Fourierova transformace

Podobné dokumenty
Spektrální analýza a diskrétní Fourierova transformace. Honza Černocký, ÚPGM

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Vlastnosti Fourierovy transformace

31ZZS 9. PŘEDNÁŠKA 24. listopadu 2014

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

[ n. Konvoluce. = 0 jinak. 0 jinak. Užitečné signály (diskrétní verze) Jednotkový skok 1 pro n = 0

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Úvod do zpracování signálů

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

Základní pojmy o signálech

Zpracování obrazů. Honza Černocký, ÚPGM

ANALÝZA LIDSKÉHO HLASU

12 - Frekvenční metody

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

Signál v čase a jeho spektrum

Rekurentní filtry. Matlab

Funkce tangens. cotgα = = Předpoklady: B a. A Tangens a cotangens jsou definovány v pravoúhlém trojúhelníku: a protilehlá b přilehlá

Funkce tangens. cotgα = = B a. A Tangens a cotangens jsou definovány v pravoúhlém trojúhelníku: a protilehlá b přilehlá.

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Cvi ení 2. Cvi ení 2. Modelování systém a proces. Mgr. Lucie Kárná, PhD. March 5, 2018

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

" Furierova transformace"

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

FOURIEROVA TRANSFORMACE FOURIEROVA VĚTA

ÚPGM FIT VUT Brno,

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

FOURIEROVA TRANSFORMACE

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

MĚŘENÍ ÚHLOVÝCH KMITŮ ZA ROTACE

Osnova. Idea ASK/FSK/PSK ASK Amplitudové... Strana 1 z 16. Celá obrazovka. Konec Základy radiotechniky

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH Elias Tomeh / Snímek 1

Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

Funkce kotangens. cotgα = = Zopakuj všechny části předchozí kapitoly pro funkci kotangens. B a

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

3. Kmitočtové charakteristiky

MATLAB PRO PODPORU VÝUKY KOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMŮ

Fouriérova transformace, konvoluce, dekonvoluce, Fouriérovské integrály

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Skládání různoběžných kmitů. Skládání kolmých kmitů. 1) harmonické kmity stejné frekvence :

Periodicita v časové řadě, její popis a identifikace, exponenciální vyrovnáván

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

2 Teoretický úvod Základní princip harmonické analýzy Podmínky harmonické analýzy signálů Obdelník Trojúhelník...

Derivace goniometrických. Jakub Michálek,

Dodatky k FT: 1. (2D digitalizace) 2. Více o FT 3. Více k užití filtrů. 7. přednáška předmětu Zpracování obrazů

Definice funkce tangens na jednotkové kružnici :

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Multimediální systémy

ÚPGM FIT VUT Brno, periodické a harmonické posloupnosti. konvoluce Fourierova transformace s diskrétním časem

Vstupní signál protne zvolenou úroveň. Na základě získaných údajů se dá spočítat perioda signálu a kmitočet. Obrázek č.2

Primární zpracování radarového signálu dopplerovská filtrace

Základy a aplikace digitálních. Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722

Funkce kotangens

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

( ) ( ) ( ) ( ) Skalární součin II. Předpoklady: 7207

KATEDRA ELEKTRICKÝCH MĚŘENÍ

7. ODE a SIMULINK. Nejprve velmi jednoduchý příklad s numerických řešením. Řešme rovnici

P7: Základy zpracování signálu

FOURIEROVA ANAL YZA 2D TER ENN ICH DAT Karel Segeth

1 Zpracování a analýza tlakové vlny

ADA Semestrální práce. Harmonické modelování signálů

Kepstrální analýza řečového signálu

VYUŽITÍ MATLABU PRO PODPORU VÝUKY A PŘI ŘEŠENÍ VÝZKUMNÝCH ÚKOLŮ NA KATEDŘE KOMUNIKAČNÍCH A INFORMAČNÍCH SYSTÉMŮ

7.1. Číslicové filtry IIR

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

VOLBA ČASOVÝCH OKEN A PŘEKRYTÍ PRO VÝPOČET SPEKTER ŠIROKOPÁSMOVÝCH SIGNÁLŮ

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Filtrace snímků ve frekvenční oblasti. Rychlá fourierova transformace

Derivace goniometrických funkcí

SYLABUS PŘEDNÁŠKY 10 Z GEODÉZIE 1

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Systémy. Systém: souhrn souvisejících prvků, sdružený do nějakého smysluplného celku

CW01 - Teorie měření a regulace

Zvuk. 1. základní kmitání. 2. šíření zvuku

oblasti je znázorněn na obr Komplexní obálku můžeme rozepsat na její reálnou a

TSO NEBO A INVARIANTNÍ ROZPOZNÁVACÍ SYSTÉMY

Transformace obrazu Josef Pelikán KSVI MFF UK Praha

Geometrické transformace

Grafy funkcí odvozených z funkcí sinus a cosinus II

I. část - úvod. Iva Petríková

Základní metody číslicového zpracování signálu a obrazu část II.

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Vlastnosti a modelování aditivního

Circular Harmonics. Tomáš Zámečník

Diskretizace. 29. dubna 2015

Semestrální projekt. Vyhodnocení přesnosti sebelokalizace VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Modulované signály. Protokol 1

Vítězslav Stýskala, Jan Dudek. Určeno pro studenty komb. formy FBI předmětu / 06 Elektrotechnika

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

Funkce Arcsin. Předpoklady: Některé dosud probírané funkce můžeme spojit do dvojic: 4 je číslo, jehož druhá mocnina se rovná 4.

označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,

Obr. 141: První tři Bernsteinovy iontové módy. Na vodorovné ose je bezrozměrný vlnový vektor a na svislé ose reálná část bezrozměrné frekvence.

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY

Transkript:

Fourierova transformace Jean Baptiste Joseph Fourier (768-83) Jeho obdivovatel (nedatováno)

Opáčko harmonických signálů Spojitý harmonický signál ( ) = cos( ω + ϕ ) x t C t C amplituda ω úhlová frekvence [ rad / s ] ϕ počáteční fáze [ rad ] f skutečná frekvence 2π f = T základní perioda T ω 2π = = f ω Příklad: x( t) = 4cos( 3t.5) 4 3 2 - -2-3 C cos(φ ) -4 -.5.5.5 2 2.5 3 3.5 4 T =/f =2π/ω C = 4, ω = 3, ϕ =.5 Chyták: Proč jsou tam indexy? Cvičení: vyrobte několik harmonických signálů s různou úhlovou frekvencí a fází. Pozorujte data, ať vám zalezou pod kůži.

Diskrétní harmonický signál [ ] = cos( ω + ϕ ) xn C n C amplituda ω úhlová frekvence [ rad ] ϕ počáteční fáze [ rad ] N základní perioda: pozor!!! N Musí platit že cos 2π ω ( ω( n+ N) ) = cos( ωn) Tedy rozdíl argumentů funkce cos musí být násobek základní periody funkce cos, což je 2π. ( ) ω ω ω π n+ N n= N = k2 Příklad xn [ ] cos ( 8 π n/ 3 ) =, tedy ω = 8 π / 3 Dosadím do vzorečku 8π 3 N k2 π =, tedy 4N = 3k a mám řešení 4 = k, N = 3 je základní perioda.8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8 - -5 5 5 2 25 3 35 N =3

Proč je potřeba vědět hodně o harmonických funkcích? Protože Fourierova dekompozice rozdělí signál na hromadu sinusovek a cosinusovek. Jde to vůbec? U diskrétních funkcí vždycky U spojitých funkcí nejdou ostré rohy, ale můžeme se k nim hooodně přiblížit Takže to jde. A k čemu to je? Proč vůbec rozděluji signál na hromadu harmonických funkcí? Protože mi to o signálu hodně řekne!

Fourierova transformace a signály Signálů je spousta druhů (to už víte) a podle toho existují různé druhy Fourierovy transformace: Cože? Tolik různých Fourierů? (a to ještě existují další verze, např. reálná DFT, komplexní DFT, FFT, ). Reálně jsme schopni spočítat pouze DFT

Reálná DFT - základní myšlenka (stále stejný trik jako u konvoluce) Signál rozložím na hromadu cosinusovek a sinusovek. Kolik? Je-li vstupní signál N (od do N-), pak na N/2+ sinusovek a N/2+ cosinusovek. Jakých? Tyto harmonické funkce mají postupně vyšší a vyšší frekvence, a to tak šikovně, že se do daného signálu vejdou právě x, x, 2x,. U harmonických funkcí s takto danou frekvencí se mění pouze amplituda. K čemu to? Amplitudy nám říkají, jak moc dané frekvence je v původním signálu Co je vlastně výsledkem? Amplitudy harmonických funkcí (frekvence jsou dané) Sedí to? Měl jsem N vzorků, teď mám N+2 vzorků! Jak to??? (první a poslední sinusovka má vždy amplitudu, takže ve skutečnosti to sedí) Příklad: Mám signál o 6 vzorcích (-5). Rozložím ho tedy na 9 cosinusovek a 9 sinusovek. Ty mají stejný počet prvků jako původní signál. Když všechny harmonické sečtu, dostanu zpátky původní signál. Chyták: jakou jednotku má x-ová osa u harmonických funkcí?

cos sin Původní signál (časová oblast)

Reálná / komplexní DFT Reálná DFT pochopí i dítě ReX a ImX jsou jen označení! Z N vzorků dostanu N+2 vzorků Co je na vodorovné ose? Co je na svislé ose? Komplexní DFT tohle je v Matlabu Všechny prvky jsou komplexní č. Z N vzorků dostanu N vzorků Matematicky elegantní Poznámka obrázek není úplně správně, poznáte proč?

Dopředná DFT (reálná) Jak to spočítám? N [ ] = [ ] cos( 2 π / ) ReX k x j kj N j= N [ ] = [ ] sin ( 2 π / ) ImX k x j kj N j= Slovně: každý vzorek ve frekvenční oblasti najdu tak, že vynásobím časový signál sinusovkou nebo kosinusovou kterou hledám a všechno sečtu. Podivnost: mínus ve druhém vztahu jen kvůli kompatibilitě s komplexní DFT. Cvičení: naprogramujte reálnou DFT

Co jsme to dostali? Konstanta 2 casova oblast - konstanta 2.5 2 9.5 9 2 4 6 cas [sec] ReX 5 5-5 2 3 x - ImX 5-5 2 3 Co je to za podivnosti v ImX?

Sinusovka casova oblast - sinusovka casova oblast - sinusovka.5.5 -.5 -.5 -.5.5 2 cas [sec] ReX 8 ImX -.5.5 2 cas [sec] ReX 4 5 ImX 6 4 2 - -2 3 2-5 - -5-2 5 5 2-3 5 5 2-5 5 2-2 5 5 2

Dvě sinusovky 2 casova oblast - dve sinusovky - -2.5.5 2 cas [sec] ReX 4 3 2 5-5 - -5 ImX - 5 5 2-2 5 5 2

Co je na vodorovné ose? Číslo vzorku (sample number) [-] o to mají rádi programátoři o rozsah -N/2 Podíl vzorkovací frekvence (fraction of sampling rate) f [-] o Nejvyšší frekvence je polovina vzorkovací frekvence (Nyquistův teorém) o Rozsah -,5 Vlastní frekvence (natural frequency) ω [rad] o Rozsah -π Frekvence [Hz] o Nejlépe pochopitelné (čísla co dávají konkrétní smysl) o Vztaženo ke konkrétní vzorkovací frekvenci o Rozsah DC-polovina vzorkovací frekvence Příklad: Jak napsat kosinusovou? [ ] = cos( 2 π kn / N ) [ ] = cos( 2π fn) [ ] = cos( ωn) c n c n cn

Polární zobrazení Citace: když se budete snažit pochopit pravoúhlé zobrazení, vybuchne vám hlava Jak to zobrazit jinak? Dvojici v pravoúhlých souřadnicích (aktuální vzorek ve frekvenční oblasti) si představím jako vektor. Převedením do polárních souřadnic: z dvojice (Re,Im) dostanu opět dvojici: Magnituda (modul, absolutní hodnota, ) Fáze (argument, úhel, )

Polární zobrazení Převod pravoúhlé / polární Převod polární / pravoúhlé Proč je polární zobrazení tak boží? [ ] = [ ] + [ ] ImX [ k] [ ] = arc tan ReX [ k] 2 2 MagX k ReX k ImX k FazeX k [ ] = [ ] cos [ ] [ ] = [ ] sin [ ] ( ) ( ) ReX k MagX k FazeX k ImX k MagX k FazeX k Hned vidím, jaké frekvence tam jsou a jaké ne, jak se mi mění fáze, je to human readable. Cvičení: naprogramujte si převodník z pravoúhlého zobrazení DFT na polární

Poznámky k fázi. bacha na dělení nulou (Im/Re) 2. bacha znaménka u arctan (jinak bude fáze jen v rozmezí, π π ) 2 2 if (ReX[k] < ) AND (ImX[k] < ) THEN Faze[k]=Faze[k] - PI if (ReX[k] < ) AND (ImX[k] >= ) THEN Faze[k]=Faze[k] + PI 3. malé hodnoty magnitudy nesmyslné hodnoty fáze

4. Nespojitost fáze Sinusovky jsou periodické, a fázový posuv o ϕ je stejný jako ϕ+ 2 π, ϕ+ 4 π,... Takže možností kolik fáze vlastně přesně je, je nekonečno. Při výpočtu se vybere vždy ta nejmenší. Pro představu může pomoct rozbalená fáze na obrázku

5. Magnituda je vždy kladná Na obrázku máme příklad. Reálná část je pěkně hladká, imaginární je nulová. V polárním zobrazení ale máme ostré rohy, fuj fuj. Je tomu tak proto, že magnituda je vždy kladná (z definice). Matematicky je to ook, ale interpretovat to někdy může být obtížné. 6. Rychlohops ve fázi mezi π a π protože fáze pro π a π je stejná, zaokrouhlovací chyby mohou způsobit hopsání fáze, viz. obr.

Inverzní DFT (reálná) Mám hotovou dopřednou DFT. Jak se dostanu zpět na původní signál? Kde Ale (!) Proč??? (další stránka) N/2 N/2 [ ] = [ ] cos( 2 π / ) + [ ] sin( 2 π / ) x j ReX k kj N ImX k kj N k= k= [ ] ReX k ReX [ k] = N /2 ImX k ImX [ k] = N ReX ReX N [ ] [ /2] [ ] /2 [ ] ReX = N ReX N /2 = N [ ] Cvičení: Naprogramujte inverzní DFT. Vyzkoušejte dopřednou a následně zpětnou transformaci.

Proč musíme čarovat s prvním a posledním koeficientem? Vše je jasné z obrázku. Šířka pásma pro jednotlivé vzorky není stejná. Co to vůbec je šířka pásma? Jaký rozsah frekvencí pokrývá náš jediný vzorek.

Jak se to dělá v Matlabu? Pozor na rozdíl mezi reálnou DFT (to co klovete) a komplexní DFT (Matlab). clear all % generování dat t = :.:.99; % tedy vzorkujeme s periodou. sec, (Hz) % vyrobim si dilci signaly o frekvencich 4 a 9 Hz y = 2*sin(t*4*2*pi); y2 = 4 * sin(t*9*2*pi); y = y + y2; % sectu je a mam dve namixovane sinusovky Y = fft(y); % provedu FFT % spoctu si magnitudu a fazi - prevedu do polarniho zobrazeni magnituda = abs(y); faze = phase(y); % ted to vsechno nakreslime subplot(3,,); plot(t,y); ylabel('amplituda'); xlabel('cas [sec]'); title('puvodni signal v casove oblasti'); subplot(3,,2); plot(magnituda); ylabel('amplituda'); xlabel('vzorek [-]'); title('signal ve frekvencni oblasti'); subplot(3,,3); % vezmeme jen pulku frekvenci! pulmagnituda = magnituda(:length(magnituda)/2); % na x osu vyrobime data od do pulky vzorkovacky f = linspace(,5,length(pulmagnituda)); plot(f,pulmagnituda); ylabel('amplituda'); xlabel('frekvence [Hz]'); title('signal ve frekvencni oblasti');