5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 1/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 2/16
UKŁADY - PODSTAWOWE DEFINICJE1
UKŁADY - PODSTAWOWE DEFINICJE (cd)
Pojęcie układu
Symbole operacji na schematach funkcjonalnych
• matematyczną definicją (modelem) układu jest jednoznaczne przekształcenie
• sumator
(operator) odwzorujące sygnał wejściowy x w sygnał wyjściowy y x 1
jest to tzw. ujęcie transmisyjne
T
y= x 1+ x 2
y = T [ x] x → y
x 2
x
y
T [..]
pobudzenie
odpowiedź
• układ mnożenia
x
y= x
1
1 x 2
• w ogólnym przypadku układ może być wielowejściowy i wielowyjściowy
• powyższa definicja układu ma charakter uniwersalny i może odnosić się do różnych klas sygnałów
x 2
• jeśli dziedzina X i przeciwdziedzina Y operatora T są zbiorami sygnałów ciągłych
• układ mnożenia przez stałą
w czasie, układ nazywamy analogowym
x
A
y= A x
1 opracowano na podstawie [1-3], wersja z dnia 02.10.2014
materiał nie jest pełnym i ścisłym pod względem formalnym opracowaniem poszczególnych tematów, stanowi jedynie szkielet, wokół którego budowany jest wykład
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 3/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 4/16
UKŁADY - PODSTAWOWE DEFINICJE (cd)
UKŁADY - PODSTAWOWE DEFINICJE (cd)
Klasyfikacja układów
• układ liniowy
• układ stacjonarny (niezmienny względem przesunięcia, inwariantny w czasie)
- układ analogowy nazywamy liniowym jeśli spełnia zasadę superpozycji, tzn.
odpowiedź układu na ważoną sumę sygnałów wejściowych równa jest sumie
- układ nazywamy układem stacjonarnym, jeśli dla każdych x( t) i t ważonych odpowiednio odpowiedzi oddzielnie na każdy z sygnałów, w przeciwnym 0 zachodzi
przypadku układ nazywamy nieliniowym
przemienność
T { P x t
=
y t = T [ ax t + bx t =
+
=
+
1
2
] aT[ x ( t)
1
] bT[ x ( t)
2
] ay ( t) by ( t)
t
}
[ ( )] Pt { T[ x( t)]}
( )
( )
( )
0
0
1
2
gdzie P jest operatorem przesunięcia w czasie sygnałów analogowych t
w ogólnym przypadku
0
M
M
T
P
=
−
t [ x( t )]
x( t t 0 )
x t = ∑ a x t → y t =
a y t
k k
∑
0
( )
( )
( )
( )
k
k
k =1
k =
- w przeciwnym wypadku układ nazywamy układem niestacjonarnym 1
gdzie
- dla stacjonarnych układów analogowych spełniona jest zależność y ( t) = T
= ,
1 ,
2 ...,
k
[ x ( t)
k
] k
M
jeżeli y( t) = T [ x( t)] to y( t − t ) = T x t − t 0
[ (
)
0 ]
ilustracja graficzna
- operatory: różniczkowania, całkowania, opóźnienia w czasie, podnoszenia do x
1
x 1
T
kwadratu, pierwiastkujący i logarytmujący w dziedzinie sygnałów analogowych są a
a
y
T
y
operatorami stacjonarnymi
x 2
x 2
T
b
b
- operator typu y( t) = t x( t) w dziedzinie sygnałów analogowych jest operatorem niestacjonarnymi
operator przekształcenia T jest liniowy wtedy i tylko wtedy kiedy y = y'
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 5/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 6/16
UKŁADY - PODSTAWOWE DEFINICJE (cd)
UKŁADY - PODSTAWOWE DEFINICJE (cd)
• układ przyczynowy
• liniowość, stacjonarność i przyczynowość są immanentnymi cechami układu, zależnymi jedynie od jego struktury wewnętrznej i niezależnymi od klasy przetwarzanych
- jeżeli układ opisany operatorem T odwzorowuje zbiór sygnałów X w zbiór sygnałów
sygnałów Y i jeżeli y = T x
y = T x
1
[ 1] oraz 2
[ 2] wówczas układ jest układem
• stacjonarne układy liniowe LS (ang. LTI Linear Time-Invariant), nazywane również przyczynowym jeśli dla każdych x ( t), x ( t)∈ X
t
1
2
i każdego 0 z równości
układami liniowymi niezmiennymi względem przesunięcia, są podstawową klasą x ( t) = x ( t), t < t y t = y t , t < t
rozważanych układów i przedmiotem naszych dalszych rozważań
1
2
0 wynika równość
( )
( )
1
2
0
• z przetwarzaniem sygnału w układzie wiąże się przekształcenie jego widma, operacja z powyższych definicji wynika, że dla układu przyczynowego z równości przetwarzania widma nazywa się filtracją a realizujący ją układ w teorii sygnałów x( t) ≡ 0 dla t < t
y t ≡ 0 dla t < t
utożsamiany jest z filtrem
0 , wynika równość
( )
0 - zatem odpowiedź układu
przyczynowego nie może poprzedzać wymuszenia
• układ statyczny (bez pamięci) – układ dla którego w dowolnej chwili czasu wartość sygnału na wyjściu zależy wyłącznie od wartości sygnału wejściowego w tej samej inaczej układ analogowy nazywamy przyczynowym jeśli wartość sygnału na jego chwili
wyjściu y( t) w dowolnym momencie czasu t zależy jedynie od bieżącej
• jeśli wartość sygnału na wyjściu układu w dowolnej chwili zależy od wartości sygnału i poprzednich wartości sygnały wejściowego i nie zależy od przyszłych wartości wejściowego w chwilach poprzedzających lub następujących po nim to taki układ sygnału wejściowego w przeciwnym przypadku układ nazywamy nieprzyczynowym nazywamy układem dynamicznym (z pamięcią)
• układ nazywamy stabilnym ze względu na wymuszenie jeśli dowolny ograniczony układ nieprzyczynowy jest nierealizowalny praktycznie
sygnał wejściowy powoduje powstanie ograniczonego sygnału wyjściowego 5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 7/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 8/16
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZASU
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZASU (cd)
• odpowiedź układu na pobudzenie testowe (przy założeniu zerowych warunków
• odpowiedź jednostkową r( t) układu nazywamy jego reakcję (sygnał wyjściowy) na początkowych) jest jego charakterystyką opisującą w dziedzinie czasu relacje
„wejście -wyjście”
pobudzenie w postaci skoku jednostkowego (
1 t) przy zerowych warunkach
•
początkowych
rolę pobudzenia testowego pełnią sygnały: impuls Diraca δ( t) 1( t)
r( t)
oraz skok jednostkowy (
1 t)
zerowe warunki
początkowe
• odpowiedź impulsową h( t) układu nazywamy jego reakcję (sygnał wyjściowy) na znajomość odpowiedzi jednostkowej pozwala wyznaczyć reakcję układu na dowolne pobudzenie w postaci impulsu Diraca δ( t) przy zerowych warunkach początkowych pobudzenie
skok jednostkowy (
1 t) można z dobrym przybliżeniem wytworzyć w układzie δ( t)
fizycznym, zatem odpowiedź jednostkowa stanowi narzędzie służące do badania zerowe warunki
h( t)
początkowe
układów fizycznych
• ponieważ impuls Diraca δ( t) przyjmuje wartości zerowe dla t < 0 wobec tego dla układów przyczynowych reakcja na to pobudzenie również musi spełniać warunek znajomość odpowiedzi impulsowej pozwala wyznaczyć reakcję układu na dowolne h( t) = 0 dla t < 0
pobudzenie
impulsu Diraca δ( t) nie można wytworzyć w układzie fizycznym, zatem odpowiedź
każdy układ fizyczny jest przyczynowy stąd powyższy warunek stanowi podstawowy warunek realizowalności układu i jest równoważny warunkowi impulsowa stanowi narzędzie służące do teoretycznego opisu układów r t = 0
dla
t <
( )
0
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 9/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 10/16
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZASU (cd)
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZASU (cd)
•
• związek pomiędzy sygnałami na wejściu i na wyjściu układu związek pomiędzy odpowiedzią impulsową h( t) a odpowiedzią jednostkową r( t) wykorzystując właściwość splotu dystrybucji delta δ( t)∗ x( t) = x( t) na podstawie jeżeli T jest operatorem przekształcenia to
definicji splotu możemy napisać
∞
h( t) = T [δ( t)] oraz r( t) = T [ (
1 t)]
x( t) =
δ( t − τ) x(τ)
∫
τ
d
wykorzystując
−∞
d
δ( t) =
(
1 t)
odpowiedź układu opisanego operatorem przekształcenia T na sygnał x( t) dt
∞
otrzymujemy
y( t ) = T [ x( t)] = T [δ( t )∗ x( t )] = T δ( t − τ) x(τ) dτ
∫
d
d
d
−∞
h( t) = T [δ( t )] = T
(
1 t) =
T [ (
1 t)] =
r( t )
dt
dt
dt
uwzględniając liniowość operacji całkowania
oraz
∞
∞
t
y( t) =
T [δ( t − τ) x(τ)] τ
d =
T [δ( t − τ)] x(τ)
∫
∫
dτ
r( t) = h( t')
∫
dt'
−∞
−∞
0
ze stacjonarności układu wynika
T [δ( t)] = h( t) ⇒ T [δ( t − τ)] = h( t − τ) 5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 11/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 12/16
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZASU (cd)
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCI
• właściwości rozważanych stacjonarnych układów liniowych w dziedzinie częstotliwości ostatecznie więc
(pulsacji) opisują ich charakterystyki amplitudowo-fazowe
∞
• dla stacjonarnych układów liniowych opisywanych F -transformowalną (zarówno w sensie zwykłym jak i granicznym) odpowiedzią impulsową h( t) ich charakterystykę y( t) =
h( t − τ) x(τ) dτ = h( t)∗ x( t)
∫
amplitudowo-fazową określa transformata Fouriera
−∞
∞
− ω
H
ω
j
=
j t
ze względu na przemienność operacji splatania
( )
h( t)
∫ e dt
−∞
∞
dla układów przyczynowych
y( t) =
h(τ) x( t − τ) dτ = x( t)∗ h( t)
∫
∞
− ω
H
ω
j
=
j t
−∞
( )
h( t)
∫ e dt
0
zależność charakterystyki od argumentu ω
j wynika z jej związku z transmitancją
układu określoną w dziedzinie transformaty Laplace’a
H ( j )
ω = H ( s)
s= jω
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 13/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 14/16
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCI (cd)
OPIS UKŁADU W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCI (cd)
• związek pomiędzy widmem sygnału na wyjściu układu a widmem pobudzenia
• charakterystykę amplitudowo-fazową można przedstawić w postaci biegunowej lub i charakterystyką amplitudowo-fazową określa tzw. równanie transmisyjne układu algebraicznej
j arg H jω
H
ω
j
= H ω
Y ( )
ω = H ( j )
ω X ( )
ω
( )
( j )
( )
e
wykorzystując odwrotne przekształcenie Fouriera możemy zapisać H ( j )
ω = Re H ( j )
ω + j Im H ( j )
ω
1
y( t) =
−
F [ H ( j )
ω X ( )
ω ]
• ponieważ charakterystyka amplitudowo-fazowa jest transformatą Fouriera funkcji rzeczywistej, zatem jest funkcją hermitowską, tzn.
• opis układu w dziedzinie czasu i częstotliwości
*
H ( j )
ω = H (− j )
ω
x( t)
y( t)= h( t) ∗ x( t) h( t)
co oznacza, że charakterystyka amplitudowa i charakterystyka rzeczywista są funkcjami parzystymi, a charakterystyka fazowa i charakterystyka urojona – funkcjami nieparzystymi
X(ω)
Y(ω)= H( j ω) · X(ω)
H( jω)
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 15/16
5. Przetwarzanie sygnałów analogowych przez układ liniowy.doc, 16/16
załącznik
BIBLIOGRAFIA
wyznaczanie splotu metodą graficzną
t +
h
tx
y( t) =
h( t − τ) x(τ)
∫
τ
d
1. Szabatin J.: Przetwarzanie sygnałów. Materiały dydaktyczne Politechniki Warszawskiej, 2003, www.ise.pw.pl/~szabatin.
0
2. Baskakow S.I.: Sygnały i układy radiotechniczne. PWN, Warszawa, 1991.
h(τ)
3. Proakis J.G., Manolakis D.G.: Digital signal processing. Principles, Algorithms, and τ
Applications. Third Edition. Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, 1996.
0
th
x(τ)
τ
0
tx
h(-τ)
τ
0
x(τ)
h(-τ- t 1)
τ
0
t 1
h(-τ- t 1) x(τ)
P 1
τ
0
t 1
y( t)
P 1
t
0
t 1
tx+ th