Szereg i transformata Fouriera

Podobne dokumenty
Drgania i fale II rok Fizyk BC

Wykład 2: Szeregi Fouriera

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

1. Modulacja analogowa, 2. Modulacja cyfrowa

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

f = 2 śr MODULACJE

Transformata Fouriera i analiza spektralna

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

Analiza danych środowiskowych III rok OŚ

PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

dr inż. Artur Zieliński Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej Wydział Chemiczny PG pokój 311

CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

dr inż. Artur Zieliński Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej Wydział Chemiczny PG pokój 311

Zmiany fazy/okresu oscylacji Chandlera i rocznej we współrzędnych bieguna ziemskiego.

DYSKRETNA TRANSFORMACJA FOURIERA

Generowanie sygnałów na DSP

Transformaty. Kodowanie transformujace

Temat ćwiczenia. Analiza częstotliwościowa

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Różne reżimy dyfrakcji

Transformata Fouriera

Rozdział 1 PODSTAWOWE POJĘCIA I DEFINICJE

(1.1) gdzie: - f = f 2 f 1 - bezwzględna szerokość pasma, f śr = (f 2 + f 1 )/2 częstotliwość środkowa.

DYSKRETNE PRZEKSZTAŁCENIE FOURIERA C.D.

Propagacja w przestrzeni swobodnej (dyfrakcja)

Transformacje Fouriera * podstawowe własności

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

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

FFT i dyskretny splot. Aplikacje w DSP

) (2) 1. A i. t+β i. sin(ω i

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Przekształcenie Fouriera obrazów FFT

Dr inż. Agnieszka Wardzińska pokój: 105 Polanka Advisor hours: Tuesday: Thursday:

TERAZ O SYGNAŁACH. Przebieg i widmo Zniekształcenia sygnałów okresowych Miary sygnałów Zasady cyfryzacji sygnałów analogowych

Ćwiczenie nr 6 Charakterystyki częstotliwościowe

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

Podstawowe człony dynamiczne

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

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

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

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

Lepkosprężystość. Metody pomiarów właściwości lepkosprężystych materii

Przetwarzanie sygnałów

Zmiany fazy/okresu oscylacji Chandlera i rocznej we współrzędnych bieguna ziemskiego.

9. Dyskretna transformata Fouriera algorytm FFT

Diagnostyka obrazowa

7 Dodatek II Ogólna teoria prądu przemiennego

ANALIZA HARMONICZNA DŹWIĘKU SKŁADANIE DRGAŃ AKUSTYCZNYCH DUDNIENIA.

Teoria Sygnałów. III rok Informatyki Stosowanej. Wykład 8

Funkcje analityczne. Wykład 12

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

Materiały pomocnicze do wykładu

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Dyskretne przekształcenie Fouriera cz. 2

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów. Ćwiczenie 2. Analiza widmowa

Funkcje analityczne. Wykład 2. Płaszczyzna zespolona. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

dr inż. Krzysztof Stawicki

Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Przetwarzanie sygnałów laboratorium ETD5067L

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

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

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Induktor i kondensator. Warunki początkowe. oraz ciągłość warunków początkowych

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Diagnostyka obrazowa

Wykład 2 Zmienne losowe i ich rozkłady

Politechnika Łódzka. Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej

Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

POLITECHNIKA OPOLSKA

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Projekt nr 4. Dynamika ujęcie klasyczne

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

Blok I: Wyrażenia algebraiczne. dla xy = 1. (( 7) x ) 2 ( 7) 11 7 x c) x ( x 2) 4 (x 3 ) 3 dla x 0 d)

Materiały pomocnicze do wykładu

Wykład 9. Fizyka 1 (Informatyka - EEIiA 2006/07)

Przekształcenia widmowe Transformata Fouriera. Adam Wojciechowski

Część 1. Transmitancje i stabilność

Prawdopodobieństwo i statystyka

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

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

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

Transformacja Fouriera i biblioteka CUFFT 3.0

Przetwarzanie sygnału cyfrowego (LabVIEW)

Laboratorum 2 Badanie filtru dolnoprzepustowego P O P R A W A

MODULACJA. Definicje podstawowe, cel i przyczyny stosowania modulacji, rodzaje modulacji. dr inż. Janusz Dudczyk

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Prawdopodobieństwo i statystyka

6. Transmisja i generacja sygnałów okresowych

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

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Warunek zaliczenia wykładu: wykonanie sześciu ćwiczeń w Pracowni Elektronicznej

Symulacja sygnału czujnika z wyjściem częstotliwościowym w stanach dynamicznych

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Przetwarzanie sygnałów z czasem ciągłym

Rozdział 8. Analiza fourierowska. 8.1 Rozwinięcie w szereg Fouriera

Transkrypt:

Analiza danych środowiskowych III rok OŚ Wykład 3 Andrzej Leśniak KGIS, GGiOŚ AGH Szereg i transformata Fouriera Cel wykładu: Wykrywanie i analiza okresowości w szeregach czasowych

Przepływ wody w rzece Neuse (USA) Przepływ m 3 /dzień 365 dni 1 rok Czas [dni] Temperatura powietrza Black Rock Forest 365 dni 1 rok

Temperatura powietrza Black Rock Forest 1 dzień time, days Występują różne cykle zmienna okresowość danych Cykliczność zjawisk i ich okresy astronomiczne inne naturalne antropogeniczne rotacja Ziemi 1 dzień fale morskie kilka sekund Prąd elektryczny 6 Hz obieg wokół Słońca 1 rok uderzenia serca 4-1/min Gramofon 33 1/3 Przypływy mórz 1 g, 1 dzień, 1 miesiąc

Drgania sinusoidalne f(t)= C cos{ π(t-t ) / T } 3 cosine example amplituda, C 1 d(t) -1 - okres, T -3 1 3 4 5 6 7 8 9 time, time, t t przesunięcie (ew. faza), t Okresowość może występować zarówno w danych które są zależne od czasu jak i od zmiennej przestrzennej zmienne w czasie f(t)= C cos{ πt / T } amplituda, C okres, T częstotliwość, f=1/t częstotliwość kątowa, ω= π/t f(t)= C cos(ωt) zmienne w przestrzeni f(x)= C cos{ πx / λ} amplituda, C długość fali, λ częstość f=1/λ liczba falowa, k= π/ λ f(x)= C cos(kx)

cykliczność danych w przestrzeni i liczby falowe naturalne antropogeniczne wydmy dziesiątki setki metrów słoje drzew kilka milimetrów grzędy na polu ziemniaczanym kilkadziesiąt cm Łączenie sinusa i kosinusa pozwala wyeliminować przesunięcie czasu gdzie oraz

Dowód jest dość prosty pamiętając, że:

Szereg Fouriera Model liniowy zbudowany wyłącznie z funkcji sinus i kosinus dane = suma funkcji sinus i kosinus ω - zmienne pomocnicze A, B to parametry modelu zasadniczy problem jak dobrać częstotliwości kątowe (wartości i ich maksymalna liczba)? Dla danych spróbkowanych ze stałym krokiem większe niż f N = 1 t nie będą wykryte. t częstotliwości częstotliwość Nyquista wartości częstotliwości : zakładamy, że częstotliwości są rozłożone równomiernie począwszy od częstotliwości zero do częstotliwości max (tj. do f ), czyli ω = ( n 1) ω N Ilość punktów na osi częstotliwości: Ilość danych N = ilość parametrów (A i i B i ) do określenia. Dla częstotliwości ω = cos()=1 i sin()= Ilość różnych częstotliwości N/+1 f N = 1 t ω N = π f N = π t ( π t) π ω 1 ω = = f = = N N t π N t n

Ilość częstotliwości: dlaczegon/+1 a nie N/? pierwszy i ostatni sinus w szeregu Fouriera są pomijane ponieważ są tożsamościowo równe zeru: ( t) B1 sin = B B N + 1 N + 1 sin ω N + 1 t = B π sin n t = t N + 1 N sin ω t = B N + 1 N sin π t = N t cos(½nδω t) cos(t) cos(δω t) sin(δωt) cos(δω t) sin(δω t) - - - - - - 5 5 5 5 5 5 1 1 1 1 1 1 time, s 15 15 15 15 15 15 5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3

x x ( t) = sin( πf ) x Twierdzenie Nyquista o próbkowaniu t ( n) = sin( πf n t) po spróbkowaniu Ponieważ sinus jest funkcją okresową można zapisać: ( n) = π f n t) = sin(πf n t + π ) sin( m Drugi wyraz można zapisać jako: m sin( πf n t + πm) = sin π ( f + ) n t n t ( n) = πf n t) = sin( ( f + kf ) n t) x sin( π s jeśli m = kn t = 1 f to s Podczas próbkowania z częstotliwością f s próbek/s nie ma możliwości rozróżnienia spróbkowanych przebiegów sinusoidalnych o częstotliwości f Hz i f +kf s Hz (k liczba całkowita) 1 d 1 (t) = cos(ω 1 t), with ω 1 = ω d 1 (t) d1(t) -1-5 1 15 time, t d (t) = cos{ω t}, with ω =(+N) ω, time, t 1 d (t) d(t) -1-5 1 15 time, t time, t

Pytanie zasadnicze: czy na podstawie zapisu dyskretnego można odtworzyć funkcję ciągłą? A jeśli tak, to jakie musi ona spełniać warunki? Odpowiedź: Sygnał musi mieć ograniczone pasmo częstotliwościowe tj. X(ω) = dla ω > ω max Sygnałami o ograniczonym paśmie mogą być zarówno sygnały o ograniczonej energii, jak i o ograniczonej mocy. Jedno jest jasne zbyt rzadkie próbkowanie powoduje niejednoznaczność w definiowaniu krzywej ciągłej. Zachodzi w tym wypadku zjawisko aliasingu. (ang. Alias: Two names for the same person, or thing) Innymi słowami: kiedy m=n+n lub kiedy ω m =ω n +ω ny tylko przedziałω ny na osi ω jest określony jednoznacznie, powiedzmy od -ω ny do+ω ny punkty ekwiwalentne na osi ω ω ny ω ny ω ny 3ω ny ω

problemy jakie rodzi aliasing wysokie częstotliwości maskują niskie częstotliwości remedium: należy usunąć wysokie częstotliwości z danych przed ich spróbkowaniem (analogowe filtry antyaliasingowe) Dyskretny Szereg Fouriera B N/

Rozwiązanie: metodą najmniejszych kwadratów est T -1 T może zostać znacznie uproszczone, gdyż znamy postać analityczną wyrażenia i Szereg Fouriera nieujemne częstotliwości tylko dla zakresu od doω ny Używając liczb zespolonych wzór powyższy można zapisać w postaci: częstotliwości nieujemne częstotliwości ujemne

Rozwiązanie zagadnienia najmniejszych kwadratów dla obliczenia n lub Dyskretna transformacja Fouriera Jak rysować A i B, tj, wyliczone parametry modelu? propozycja 1 widmowa gęstość mocy versus częstotliwość propozycja amplituda gęstości spektralnej versus częstotliwość

amplituda amplituda gęstości spectrum spektralnej gęstości spectrum spektralnej 3 1 15 1.5.1.15..5.3.35.4.45.5 frequency, cycles per day 5 Wielkość przepływu w rzece Neuse częstotliwość, cykli na dzień 6. dni 18.6 dni wszystko co interesujące blisko początku, wobec tego lepiej rysować okres, T=1/f 365. dni 1 3 4 5 6 7 8 9 1 period, days okres, dni Dlaczego wolimy postać zespoloną szeregu Fouriera? Jedna funkcja, exp(),jest lepsza niż dwie, cos() & sin() Działania algebraiczne na exp() są prostsze niż na cos() & sin(), e.g. exp(a) / exp(b) = exp( a b) co znacznie upraszcza wzory. Tradycja i opinia większości bo każdy używa postaci zespolonej! NAJWAŻNIEJSZE - MatLab używa postaci zespolonej!!!.