетx1,x2 линейная комбинация ДПФ.
- •Vector x1
- •Vector x2
- •3. Циклический сдвиг влево на m позиций. Циклическому сдвигу влево на m позиций
- •Рассмотрим для примера, последовательность, рассмотренную выше (1) у которой компоненты убывают по экспоненциальному
- •Vector x
- •Определение. Под сверткой двух векторов a (a0 , a1, , aNи 1 )
- •Обратим внимание на следующие свойства свертки.
- •Vector b
- •Vector c
- •Третье, если периоды векторов a и b разные и равны N1 и N2,
- •Vector a
- •Vector b
- •Vector c
- •Свойство ДПФ свертки векторов. Вектор являющийся сверткой двух других векторов имеет ДПФ равный
- •Поэтому ДПФ (2) для всех трех векторов a, b, c строится не по
- •Пусть компоненты второго вектора имеют вид единичной ступеньки.
- •Vector a
- •Vector b
- •Vector c
- •Дискретное преобразование Фурье и пакет MATLAB
- •Обратное дискретное преобразование Фурье ОДПФ, выполняет функция ifft(X) . Вызов этой функции осуществляется
- •Эти формулы в пакете MATLAB выглядят следующим образом.
- •Дискретное преобразование Фурье и спектр сигналов
- •Здесь F - частота Найквиста, а sn отсчеты дискретного сигнала. Предположим, что дискретный
- •Спектр дискретного сигнала (36) является непрерывной периодической функцией с периодом 2F . На
- •Мы видим, что сумма, стоящая в формуле (38) является ДПФ для последовательности sn
- •Таким образом, дискретный спектр SD ( fk )
- •Поэтому можно сказать, что дискретное преобразование Фурье является по сути дела, дискретным спектром
- •Если преобразование Фурье сводится к аналитическим выражениям, то задача нахождения спектра сигнала решается
- •Finite signal
- •Тогда спектр S( f ) такого сигнала будет равен интегралу с конечными пределами.
- •где N для удобства четное число. Отсчеты сигнала берем в дискретные моменты времени
- •Выразим шаг дискретизации через частоту Найквиста
- •Сравним формулу (47) с выражением (36) для спектра дискретного сигнала. Мы видим, что
- •Это связано с тем, что в интеграле (45) мы рассматриваем непрерывный сигнал для
- •Подставляем дискретные частоты (50) в формулу (47) и получаем
- •Пусть несущая частота в этом импульсе равна Гц, а
- •Spectrum | S |
- •Spectrum arg( S ) 3
- •Изменим нумерацию компонент дискретного сигнала , чтобы это было похоже на последовательность, для
- •Вместо спектра заданного формулой (51) рассмотрим спектр, полученный с помощью ДПФ (54)
- •Spectrum | S |
- •Spectrum arg( S ) 3
- •Простой анализ показывает, что связь между компонентами дискретного спектра (51) непрерывного сигнала и
- •Быстрое преобразование Фурье (БПФ)
- •В этом алгоритме важным моментом является число членов N суммы (57). Рассмотрим ДПФ
- •Для вычисления каждого коэффициента y(k) , как легко видеть, требуется около 2n комплексных
- •Введем вектор:
- •Далее разобьем сумму (59) на два слагаемых с четными и нечетными членами. При
- •Сравнивая соотношения (64) с формулой (59), мы видим, что
- •Объединим формулы (65), (67)
- •через коэффициенты ДПФ размерности 2n 1 .
- •Итого, реализация ДПФ размерности
- •В общем случае для ДПФ размерности 2n операция сведения к двум ДПФ меньшей
Третье, если периоды векторов a и b разные и равны N1 и N2, то период свертки будет N1 N2 равен . В этом случае в формуле свертки (12) в качестве периода N надо взять максимальный из двух периодов. На рисунках рассматриваются вектора с периодами N1 4 и N2 6.
33
Vector a
5
4
3
2
1
00 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
34
Vector b
5
4
3
2
1
00 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
35
Vector c
5 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
00 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
36
Свойство ДПФ свертки векторов. Вектор являющийся сверткой двух других векторов имеет ДПФ равный произведению ДПФ исходных векторов.
if
|
|
N 1 |
a A, |
b B, |
ck anbk n , |
|
n 0 |
(28) |
then |
|
|
|
|
|
c C, |
|
|
where |
|
|
Ck Ak Bk |
|
|
Важное замечание!! В этом свойстве векторы a и b дополняются нулями, чтобы они имели период 2N .
a (a |
, a , , a |
N 1 |
, 0, ,0), |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
N |
b (b , b , , b |
, 0, ,0) |
(29) |
|
0 1 |
N 1 |
|
N
37
Поэтому ДПФ (2) для всех трех векторов a, b, c строится не по периоду N , а по периоду 2N .
2 N 1 |
|
|
|
2 |
|||
i |
|
|
|
k n |
|||
Ak an e |
2 N |
||||||
n 0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 N 1 |
|
|
2 |
||||
i |
|
|
|
|
k n |
||
Bk bn e |
|
2 N |
|
||||
n 0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 N 1 |
|
|
2 |
||||
i |
|
|
|
k n |
|||
Ck cn e |
2 N |
||||||
n 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 0, 1, , 2N 1 |
(30) |
|
Возьмем два вектора с периодом N = 16 . Пусть первый вектор имеет компоненты, убывающие по экспоненциальному закону.
an e 0.1n , |
n 0, 1, , 15 |
(31) |
38
Пусть компоненты второго вектора имеют вид единичной ступеньки.
1, |
if |
0 n 4, |
(32) |
|
bn |
0, |
if |
5 n 15 |
|
|
|
Эти два вектора дополняем нулями до векторов с периодом 2N = 32 . На рисунках показаны эти векторы и вектор свертки.
39
Vector a
5
4
3
2
1 |
|
|
|
|
|
|
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
40
Vector b
5
4
3
2
1
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
41
Vector c
5 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
42
15 |
|
|
| A | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
43
| B |
15
10
5 |
|
|
|
|
|
|
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
44
45 |
|
|
| C | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
35 |
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
45
45 |
|
|
| A B | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
35 |
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
00 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
46