background image

Próbkowanie

czyli „cięcie” dziedziny sygnału

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Plan prezentacji:

Wątpliwości związane z procesem próbkowania
Wykorzystanie analizy widmowej
Dlaczego sinusoida idzie na pierwszy ogień
Spostrzeżenia z analizy widmowej próbkowanej sinusoidy
Nowe problemy

background image

Próbkowanie sygnału analogowego

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Próbkowanie  sygnału  (pomiar  jego  wartości  chwilowej) 
odbywa  się w  dyskretnych  punktach  oddalonych  od 
siebie  o  stałą odległość nazywaną krokiem  lub  okresem 
próbkowania.  Próbkowanie  równomierne  (ze  stałym  T) 
jest  najpopularniejszą

choć

nie  jedyną

techniką.

background image

Niejednoznaczność próbkowania

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Czy 

proces 

próbkowania 

jest 

wiarygodny?

Intuicyjnie sygnał po prawej stronie jest bardziej narażony 
na  straty  informacji.  Związane  jest  to  z  obecnością
oscylacji  pomiędzy  punktami  próbkowania.  Badaniem 
oscylacji 

zajmuje 

się

analiza 

widmowa

background image

Czarna skrzynka

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Póki  nie  wiemy  nic  więcej, na  zasadzie  czarnej  skrzynki 
wykorzystamy 

 

procedurę

analizy 

widmowej 

ś

rodowisku  LabVIEW  aby  zaobserwować

co  jest 

rezultatem jej działania.

Nowy 
element

widmo

background image

Anatomia programu

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

sygnał

widmo  
amplitudowe

t

f

Widmo  jest  alternatywnym  sposobem 
przedstawienia  sygnału  w  dziedzinie 
częstotliwości.  Zarówno  sygnał jak 
jego  widmo  mają naturę dyskretną. 
Procedura  automatycznie  i  podaje 
odległość między punktami (próbkami) 
widma  ∆f  na  podstawie  wejściowej 
wartości 

kroku 

próbkowania 

t. 

Zastosowanie 
struktury  („klastra”) 
do 

prawidłowego 

wyskalowania  osi 
odciętych 

na 

wykresie 
dyskretnym

background image

Fala sinusoidalna

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Widmo  jest  rezultatem  zastosowania  procedury  z 
poprzedniego  slajdu.  Dla  sygnału  sinusoidalnego 
wyznaczone  widmo  amplitudowe  ma  postać jednego 
prążka
.

background image

Częstotliwość z widma

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Położenie  prążka  na  osi  częstotliwości  odpowiada 
częstotliwości  fali.  Jest  to  nieco  łatwiejszy  sposób  od 
pomiaru 

okresu 

sinusoidy. 

Nie 

zawsze 

działa 

poprawnie!

background image

Amplituda z widma

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Jak  sama  nazwa  wskazuje,  procedura  obliczania  widma 
amplitudowego powinna umożliwiać określenie amplitudy 
przebiegu  sinusoidalnego.  Wynikiem  działania  wariantu 
wykorzystanego  w  LabVIEW  jest  widmo  wartości 
skutecznej. 

background image

Faza fali

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Fala  sinusoidalna  posiada  również fazę początkową, 
która  mówi  jak  układają się jej  minima  i  maksima 
względem  początku  układu  współrzędnych.  Faza  fali 
sinus  wynosi  zero  a  cosinus  90  stopni.  Widmo 
amplitudowe nie wykazuje żądnych różnic pomiędzy tymi 
falami. 

background image

Przebiegi o innym kształcie

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Sygnał sinusoidalny  jest  dla  wykorzystywanej  obecnie 
procedury 

analitycznej 

sygnałem 

najprostszej 

strukturze widma (jeden prążek). Widmo innych sygnałów 
jest bardziej skomplikowane.

background image

Wnioski

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Procedura  obliczenia  widma  pozwala  przedstawić

własności 

sygnałów 

dziedzinie 

częstotliwości.

Widmo  sygnału  sinusoidalnego  ma  najprostszą postać,  ponieważ
składa 

się

jednego 

prążka.

Położenie  prążka  widmowego  na  osi  odciętych  zgadza  się
częstotliwością fali  sinusoidalnej  (wkrótce  stwierdzimy,  że  jest  to 
prawdą

tylko 

pewnym 

zakresie 

częstotliwości).

Amplituda  fali  sinusoidalnej  jest  zgodna  z  wysokością prążka.
Faza  sygnału  sinusoidalnego  nie  jest  odzwierciedlana  przez  widmo 
amplitudowe.

background image

Próbki to za mało…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Sygnał dyskretny stanowi zbiór próbek wartości chwilowej 
sygnału  ciągłego.  Nie  można  jednoznacznie  określić
częstotliwości  sygnału  analogowego  na  podstawie 
znajomości  jedynie  jego  próbek.  Nie  wiemy  czy  interwał
między próbkami wynosi 1 sekundę czy godzinę. Brakuje 
informacji 

częstości 

próbkowania.

background image

… dużo za mało

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

...ale  próbki  nie  określają

sygnału  jednoznacznie

Definiujemy  szybkość
próbkowania.  W  tym 
przypadku  wynosi  5 
Hz…

background image

Podejście rachunkowe

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

T

f

1

=

p

s

p

T

f

f

1

=

=

)

2

sin(

)

(

ft

t

s

π

=

sygnał ciągły

N

k

f

fk

k

s

p

K

0

)

/

1

2

sin(

]

[

=

=

π

Próbki dyskretne sygnału:

)

2

/

2

sin(

)

4

/

2

sin(

)

2

/

2

sin(

)

/

1

2

sin(

]

[

π

π

π

π

π

π

π

+

=

+

=

+

=

=

m

k

f

f

k

f

f

k

f

f

f

fk

k

s

p

p

p

p

background image

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Sygnał

dyskretny 

s[k] 

powstały 

przez 

próbkowanie z częstotliwością fp sinusoidy s(t) o 
częstotliwości 

opisuje 

zbiór 

sinusoid 

częstotliwościach:

)

2

/

2

sin(

]

[

π

π

+

=

mk

k

f

f

k

s

p

)]

(

/

2

sin[

]

[

p

p

mf

f

f

k

k

s

+

=

π

czas

częstotliwość

Niech „m” stanowi 

wielokrotność indeksu „k”

m

f

f

p

+

gdzie m jest dowolną liczbą całkowitą

background image

Weryfikacja

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Hz

f

1

=

Hz

f

p

5

=

Na okres fali przypada 5 próbka. Ta w 
wartości  jeden  przypada  już

na 

następny.  Częstotliwość

„szybszej”

sinusoidy wynosi:

Hz

Hz

Hz

f

6

5

1

1

2

=

+

=

background image

Widmo sinusoidy cyfrowej

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Widmo  sygnału  dyskretnego  (czyli  próbek  s[k])  jest 
okresowe.  Co  jedną częstotliwość próbkowania  trafiamy 
na  sinusoidę przechodzącą dokładnie  przez  wartości 
próbek. Zjawisko to nazywa się powieleniem widma. Nie 
ma  sensu  próba  pomiaru  częstotliwości  powyżej  f

p.

częstotliwość

„o

b

e

c

n

o

ś

ć

s

in

u

s

o

id

y

 

o

 d

a

n

e

c

z

ę

s

to

tl

iw

o

ś

c

i”

0

Hz

1

Hz

f

p

5

=

f

f

p

+

1

p

f

2

f

f

p

+

2

p

f

f

f

p

+

background image

Efekt działa też odwrotnie (aliasing)

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Próbkujemy  ton  sinusoidalny  (sygnał o  ściśle 
określonej 

częstotliwości 

Hz) 

ale 

częstotliwością 5  Hz.  Widmo  sygnału  cyfrowego 
zawiera fałszywy prążek widmowy 1 Hz (alias)

0

f

f

p

+

Hz

f

p

5

=

Hz

6

p

f

2

f

f

p

+

p

f

f

f

p

+

− 2

background image

Maskowanie widma

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

•Pomiar  zakłóceń sieciowych  (50  Hz)  z  częstotliwością
próbkowania 1000 Hz (po lewej) i 40 Hz (po prawej).

background image

Wstępna konkluzja

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Dla 

uniknięcia 

maskowania 

widma 

(aliasingu) 

wskazane 

jest, 

żeby 

częstotliwość próbkowania  była  wyższa 
od  częstotliwości  próbkowanego  sygnału 
analogowego.

Błąd  maskowania  widma  jest  o  tyle 
nieprzyjemny,  że  nie  mamy  pewności 
czy  w  mierzonym  sygnale  nie  znajduje 
się zakłócenie, którego obecność ujawnia 
się przy dziwnej częstotliwości.

background image

Niestety to nieprawda…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Na  tym  zrzucie 
widać, 

ż

chociaż
częstotliwość
sygnału 

jest 

mniejsza  od  f

p

jego 
interpretacja 
przez 
urządzenie 
cyfrowe 

jest 

całkowicie 
błędna!

background image

Kto (co) kłamie? 

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Procedura  obliczania  widma  wykorzystywana  do  tej  pory 
ma 

umożliwiać

maksymalnie 

wygodną

pracę

użytkownikowi  i  ukrywa  przed  nim  pewne  fakty 
ograniczając  automatycznie  skalę osi  częstotliwościowej. 
Tam należy szukać obcego odpowiedzialnego za fiasko za 
dotychczasowej teorii.   

widmo fazowe

background image

Podsumowanie

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Szybkość

próbkowania 

ogranicza 

możliwy 

do 

prawidłowego  pomiaru  zakres  częstotliwości  sygnałów 
analogowych. 
Nieprzestrzeganie reguł próbkowania może prowadzić do 
błędu złej interpretacji częstotliwości przez układ cyfrowy. 
Zjawisko 

powielenia 

widma 

jest 

związane 

ograniczeniem 

wprowadzanym 

przez 

częstotliwość

próbkowania 

ale 

nie 

tłumaczy 

go 

całkowicie.