第7章采样啊.ppt

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第7章采样啊

第七章 采样 就目前的技术状态而言,大部分的信号处理装置是数字式的,而实际要处理的信号却有相当一部分是模拟信号,如声音、图象等。 我们经常要问的问题是,模拟信号通过什么样的方式进行数字化处理?一个模拟系统所对应的数字系统应该是什么样的? 本章的目的是:在连续时间信号和离散时间信号之间建立联系、在连续时间系统和离散时间系统之间建立联系、研究连续时间信号在计算机/数字硬件里面表达的方式。 7.3利用内插从样本值重建连续时间信号 所谓内插(Interpolation),就是用一个连续函数的一些样本值来重建(Reconstruction)这个函数。 内插在工程上是一个重要的概念,因为实数域是稠密的,计算机无法存储和处理一个连续信号,但是可以存储这个信号的一组样本值,也就是,实际上也是这么做的,如果这组样本值能够完全重建或者近似重建这个信号,问题也就解决了。 7.3.1 带限内插 我们先讨论一种完全重建信号的方式:带限内插。 我们说,因为前一级系统的带宽有限性,导致我们要处理的信号的带宽总是有限的,也就是带限信号。 例如,虽然自然的声音信号具有很高的频率,但是麦克风的带宽有限,这就使得信号处理系统的输入信号是有限带宽的信号; 虽然自然的图象信号具有很高的频率,但是图象采集设备摄像机的硅靶的分辨率是有限的,也就是说摄像机的带宽有限,这就使得图象处理系统的输入信号是有限带宽的图象信号。 前面的讨论说明,如果采样的间隔足够密、频率足够高,达到了萘奎斯特率,即,那么带限信号就能够可以被完全重建。 7.3.2零阶保持内插 理想低通滤波器是很难实现,工程上,一般也不要求完全的重建,有时近似的重建就足够了。采用近似重建的方法之一是用零阶保持信号重建信号。 对于图像而言,细节对应于高频,轮廓对应于低频。人的视力是有限的,对于图象信号一些小的细节是看不出来的,即,很高的频率分量看不出来,人眼相当于低通滤波器;摄像机的硅靶的分辨率也是有限的,对于图象信号一些小的细节是感受不出来的,也相当于低通滤波器。 7.4欠采样 图7.17可以看出,(a)和(b)的混叠频谱都可以得到频谱(c),也就是说,通过频谱(c)无法还原频谱(a) 或者频谱(b)。在数学上,如果没有其他附加条件的话,从两个函数的和是无法推出这两个函数的。 电子系统对于自然信号的采集过程几乎都是欠采样的过程,例如,摄像机硅靶分辨率有限使得图像的细节部分被丢失;麦克风的频率响应的带宽有限导致高频率的声波震荡无法被采集。 我们假设电子系统的输入信号为带限信号,是有依据的。欠采样的情况在生活中也是常见的。 我们在影视作品中,观察到快速旋转的车轮,感觉到车轮在反向地旋转,随着车轮旋转速度的进一步加快,感觉到车轮在缓慢地正向旋转,这就是一种所谓的频闪效应。 电影胶片是每秒钟24格,PAL制式电视是每秒钟25帧,那么这些数据就是采样频率。当车轮速度(对应于信号的最高频率)很快时,欠采样就产生了。图7.19反映了这种情况,我们观察轮子的弦就会发现轮子似乎是在向后转。 将自行车架起来,将后轮的一根弦标上颜色,摇动自行车踏板,我们也可以观察到频闪效应,这是因为人类的眼睛有视觉停留,也就是说,采样频率是有限的。 7.5 用离散时间系统处理连续时间信号 本节我们来讨论连续时间信号离散化处理的过程中,信号的时域和频域的变化。连续时间信号的离散化处理的过程大致是这样的:先利用A/D(模数转换 Analog to Digital Conversion)环节将连续时间信号转变成离散时间信号,然后采用一定的离散时间算法或者结构对信号进行处理后生成,再利用D/A(数模转换 Digital to Analog Conversion)环节将还原成为连续时间信号。 7.6 对离散时间信号进行的采样 前面几节,我们讨论了对连续时间信号的采样。应该说离散时间信号也同样存在采样的问题,也同样存在用信号的少量的样本来表达整个信号的问题,也同样存在通过少量的样本来恢复整个信号的问题。 7.7连续时间信号的频谱分析 本小节我们讨论连续时间信号的频谱和离散时间信号的频谱之间的关系,具体地,就是利用FFT算法来计算连续时间信号的频谱。在很多工程实际中,我们往往要计算连续时间信号的频谱。在实际的信号处理中,我们只能处理有限长度的信号。 这里我们注意到,计算出来的正弦信号的频谱并不是冲激函数。这是因为,采集到的实际信号是有限长的,有限长信号可以看成是无限长的信号通过了一个矩形窗的结果,或者说无限长的信号乘以一个矩形窗为有限长信号。矩形窗的频谱是取样函数,理想正弦信号的频谱是冲激。因此,实际的频谱相当于冲激与取样函数的卷积,由此而造成的频谱上的失真被称为频谱泄漏(Leakage)。为了减少频谱泄漏,实际上经常采用非矩形窗,例如海宁

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