Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Podobne dokumenty
Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Analiza szeregów czasowych: 3. Filtr Wienera

9. Dyskretna transformata Fouriera algorytm FFT

Wstęp do metod numerycznych Dyskretna transformacja Fouriera. P. F. Góra

FFT i dyskretny splot. Aplikacje w DSP

Analiza szeregów czasowych: 1. Dyskretna transformata Fouriera i zagadnienia pokrewne

Transformata Fouriera

Transformata Fouriera i analiza spektralna

uzyskany w wyniku próbkowania okresowego przebiegu czasowego x(t) ze stałym czasem próbkowania t takim, że T = t N 1 t

DYSKRETNA TRANSFORMACJA FOURIERA

Analiza szeregów czasowych: 7. Liniowe modele stochastyczne

Twierdzenie o splocie

Andrzej Leśnicki Laboratorium CPS Ćwiczenie 7 1/7 ĆWICZENIE 7. Splot liniowy i kołowy sygnałów

Transformaty. Kodowanie transformujace

1. Modulacja analogowa, 2. Modulacja cyfrowa

Układy stochastyczne

Przekształcenie Fouriera i splot

Liczby zespolone. P. F. Góra (w zastępstwie prof. K. Rościszewskiego) 27 lutego 2007

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

Teoria sygnałów Signal Theory. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Analiza szeregów czasowych: 5. Liniowe modele stochastyczne

Transformacje Fouriera * podstawowe własności

Transformata Laplace a to przekształcenie całkowe funkcji f(t) opisane następującym wzorem:

Egzamin / zaliczenie na ocenę*

Systemy. Krzysztof Patan

BIBLIOTEKA PROGRAMU R - BIOPS. Narzędzia Informatyczne w Badaniach Naukowych Katarzyna Bernat

Przetwarzanie sygnałów biomedycznych

Ćwiczenie 3. Właściwości przekształcenia Fouriera

Samodzielnie wykonaj następujące operacje: 13 / 2 = 30 / 5 = 73 / 15 = 15 / 23 = 13 % 2 = 30 % 5 = 73 % 15 = 15 % 23 =

Andrzej Leśnicki Laboratorium CPS Ćwiczenie 6 1/8 ĆWICZENIE 6. Dyskretne przekształcenie Fouriera DFT

Szybka transformacja Fouriera

Podstawy Automatyki. wykład 1 ( ) mgr inż. Łukasz Dworzak. Politechnika Wrocławska. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji (I-24)

DYSKRETNE PRZEKSZTAŁCENIE FOURIERA C.D.

Przetwarzanie i transmisja danych multimedialnych. Wykład 8 Transformaty i kodowanie cz. 2. Przemysław Sękalski.

Generowanie sygnałów na DSP

Kurs wyrównawczy - teoria funkcji holomorficznych

Cyfrowe przetwarzanie i kompresja danych

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

6. FUNKCJE. f: X Y, y = f(x).

Spis treści. Metody nieparametryczne. Transformacja Fouriera

Propagacja w przestrzeni swobodnej (dyfrakcja)

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Dyskretne układy liniowe. Funkcja splotu. Równania różnicowe. Transform

Algorytmy detekcji częstotliwości podstawowej

Algorytmy i struktury danych. Wykład 4

Informacja o przestrzeniach Hilberta

Ważne rozkłady i twierdzenia

Różne reżimy dyfrakcji

1. Pochodna funkcji. 1.1 Pierwsza pochodna - definicja i własności Definicja pochodnej

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Licencjackie, WDAM, grupy I i II

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Przekształcenia całkowe. Wykład 1

Teoria Sygnałów. Inżynieria Obliczeniowa II rok 2018/19. Wykład 10. ( t) Wykorzystanie transformacji Fouriera w analizie korelacyjnej

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych

Stacjonarność i ergodyczność

Analiza obrazów - sprawozdanie nr 2

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Transformata Fouriera. Sylwia Kołoda Magdalena Pacek Krzysztof Kolago

Prawdopodobieństwo i statystyka

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Przekształcenie Fouriera obrazów FFT

Szybka transformacja Fouriera (FFT Fast Fourier Transform)

Wykład 2. Transformata Fouriera

Analiza szeregów czasowych: 6. Liniowe modele niestacjonarne

Od neuronu do sieci: modelowanie układu nerwowego

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /10

CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

4. Postęp arytmetyczny i geometryczny. Wartość bezwzględna, potęgowanie i pierwiastkowanie liczb rzeczywistych.

Funkcja pierwotna. Całka nieoznaczona. Podstawowe wzory. Autorzy: Konrad Nosek

Dyskretne przekształcenie Fouriera cz. 2

przedmiot kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES) obieralny (obowiązkowy / nieobowiązkowy) polski semestr VI

FUNKCJE LICZBOWE. Na zbiorze X określona jest funkcja f : X Y gdy dowolnemu punktowi x X przyporządkowany jest punkt f(x) Y.

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Matematyka dyskretna

Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Przetwarzanie sygnałów laboratorium ETD5067L

1. Granice funkcji - wstępne definicje i obliczanie prostych granic

Przetwarzanie sygnałów

KURS LICZB ZESPOLONYCH

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Analiza obrazu. wykład 5. Marek Jan Kasprowicz Uniwersytet Rolniczy 2008

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

CYFROWE PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

Transformacje i funkcje statystyczne

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 2 Badanie funkcji korelacji w przebiegach elektrycznych.

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Kartkówka 1 Opracowanie: Próbkowanie częstotliwość próbkowania nie mniejsza niż podwojona szerokość przed spróbkowaniem.

Kompresja Danych. Streszczenie Studia Dzienne Wykład 13, f(t) = c n e inω0t, T f(t)e inω 0t dt.

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów. Ćwiczenie 2. Analiza widmowa

Transformacja Fouriera i biblioteka CUFFT 3.0

Ćwiczenie 4. Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI)

Transkrypt:

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy. P. F. Góra http://th-www.if.uj.edu.pl/zfs/gora/ semestr letni 2007/08

Splot Jedna z najważniejszych własności transformaty Fouriera jest to, że transformata splotu jest iloczynem transformat. Chcielibyśmy zachować tę własność także po dyskretyzacji (próbkowaniu) sygnału. Najpierw jednak trzeba zdefiniować dyskretny splot sygnałów o skończonym czasie trwania: (r s) j = M/2 k= M/2+1 s j k r k. (1) 2. Splot. Widmo mocy. 2

Jeśli splatam dwa sygnały o czasach trwania M 1, M 2, w powyższym równaniu M = max(m 1, M2) krótszy sygnał uzupełnia się zerami do długości M, przy czym należy pamiętać o założeniu, że sygnały sa okresowe! W praktyce jeden z sygnałów będzie funkcja odpowiedzi (zwana też funkcja przejścia) pewnego układu liniowego i jego czas trwania będzie znacznie mniejszy od czasu trwania sygnału wejściowego. Wówczas na wyjściu dostaniemy splot sygnału wejściowego i funkcji odpowiedzi. 2. Splot. Widmo mocy. 3

Funkcja przejścia pewnego filtru 2. Splot. Widmo mocy. 4

Wejście Wyjście 011111 0000 00000 0 001111 1000 00000 0.125 000111 1100 00000 0.625 000011 1110 00000 1.625 000001 1111 00000 1.75 000000 1111 10000 1.75 000000 0111 11000 1.625 000000 0011 11100 1.125 000000 0001 11110 0.125 000000 0000 11111 0 0.125A + 0.5B + C + 0.125D 2. Splot. Widmo mocy. 5

Impuls prostokatny spleciony z funkcja przejścia we t wy 2. Splot. Widmo mocy. 6

Splot sygnału i funkcji przejścia original convolution response 0 0 Końce sa popsute! 2. Splot. Widmo mocy. 7

Splot sygnału i funkcji przejścia original convolution response 0 0 Końce naprawione dzięki uzupełnianiu zerami 2. Splot. Widmo mocy. 8

Sposób postępowania 1. Uzupełniam sygnał wejściowy tyloma zerami, ile potrzeba do wypełnienia dłuższego ogona funkcji przejścia (niekiedy, dla zapewnienia szybkości obliczeń, najpierw muszę sygnał obciać). 2. Liczę FFT dwu sygnałów (sygnału wejściowego i funkcji odpowiedzi) jednocześnie. 3. Mnożę transformaty. 4. Dokonuję odwrotnej FFT. Całkowity koszt operacji O(2N log N) 2. Splot. Widmo mocy. 9

Nienumeryczne (?) wykorzystanie splotu Dane sa dwa wielomiany A(z), B(z) stopnia co najwyżej n: A(z) = a n z n + a n 1 z n 1 + + a 1 z + a 0, (2a) B(z) = b n z n + b n 1 z n 1 + + b 1 z + b 0. (2b) Ile wynosza współczynniki ich iloczynu, C(z) = A(z) B(z)? Mamy c 2n = a n b n (3a) c 2n 1 = a n b n 1 + a n 1 b n (3b) c 2n 2 = a n b n 2 + a n 1 b n 1 + a n 2 b n (3c)... c 0 = a 0 b 0 (3d) Suma indeksów w każdym iloczynie po prawej równa jest indeksowi po lewej. 2. Splot. Widmo mocy. 10

Ogólnie gdzie c l = ã s, b s = n k=0 ã k b l k, l = 0, 1,..., 2n, (4a) a s, b s s = 0, 1,..., n 0 s = n + 1, n + 2,..., 2n (4b) oraz używam okresowości (sic!) sygnałów do wyliczania współczynników z u- jemnymi indeksami: b j = b 2n j+1 = 0 dla j = 1, 2,..., n. Współczynniki iloczynu sa splotem współczynników obu wielomianów. Można je zatem znaleźć w czasie O(2n log 2n), nie O(n 2 ), jak by się wydawało. (Rozszerzenie {a s, b s } {ã s, b s } od razu załatwia problem wypełniania zerami.) 2. Splot. Widmo mocy. 11

Zastosowanie mnożenie dużych liczb w reprezentacji binarnej x = y = n j=0 n j=0 a j 2 j, b j 2 j, (5a) (5b) gdzie a j, b j = {0, 1}. Prawe strony sa wielomianami postaci (2) obliczanymi w z = 2. Iloczyn xy jest także wielomianem, którego współczynniki sa dane odpowiednim splotem. Dla odpowiednio dużego n czas obliczenia iloczynu przez FFT będzie mniejszy od czasu liczenia wprost! 2. Splot. Widmo mocy. 12

Widmo mocy Ciagłe widmo mocy: P (f) gęstość mocy zawartej w przedziale częstotliwości (f, f + df). Dyskretne widmo mocy: P (f n ) estymator gęstości mocy zawartej w przedziale częstotliwości (f n 1/(2N ), f n + 1/(2N )). 2. Splot. Widmo mocy. 13

Widmo dyskretne jest przybliżeniem widma prawdziwego prawdziwe widmo widmo dyskretne kanał n kanał n-1 kanał n+1 f n 2. Splot. Widmo mocy. 14

Periodogram Zgodnie z twierdzeniem Wienera-Chinczyna, widmo mocy sygnału stacjonarnego jest transformata Fouriera funkcji autokorelacji, a zatem jest równe kwadratowi modułu transformaty Fouriera. Teraz trzymanie ujemnych częstotliwości jest niewskazane sin 2πft i cos 2πft maja tę sama częstość, a mówiac nieco bardziej ściśle, widmo mocy nie niesie żadnej informacji o fazie. Estymatorem dyskretnego widma mocy jest zatem periodogram: P (0) = G(0) 2, (6a) P (f n ) = [ G(f n ) 2 + G(f n ) 2], n = 1, 2, N 2 1 (6b) P (f N/2 ) = G(f N/2 ) 2. (6c) Przy obliczaniu dyskretnego widma mocy, trzeba szczególnie uważać na stosowana konwencję odnośnie normalizacji i kolejności zapisu składowych fourierowskich! 2. Splot. Widmo mocy. 15

Zaszumiony sygnał 4 3 2 1 0 s(t) -1-2 -3-4 -5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 t 2. Splot. Widmo mocy. 16

10 3 Widmo mocy prezentowanego sygnału 10 2 10 1 P(f) 10 0 10-1 10-2 1/8 1/4 1/2 1 2 4 8 16 f 2. Splot. Widmo mocy. 17

Widmo mocy uśrednione po 64 realizacjach szumu 10 3 10 2 10 1 P(f) 10 0 10-1 10-2 1/8 1/4 1/2 1 2 4 8 16 f 2. Splot. Widmo mocy. 18

Wyciekanie widma (leakage) Ponieważ periodogram częstotliwości f k przypisuje nie tylko moc zawarta dokładnie w modzie o częstotliwości f k, ale także w pewnym przedziale wokół tej częstotliwości, widmo mocy zawarte w pewnym kanale przecieka do innych kanałów odległych o s zgodnie ze wzorem P (k s) = 1 N 2 [ sin(πs) sin(πs/n) ] 2. (7) Nie ma przeciekania mocy pomiędzy częstotliwościami należacymi do bazy Fourierowskiej (odpowiada to całkowitemu s), ale jest przeciekanie z częstotliwości leżacych w pobliżu. 2. Splot. Widmo mocy. 19

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 s Przeciekanie widma wzór (7) 2. Splot. Widmo mocy. 20

Funkcje okna Często aby wygładzić widmo oraz aby zmniejszyć wyciekanie mocy do sasied- nich kanałów, stosuje się funkcje okna: Szereg domnażamy przez funkcję, która zanika na poczatku i końcu szeregu i jest bliska jedności w środku, a następnie obliczamy transformatę tak zmodyfikowanego szeregu: D n = 1 N 1 N k=0 g k w k e 2πink/N. (8) 2. Splot. Widmo mocy. 21

Periodogram ma postać: P (0) = 1 W D 0 2, (9a) P (f n ) = 1 W P ( ) 1 f Nyq = W D N/2 2, W = N 1 k=0 [ Dn 2 + D n 2], (9b) w 2 k. (9c) (9d) 2. Splot. Widmo mocy. 22

Najczęściej stosowanymi funkcjami okna sa: Okno Barletta: w k = 1 k N/2 N/2. (10) Okno Hanna: w k = 1 2 [ 1 cos ( 2πk N )]. (11) Okno Welcha: w k = 1 ( ) 2 k N/2. (12) N/2 2. Splot. Widmo mocy. 23

1.0 0.9 Funkcje okna Hann Barlett Welch 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 N/2 N 2. Splot. Widmo mocy. 24

10 3 Widmo uśrednione, okno prostokatne 10 2 10 1 P(f) 10 0 10-1 10-2 1.00 1.25 1.50 f 2. Splot. Widmo mocy. 25

10 3 Widmo uśrednione, okno Barletta 10 2 10 1 P(f) 10 0 10-1 10-2 1.00 1.25 1.50 f 2. Splot. Widmo mocy. 26

10 3 Widmo uśrednione, okno Hanna 10 2 10 1 P(f) 10 0 10-1 10-2 1.00 1.25 1.50 f 2. Splot. Widmo mocy. 27

10 3 Widmo uśrednione, okno Welcha 10 2 10 1 P(f) 10 0 10-1 10-2 1.00 1.25 1.50 f 2. Splot. Widmo mocy. 28

10 3 okno prostokatne 10 3 okno Barletta 10 2 10 2 10 1 10 1 P(f) P(f) 10 0 10 0 10-1 10-1 10-2 1.00 1.25 1.50 10 3 f okno Hanna 10 2 10-2 1.00 1.25 1.50 10 3 f okno Welcha 10 2 10 1 10 1 P(f) P(f) 10 0 10 0 10-1 10-1 10-2 1.00 1.25 1.50 f 10-2 1.00 1.25 1.50 f 2. Splot. Widmo mocy. 29

Szeregi stacjonarne Stacjonarny szereg czasowy to taki szereg, który jakościowo nie zmienia się w czasie. Innymi słowy, obserwujac fragment tego szeregu nie sposób powiedzieć kiedy zmierzono te wartości. Formalna definicja brzmi tak: Jeżeli rozkłady przybierane przez wartości szeregu czasowego sa takie same w każdym dowolnym, dostatecznie długim, jego fragmencie i takie same, jak w całym szeregu, szereg nazywam stacjonarnym. Szereg, który nie jest stacjonarny, nazywam niestacjonarnym. Szeregi okresowe, ze zmianami sezonowymi i z trendami sa niestacjonarne. Szeregi danych giełdowych na ogół też sa niestacjonarne. W ogólności szeregów niestacjonarnych jest znacznie więcej niż stacjonarnych. 2. Splot. Widmo mocy. 30

Widmo mocy sygnałów niestacjonarnych Twierdzenie Wienera-Chinczyna pozwala wiazać periodogram tylko z widmem mocy sygnałów stacjonarnych. Co robić z sygnałami niestacjonarnymi? Dzielimy cały sygnał na zachodzace na siebie segmenty, w których sygnał jest w przybliżeniu stacjonarny, następnie obliczamy periodogram dla każdego segmentu. W ten sposób dostajemy widmo zależne od czasu. 2. Splot. Widmo mocy. 31

1.0 0.5 P(f) 32 g(t) 0.0 24-0.5 0 1 f 2 3 4 0 8 16 t 0 4 8 12 16 20 24 28 32 t Po lewej sygnał niestacjonarny. Po prawej jego zależne od czasu widmo. 2. Splot. Widmo mocy. 32

Inny przykład sygnału niestacjonarnego 80 Dzienne urodziny w Kalifornii w 1959 70 60 urodziny 50 40 30 20 10 0 64 128 192 256 320 dzień 2. Splot. Widmo mocy. 33

Zależne od czasu widmo P(t,f) 32 64 96 128 160192 t 224 256288-4 2 2-5 -2 2 2-3 f 2-1 2. Splot. Widmo mocy. 34

Zależne od czasu widmo (okno Welcha) P(t,f) 32 64 96 128 160192 t 224 256288-4 2 2-5 -2 2 2-3 f 2-1 2. Splot. Widmo mocy. 35