通讯原理第七章取样理论.ppt

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1、通訊原理通訊原理第七章：第七章：取樣理論取樣理論1大綱l簡介l取樣定理(sampling theorem)l膺頻(aliasing)效應l信號重建(signal reconstruction)l取樣的實際考量l取樣定理的應用2大綱l簡介l何謂取樣(sampling)及均勻取樣(uniform sampling)l取樣的重要性l取樣定理(sampling theorem)簡介 幾個直觀的例子l取樣定理(sampling theorem)l膺頻(aliasing)效應l信號重建(signal reconstruction)l取樣的實際考量l取樣定理的應用3l取樣值(sample value)：連續

2、時間信號在某個取樣時間的值。l例子：考慮一連續時間信號 ，則 為取樣時間點 的取樣值。何謂取樣(Sampling)l取樣：將連續時間(continuous-time)信號轉換成離散時間(discrete-time)信號 的過程。l均勻取樣(uniform sampling)：取樣時間點為等間隔的取樣方式。l假如取樣時間點的間隔為T，則對 取樣所形成的離散時間信號 可表示成：本課程主要討論均勻取樣。4取樣的重要性l透過取樣，可將連續時間信號轉換成離散時間信號，即可由電腦或數位系統處理。由於VLSI的進步，電腦或數位系統可以執行非常複雜的處理，這部分在連續時間領域做非常困難。處理完，再將離散時間信

3、號還原成連續時間信號。5取樣定理(Sampling Theorem)簡介l在一定的條件下，連續時間信號可以完全由其取樣值來還原。l 例子:動畫由個別的瞬間畫面組成；但如果放映速度夠快，感覺會 像是原本連續動作的重現。6取樣定理(Sampling Theorem)簡介(續)例子:l 每秒取樣一次。取樣之後的信號看起來像是一個直流信號，和原先的信號大不相同。l 每0.05秒取樣一次。取樣之後的 信號和原先的信號甚為接近。7取樣定理(Sampling Theorem)簡介(續)l如前頁左圖所示，當取樣點足夠密集的時候，似乎和 非常接近。因此，我們希望探討以下三個問題：l是否能以取樣值 表示原來的連續

4、時間信號？l如果是的話，成立的條件為何？l如何以取樣值 還原？取樣定理回答此三個問題。8大綱l簡介l取樣定理(sampling theorem)l脈衝串取樣(impulse train sampling)的信號模型l脈衝串取樣的頻域分析l觀察取樣頻譜所得結論l取樣定理的應用l補充推導取樣函數p(t)的傅立葉轉換l膺頻(aliasing)效應l信號重建(signal reconstruction)l取樣的實際考量l取樣定理的應用9取樣定理l考慮一有限頻寬(band-limited)之信號 ，其最高頻率為(即 )。若取樣頻率 大於 的2倍，則 可由其取樣值 唯一表示。-T :取樣週期(或稱取樣時間

5、間隔)-:取樣頻率(單位 Hz)-:取樣頻率(單位 rad/sec)l有限頻寬之信號如圖所示:10l脈衝串取樣為一個簡單的模型，用以描述如何對一個連續時間信號 做均勻取樣。l取樣後之信號為一脈衝串 ：脈衝串取樣(Impulse Train Sampling)的信號模型取樣函數(sampling function)11脈衝串取樣的頻域分析l週期脈衝串 稱為取樣函數(sampling function)：l將 之性質代入 ：可得：l然後對 做傅立葉轉換:l其中 在時域相乘在頻域做摺積12l脈衝串 在時域與頻域 圖示如下:l所以l我們現在可以求得 之頻譜圖如下:脈衝串取樣的頻域分析(續)原始信號的頻

6、譜F.T.原始頻譜複製在整數的 處。脈衝串取樣所得頻譜為這些複製的頻譜之總和。13觀察頻譜所得結論l若 ，亦即 ：l信號經取樣後之複製的頻譜不會發生互相重疊，因此信號 可經由低通濾波器恰好還原。用以重建信號之低通濾波器重建信號的頻譜(和原始信號的頻譜一致)原始信號的頻譜14觀察頻譜所得結論(續)l若 ，亦即 ：l信號經取樣後頻譜發生重疊之現象，此稱為膺頻效應(Aliasing Effect)。l故取樣後無法藉由低通濾波器完美重建原來的信號。l 稱為奈奎斯特頻率(Nyquist rate)。l只要滿足取樣頻率大於奈奎斯特頻率(即 奈奎斯特頻率)，則信號經 取樣後,可藉由低通濾波器完美重建。頻譜重

7、疊，造成此部分信號失真。15取樣定理的應用l音樂光碟：音樂的類比波形是以44.1 kHz的取樣頻率，而後儲存於光碟上。一 般人耳朵可聽見的聲音頻率介於20 Hz20 kHz之間。所以 44.1 kHz的取樣頻率滿足取樣定理。l電話：語音信號主要的頻率成分在300 Hz 4 kHz。故現行電話系統的取 樣頻率為8 kHz，滿足取樣定理。16補充推導取樣函數p(t)的傅立葉轉換 取樣函數l步驟一：求出 的傅立葉級數 17補充推導取樣函數p(t)的傅立葉轉換(續)l步驟二：求出 的傅立葉轉換 傅立葉轉換18大綱l簡介l取樣定理(sampling theorem)l膺頻(aliasing)效應l由頻域

8、的觀點了解膺頻效應l由時域的觀點了解膺頻效應l信號重建(signal reconstruction)l取樣的實際考量l取樣定理的應用19例子：由頻域的觀點了解膺頻效應l 假設取樣頻率為 rad/sec滿足取樣定理不滿足取樣定理l l l l l 20例子：由時域的觀點了解膺頻效應l 在取樣頻率 下雖然 和 具有不同的頻率，但經過取樣後，我們無法區別 和 。結論：(1)(2)當 ；整數，我們無法分辨其取樣後的信號。頻率頻率取樣值21大綱l簡介l取樣定理(sampling theorem)l膺頻(aliasing)效應l信號重建(signal reconstruction)l內插法(interpo

9、lation)的觀點l例子:以sinc函數為內插函數l取樣的實際考量l取樣定理的應用22信號的重建內插法(Interpolation)的觀點l重建訊號的數學式 :取樣值內插函數信號重建可視為以重建濾波器之單位脈衝函數 為內插函數，去內插取樣值之外的x(t)之值。l 重建訊號的低通濾波器23信號的重建內插法的觀點(續)l例子：當 h(t)是一個理想低通濾波器：重建的信號，為 式子中各項的疊加 有限頻帶信號x(t)x(t)取樣的脈衝列重建的信號取樣值以sinc為內插函數,:截止頻率。24大綱l簡介l取樣定理(sampling theorem)l膺頻(aliasing)效應l信號重建(signal

10、reconstruction)l取樣的實際考量l例子:實際的取樣系統-零階保持(Zero-Order Hold)l零階保持的信號重建l例子:實際的取樣系統-自然取樣(Natural Sampling)l取樣的實際考量 I：提高取樣頻率l取樣的實際考量 II：使用抗膺頻濾波器l取樣定理的應用25實際的取樣系統-零階保持(Zero-Order Hold)l 的時域表示：l 輸入信號經零階保持取樣的信號零階保持的 信號模型26實際的取樣系統-零階保持(Zero-Order Hold)l 的頻域表示：其中27l 若要重建無失真的訊號(即 )，須滿足如下 條 件：l 零階保持的信號重建信號重建所需要的濾

11、波器零階保持ho(t)和 hr(t)串聯的等效系統理想低通濾波器故28零階保持的信號重建(續)及的大小頻譜如圖所示如下圖所示理想的低通濾波器29實際的取樣系統-自然取樣(Natural Sampling)l下圖所示一振幅為A、波寬為Tp且週期為T的週期信號 k(t)，此週期信號 可以用傅立葉級數表示成 類比信號 自然取樣函數 k(t)30實際的取樣系統-自然取樣(續)l取樣後的離散時間信號xk(t)如下圖所示，其表示式為 均勻自然取樣得到的離散時間信號 xk(t)31實際的取樣系統-自然取樣(續)l 的傅立葉轉換l傅立葉級數之係數 可表示為l最後可將均勻自然取樣得到的離散時間信號之傅立葉轉換寫

12、成 32信號均勻自然取樣程序在頻域之示意圖()實際的取樣系統-自然取樣(續)l一限頻信號經自然取樣後的離散時間信號可以利用低通濾波器加以還原，但仍要滿足取樣速率要大於等於原信號頻寬的兩倍的條件。理想低通濾波器頻率響應33實際的取樣系統-自然取樣(總結)(取樣後的信號頻譜)(取樣後的信號)34取樣的實際考量 I：提高取樣頻率l 若取樣頻率恰為奈奎斯特頻率：l 複製頻譜之間沒有任何間隔，需要一理想的低通濾波器 以重建訊號。需要理想的低通濾波器提高取樣頻率之後，複製頻譜間有間隔了，因此不需要完美的低通濾波器亦可進行信號重建。=2w2w35取樣的實際考量II：使用抗膺頻濾波器l現實世界中的訊號皆為時限

13、(time-limited)信號，所以不是限頻(band-limited)的信號，因此無法重建原本的信號。l 解決方法：在取樣前，使用抗膺頻濾波器(anti-aliasing filter)移除在頻譜上|f|fs/2的部份。(其截止頻率為fs/2)。抗膺頻濾波器36例子:未使用抗膺頻濾波器的結果理想的低通濾波器取樣信號的頻譜被截止的尾端頻率被截止的尾端頻率會疊合至此較高頻部份被濾除，造成失真。原來信號高頻部份疊合至此，造成低頻部份的失真。理想的低通濾波器用以重建信號重建的頻譜37例子:使用抗膺頻濾波器的結果因為使用抗膺頻濾波器把原來信號在 的部份移除，故重建後的信號在 的部份造成失真，但在 部

14、分則無失真。取樣信號頻譜重建頻譜(低頻無失真)38大綱l簡介l取樣定理(sampling theorem)l膺頻(aliasing)效應l信號重建(signal reconstruction)l取樣的實際考量l取樣定理的應用l以離散時間的方式處理連續時間信號39l 在很多應用中，為了處理連續時間信號，常先將之轉換成離散時 間信號以作處理，如圖所示。l 首先將連續時間信號 轉為離散時間信號 。l 可在離散時間系統下做處理，例如超大型積體電路(VLSI)。VLSI在技術上，可執行非常快且複雜的數位信號處理。處理 完，再將離散時間信號還原成連續時間信號。以離散時間的方式處理連續時間信號系統模型數學模

15、型（取樣週期）C/D轉換離散時間系統D/C轉換轉換至離散時間離散時間系統轉換至連續時間TT40例子：音樂光碟片(CD)和光碟機l音樂光碟片：l音樂信號 經過取樣後轉成 ，取樣的頻率 為44.1 kHz。l本例子中的離散時間系統為編碼系統(如 Reed-Solomon Codes)，編碼後之信號為 ，儲存於 CD上。l光碟機：l將 由CD讀出，解碼之後再透過連續時間轉換 成為類比信號 由喇叭(類比器材)播出。轉換至離散時間離散時間系統轉換至連續時間41習題習題42習題一 一連續時間信號 為由一截止頻率為 的理想低通濾波 器來得到，如果 經過脈衝串取樣，以下哪個取樣週期可以保證 可以利用近似低通濾

16、波器由其取樣值來還原？（a）?（b）?（c）?43習題二 有一頻寬為W的基頻訊號 ，經取樣週期為T的取樣器取樣後可得一脈衝訊 號為 ，其中 是任意波形。請問 的傅立葉轉換為何?44習題三 信號 是一實函數、奇函數及週期函數，其傅立葉級數表示為 令 是 經過脈衝列取樣，取樣週期 T=0.2 後的序列。(a)經過脈衝列取樣會不會產生膺頻?(b)如果 通過一截止頻率為 ，帶通增益為T 的理想低通 濾波器，求輸出信號 的傅立葉級數表示?45參考文獻lOWN A.V.Oppenheim,A.S.Willsky,and S.H.Nawab,Signals and Systems,2nd ed.,Prent

17、ice-Hall,Inc.,1997.Chapter 7 lMSY J.H.McClellan,R.W.Schafer,and M.A.Yoder,Signal Processing First,Prentice-Hall,Inc.,2003.Chapter 4lHaykin S.Haykin,Communication Systems,4th ed.,John Wiley&Sons,New York,2001.Chapter 3lLathi B.P.Lathi,Linear Systems and Signals,2nd ed.,Oxford University Press,2004.Chapter 8lSklar B.Sklar,Digital Communications,2nd ed.,Prentice-Hall,Inc.,2001.Chapter 2l余兆棠、李志鵬著，信號與系統，滄海書局，2007。第六章46