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《数字信号处理教程》课件
数字信号处理教程
欢迎来到《数字信号处理教程》PPT课件!本教程将介绍数字信号处理的基本 概念、采样与量化、时域和频域的分析方法等内容,让您全面了解这一重要 领域。
信号处理的基本概念
了解什么是信号和信号处理,掌握信号的基本性质和特点,以及信号处理的 应用领域。
采样与量化
学习信号的。
时域和频域的分析方法
探索时域和频域的不同分析方法,如时域图像和频谱图的应用。
傅里叶级数和傅里叶变换
了解傅里叶级数和傅里叶变换的原理和应用,掌握频域分析的关键技术。
连续时间系统和离散时间系统
掌握连续时间系统和离散时间系统的基本概念和区别,以及它们在信号处理 中的作用。
差分方程和传输函数
学习差分方程和传输函数的概念和计算方法,掌握数字滤波器的设计和分析。
离散时间傅里叶变换
了解离散时间傅里叶变换的原理和应用,掌握时频分析和滤波器设计方法。
欢迎来到《数字信号处理教程》PPT课件!本教程将介绍数字信号处理的基本 概念、采样与量化、时域和频域的分析方法等内容,让您全面了解这一重要 领域。
信号处理的基本概念
了解什么是信号和信号处理,掌握信号的基本性质和特点,以及信号处理的 应用领域。
采样与量化
学习信号的。
时域和频域的分析方法
探索时域和频域的不同分析方法,如时域图像和频谱图的应用。
傅里叶级数和傅里叶变换
了解傅里叶级数和傅里叶变换的原理和应用,掌握频域分析的关键技术。
连续时间系统和离散时间系统
掌握连续时间系统和离散时间系统的基本概念和区别,以及它们在信号处理 中的作用。
差分方程和传输函数
学习差分方程和传输函数的概念和计算方法,掌握数字滤波器的设计和分析。
离散时间傅里叶变换
了解离散时间傅里叶变换的原理和应用,掌握时频分析和滤波器设计方法。
数字信号处理基础-ppt课件信号分析与处理
3.a digital signal is said to lie in the time domain, its spectrum,which describes in frequency content,lies in the frequency domain.
4.filtering modified the spectrum of a signal by eliminating one or more frequency elements from it.
5.digital signal processing has many applications, including speech recognition,music and voice synthesis,image processing,cellular phones,modems,and audio and video compression.
2020/4/13
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第2章 模数转换和数模转换
2.1 简单的DSP系统(A Simple DSP System) 2.2 采样(Sampling) 2.3 量化(Quantization) 2.4 模数转换(Analog-to-Digital Conversion) 2.5 数模转换(Digital-to-Analog Conversion) 小结 (Chapter Summary)
2020/4/13
1.5 语音、音乐、图像及其他 1.5 SPEECH,MUSIC,IMAGES,AND MORE
DSP在许多领域都有惊人的应用,并且应用的数量与日俱增。
1)利用数字语音信号(speech signals)中的信息可以识别连续语 音中的大量词汇。
2)DSP在音乐和其他声音处理方面有着重要的作用。
4.filtering modified the spectrum of a signal by eliminating one or more frequency elements from it.
5.digital signal processing has many applications, including speech recognition,music and voice synthesis,image processing,cellular phones,modems,and audio and video compression.
2020/4/13
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第2章 模数转换和数模转换
2.1 简单的DSP系统(A Simple DSP System) 2.2 采样(Sampling) 2.3 量化(Quantization) 2.4 模数转换(Analog-to-Digital Conversion) 2.5 数模转换(Digital-to-Analog Conversion) 小结 (Chapter Summary)
2020/4/13
1.5 语音、音乐、图像及其他 1.5 SPEECH,MUSIC,IMAGES,AND MORE
DSP在许多领域都有惊人的应用,并且应用的数量与日俱增。
1)利用数字语音信号(speech signals)中的信息可以识别连续语 音中的大量词汇。
2)DSP在音乐和其他声音处理方面有着重要的作用。
《数字信号处理技术》PPT课件
为便于数学处理,对截断信号做周期延拓,得到虚拟的 无限长信号。
§14.4 信号的截断、能量泄露
周期延拓后的信号与真实信号是不同的,下面从数学的角 度来看这种处理带来的误差情况。
设有余弦信号x(t),用矩形窗函数w(t)与其相乘,得到截 断信号:y(t) =x(t)w(t)
将截断信号谱 XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知,它已 不是原来的两条谱线,而是两段振荡的连续谱. 原来集中在f0处
a) 多种多样的工业用计算机。
§14.1 数字信号处理概述
2) 计算机软硬件技术发展的有力推动
b) 灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统
§14.1 数字信号处理概述
案例:铁路机车FSK信号检测与分析
京广线计划提速到200公里/小时 合作任务:机车状态信号识别(频率解调)
§14.2 模数(A/D)和数模(D/A)
§14.3 采样定理
2 采样定理
A/D采样前的抗混迭滤波:
对象
物理信号
传 感 器
电信号
放 大 调 制
电信号
A/D 转换
数字信号
展开
放大
低通滤波 (0~Fs/2)
§14.3 采样定理
用计算机进行测试信号处理时,不可能对无限长的 信号进行测量和运算,而是取其有限的时间片段进行分析, 这个过程称信号截断。
1、数字信号处理的主要研究内容
数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号,并 用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。内容包括数字 波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。
A
X(0)
X(1)
0
t
X(2)
E
1 N
X
i
X(3)
X(4)
§14.4 信号的截断、能量泄露
周期延拓后的信号与真实信号是不同的,下面从数学的角 度来看这种处理带来的误差情况。
设有余弦信号x(t),用矩形窗函数w(t)与其相乘,得到截 断信号:y(t) =x(t)w(t)
将截断信号谱 XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知,它已 不是原来的两条谱线,而是两段振荡的连续谱. 原来集中在f0处
a) 多种多样的工业用计算机。
§14.1 数字信号处理概述
2) 计算机软硬件技术发展的有力推动
b) 灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统
§14.1 数字信号处理概述
案例:铁路机车FSK信号检测与分析
京广线计划提速到200公里/小时 合作任务:机车状态信号识别(频率解调)
§14.2 模数(A/D)和数模(D/A)
§14.3 采样定理
2 采样定理
A/D采样前的抗混迭滤波:
对象
物理信号
传 感 器
电信号
放 大 调 制
电信号
A/D 转换
数字信号
展开
放大
低通滤波 (0~Fs/2)
§14.3 采样定理
用计算机进行测试信号处理时,不可能对无限长的 信号进行测量和运算,而是取其有限的时间片段进行分析, 这个过程称信号截断。
1、数字信号处理的主要研究内容
数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号,并 用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。内容包括数字 波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。
A
X(0)
X(1)
0
t
X(2)
E
1 N
X
i
X(3)
X(4)
《数字信号处理原理》课件
数字信号处理可用于医学图像处理、心电图 分析、脑电图分析等。
数字信号的采集与量化
数字信号处理的第一步是对连续信号进行采样和量化。采样将连续信号转换 为离散信号,而量化则将信号的幅值量化为离散数值。
数字信号处理傅里叶级数和傅里叶变换将 信号分解为频域成分,用于 频谱分析和滤波。
带阻滤波器阻止一定范围内的频率信号通过, 而允许其他频率信号通过。
FIR滤波器和IIR滤波器的区别
FIR滤波器(有限脉冲响应滤波器)和IIR滤波器(无限脉冲响应滤波器)是两 种常见的数字滤波器类型。它们在设计和性能上有所不同,适用于不同的应 用场景。
互相关和自相关分析
互相关和自相关分析是数字信号处理中常用的分析方法。互相关用于信号的 相似性比较,自相关用于信号的周期性分析。
卷积
卷积是数字信号处理中常见 的运算,可以用于信号滤波、 系统响应等方面。
离散时间系统
离散时间系统是数字信号处 理的基本模型,用于描述信 号处理系统的特性。
时域分析与频域分析
时域分析关注信号随时间的变化,频域分析关注信号在频率上的特征。通过 这两种分析方法,可以深入了解信号的属性和特性。
傅里叶变换及其应用
信号去噪
信号去噪是数字信号处理中的重要任务。通过滤波和降噪算法,可以有效地去除信号中的噪声,提升信号的质 量和可靠性。
信号增强
信号增强是数字信号处理的一项重要任务。通过滤波、增益调整等方法,可以增强信号的强度、清晰度和可感 知性。
信号压缩
信号压缩是数字信号处理中的重要技术。通过压缩算法和编码技术,可以减 少信号的存储空间和传输带宽,实现高效的信号处理和传输。
傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学工具。它在数字信号处理 中广泛应用于频谱分析、滤波、压缩等领域,为信号处理提供了强大的工具。
数字信号的采集与量化
数字信号处理的第一步是对连续信号进行采样和量化。采样将连续信号转换 为离散信号,而量化则将信号的幅值量化为离散数值。
数字信号处理傅里叶级数和傅里叶变换将 信号分解为频域成分,用于 频谱分析和滤波。
带阻滤波器阻止一定范围内的频率信号通过, 而允许其他频率信号通过。
FIR滤波器和IIR滤波器的区别
FIR滤波器(有限脉冲响应滤波器)和IIR滤波器(无限脉冲响应滤波器)是两 种常见的数字滤波器类型。它们在设计和性能上有所不同,适用于不同的应 用场景。
互相关和自相关分析
互相关和自相关分析是数字信号处理中常用的分析方法。互相关用于信号的 相似性比较,自相关用于信号的周期性分析。
卷积
卷积是数字信号处理中常见 的运算,可以用于信号滤波、 系统响应等方面。
离散时间系统
离散时间系统是数字信号处 理的基本模型,用于描述信 号处理系统的特性。
时域分析与频域分析
时域分析关注信号随时间的变化,频域分析关注信号在频率上的特征。通过 这两种分析方法,可以深入了解信号的属性和特性。
傅里叶变换及其应用
信号去噪
信号去噪是数字信号处理中的重要任务。通过滤波和降噪算法,可以有效地去除信号中的噪声,提升信号的质 量和可靠性。
信号增强
信号增强是数字信号处理的一项重要任务。通过滤波、增益调整等方法,可以增强信号的强度、清晰度和可感 知性。
信号压缩
信号压缩是数字信号处理中的重要技术。通过压缩算法和编码技术,可以减 少信号的存储空间和传输带宽,实现高效的信号处理和传输。
傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学工具。它在数字信号处理 中广泛应用于频谱分析、滤波、压缩等领域,为信号处理提供了强大的工具。
《数字信号处理原理》PPT课件
•Digital signal and image filtering
•Cochlear implants
•Seismic analysis
•Antilock brakes
•Text recognition
•Signal and image compression
•Speech recognition
•Encryption
•Satellite image analysis
•Motor control
•Digital mapping
•Remote medical monitoring
•Cellular telephones
•Smart appliances
•Digital cameras
•Home security
Upper Saddle River, New Jersey 07458
All rights reserved.
FIGURE 1-4 Four frames from high-speed video sequence. “ Vision Research, Inc., Wayne, NJ., USA.
Joyce Van de Vegte Fundamentals of Digital Signal Processing
ppt课件
11
Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc.
Upper Saddle River, New Jersey 07458
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Joyce Van de Vegte Fundamentals of Digital Signal Processing
《数字信号处理讲》PPT课件
4
根本概念
信号
• 信号是信息的载体 • 信号是信息的表现形式 • 信息那么是信号的具体内容 交通灯信号传递的信息:红灯停而绿灯行
5
信号分类
根本概念
时间和幅 度都是连 续数值的
信号
时间和幅 度都离散 化的信号
6
根本概念
常用根本信号
正弦信号 锯齿信号
复指数信号
方波信号
7
信号采集
信号是如何被采集的呢?
30
翻转运算
信号处理
2n1, n≥1 x(n)0, n<1
信号X(-n)为多少呢?
2n1, n≤1
x(n) 0,
n>1
31
累加运算
信号处理
设序列为x(n),那么序列
n
y(n) x(k) k
定义为对x(n)的累加,表示将n 以前的所
有x(n)值求和。
32
差分运算
信号处理
•前向差分:将序列先进展左移,再相减 •Δx(n) = x(n+1)- x(n)
《数字信号处理讲》PPT 课件
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目录
➢ 根本概念 ➢ 信号采集 ➢ 信号处理
2
2n, n<0
y(n) n1,
n≥0
信号X(n)与信号Y(n)和为多少呢?
2n, x(n)y(n) 32,
2n1n1,
n<1 n1 n≥0
20
和运算
信号处理
2n, x(n)y(n) 32,
根本概念
信号
• 信号是信息的载体 • 信号是信息的表现形式 • 信息那么是信号的具体内容 交通灯信号传递的信息:红灯停而绿灯行
5
信号分类
根本概念
时间和幅 度都是连 续数值的
信号
时间和幅 度都离散 化的信号
6
根本概念
常用根本信号
正弦信号 锯齿信号
复指数信号
方波信号
7
信号采集
信号是如何被采集的呢?
30
翻转运算
信号处理
2n1, n≥1 x(n)0, n<1
信号X(-n)为多少呢?
2n1, n≤1
x(n) 0,
n>1
31
累加运算
信号处理
设序列为x(n),那么序列
n
y(n) x(k) k
定义为对x(n)的累加,表示将n 以前的所
有x(n)值求和。
32
差分运算
信号处理
•前向差分:将序列先进展左移,再相减 •Δx(n) = x(n+1)- x(n)
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目录
➢ 根本概念 ➢ 信号采集 ➢ 信号处理
2
2n, n<0
y(n) n1,
n≥0
信号X(n)与信号Y(n)和为多少呢?
2n, x(n)y(n) 32,
2n1n1,
n<1 n1 n≥0
20
和运算
信号处理
2n, x(n)y(n) 32,
《数字信号处理讲》课件
3
算法优化
FFTW等库提供了优化的FFT算法实现,提高了计算速度和效率。
频域分析方法
频谱分析
频谱分析是对信号的频域特性进行分析,可用于频率成分提取、噪声分析等。
滤波器设计
通过频域分析方法可以设计数字滤波器,实现信号的去噪、增强等处理。
频域采样
频域采样是一种通过对信号频谱的采样来实现快速分析和处理的方法。
噪声
噪声是信号处理中的随机干扰, 会影响信号质量和处理结果。
信噪比
信噪比是衡量信号与噪声强度之 间关系的指标,较高的信噪比表 示较好的信号质量。
噪声降低
噪声降低技术可用于减少噪声对 信号处理结果的影响,提高信号 质量。
数字信号处理应用
1 语音处理
通过数字信号处理技术可以实现语音合成、语音识别、语音增强等应用。
பைடு நூலகம்2 图像处理
数字信号处理在图像处理中可以进行图像增强、边缘检测、目标识别等。
3 音频处理
音频处理包括音频编码、音频特效处理、音频识别等多个方面的应用。
时域分析方法
1
时域信号表示
时域分析是对信号在时间上的变化进行分析,并用时域表示方法进行描述。
2
自相关函数
自相关函数衡量信号的相似性和周期性,可以用于信号的频率分析和滤波。
3
卷积
卷积是时域分析中常用的运算,可以用于信号的滤波、系统响应分析等。
离散傅里叶变换(DFT)
傅里叶变换
傅里叶变换将信号从时域变换到 频域,可用于频域分析和滤波。
离散傅里叶变换
离散傅里叶变换是有限长序列的 傅里叶变换,用于处理离散信号 的频谱分析。
DFT的应用
DFT广泛应用于图像处理、音频 编码、通信系统等领域。
《数字信号处理》课件
05
数字信号处理中的窗函 数
窗函数概述
窗函数定义
窗函数是一种在一定时间 范围内取值的函数,其取 值范围通常在0到1之间。
窗函数作用
在数字信号处理中,窗函 数常被用于截取信号的某 一部分,以便于分析信号 的局部特性。
窗函数特点
窗函数具有紧支撑性,即 其取值范围有限,且在时 间轴上覆盖整个分析区间 。
离散信号与系统
离散信号的定义与表示
离散信号是时间或空间上取值离散的信号,通常用序列表示。
离散系统的定义与分类
离散系统是指系统中的状态变量或输出变量在离散时间点上变化的 系统,分类包括线性时不变系统和线性时变系统等。
离散系统的描述方法
离散系统可以用差分方程、状态方程、传递函数等数学模型进行描 述。
Z变换与离散时间傅里叶变换(DTFT)
1 2 3
Z变换的定义与性质
Z变换是离散信号的一种数学处理方法,通过对 序列进行数学变换,可以分析信号的频域特性。
DTFT的定义与性质
DTFT是离散时间信号的频域表示,通过DTFT可 以分析信号的频域特性,了解信号在不同频率下 的表现。
Z变换与DTFT的关系
Z变换和DTFT在某些情况下可以相互转换,它们 在分析离散信号的频域特性方面具有重要作用。
窗函数的类型与性质
矩形窗
矩形窗在时间轴上均匀取值,频域表现为 sinc函数。
汉宁窗
汉宁窗在时间轴上呈锯齿波形状,频域表现 为双曲线函数。
高斯窗
高斯窗在时间轴上呈高斯分布,频域表现为 高斯函数。
海明窗
海明窗在时间轴上呈三角波形状,频域表现 为三角函数。
窗函数在数字信号处理中的应用
信号截断
通过使用窗函数对信号进行截 断,可以分析信号的局部特性
数字信号处理 课件
数字信号处理课件
数字信号处理是一门涉及数字信号的获取、处理和分析的学科。
在数字信号处理课程中,学生将学习关于数字信号的基本概念、数
字滤波器设计、频域分析、采样定理、离散傅立叶变换等内容。
课
程通常涵盖了以下主题:
1. 数字信号和系统基础知识,包括离散时间信号和系统的表示、采样和量化、离散时间信号的运算等。
2. 离散时间信号分析,学习离散时间信号的性质、离散时间系
统的性能分析等。
3. 离散傅立叶变换(DFT),理解DFT的定义、性质和应用,
包括快速傅立叶变换(FFT)算法。
4. 数字滤波器设计,包括有限脉冲响应(FIR)滤波器和无限
脉冲响应(IIR)滤波器的设计原理和方法。
5. 频域分析,学习数字信号在频域中的表示和分析方法,如功
率谱密度估计等。
6. 采样定理,理解采样定理的原理和应用,以及采样率对信号
重构的影响。
在数字信号处理课程中,学生通常会接触到一些常见的工具和
软件,如MATLAB、Python等,用于进行数字信号处理的仿真和实验。
此外,课程还可能涉及到一些现实生活中的应用案例,如音频处理、图像处理等,以便帮助学生更好地理解数字信号处理的实际应用。
总的来说,数字信号处理课程涵盖了广泛的知识领域,从基本
概念到实际应用,学生将会系统地学习数字信号处理的理论和方法,为日后的工程实践打下坚实的基础。
数字信号处理 (17)
与H(k)的关系?
由
h(n)
1
N 1
H (k)e j2nk / N , n 0,1,, N 1
N k0
H(z)
N 1
h(n)z n
N 1
1
N
1
H
(k )e
j 2nk
/
N
z
n
n0
n0 N k 0
1 N
N 1 k 0
H
(k
)
N 1 n0
e
j
2nk
/
N
z
n
1 N
N 1
1 zN
有缘学习更多+谓ygd3076或关注桃报:奉献教育(店铺)
二.设计方法
1)确定 H k、 k Hd (e j ) 2k H (k ) Hk e jk ,
N
k 0,1,, N 1
2)计算h(n)
h(n)
1
N 1
H (k )e j 2nk / N ,
n 0,1,, N 1
N k0
3)计算 H ( z)
§5.3 频率采样法
工程上,常给定频域上的技术指标,所以采用频域设计 更直接。
一、基本思想
使所设计的FIR数字滤波器的频率特性在某些离散频率 点上的值准确地等于所需滤波器在这些频率点处的值,在其 它频率处的特性则有较好的逼近。
内插公式
逼近误差
由 H(k) 得到了H(z) 或
要讨论
与
。 的逼近程度
,以及
ik ik
,i 0,1,, N 1
N 1
H (e j )
H (k )k e j
k 0
内插公式表明:
在每个采样点上,
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(2)DFT 点数 N L
( 据频域 采样定 理, N=L 即可从 X(k)通过 内插完 全恢复X ( ) 。
因 此,N=32>L=20 的 离散 频谱已 足够反 映 DTFT 谱 。N=64 有 何 意义? 为 什么要 提出 computational frequency resolution? ―― The question of how accurately the DFT represents the peaks in the spectrum. )
To m ak e the peak at f 0 coin cide with one of th e D F T frequencies, k0 should be an integer in〔 0,N-1〕 :
f0 k0
fs N
k0 N
f0 fs
(9.3.1)
For the peak at f0 (equivalent with f 0 f s ), the
DFT:
linear transformation finite x(n)
(can be implemented by a matrix)
finite X(k)
X ( k )
L 1
x (n )e j kn
L 1
2 j kn
x(n)e N
n0
n0
j 2
记 W N e N L 1
本次课内容:
1. 数值方法求 DTFT 遇到二个问题
DFT
2. 信号的两种频率分辨率的不同含义:
DTFT 谱:f
fw
c
fs L
c 1 TL
,物理频率分辨率
DFT 谱:fbin
fs N
,计算频率分辨率
9.2 DTFT Computation
9.2.1 DTFT at a Single Frequency
It is caused by the lack of adequate physical resolution.
It can only be decreased by increasing the data length L.
● rounding error (p.493 and Fig.9.3.2)
Caused by rounding k The rounding error in the frequencies is less than
fbin f s 2 2N
It decreases with increasing DFT length N.
9.4 Matrix Form of DFT
C alculate the D FT indices in the case of Fig.9.3.1, W hen N= 32,
k1 N
f1 = 32x0.2= 6.4, N k1 = 25.6 fs
Sim ilarly,
k 2 = 8 ( i n t e g e r ), N k 2 = 2 4 ,
k3 = 9.6, N k3 = 22.4
Question:
From calculation, DFT indices k = 6 、 10 do not
represent the exact positions of f1 、 f3 .
But in Fig.9.3.1(left, bottom), k = 6,8,10 correctly identifies the three peaks in the spectrum.
f s = 10kH z, f1,2,3= 2、 2.5、 3kH z,
f1,2,3 /fs= 0.2、 0.25、 0.3)
Physical frequency resolution:
w
c
2 L
, f
fw
c
fs L
( Hz)
( 9.1.21)
( the m inim um resolvable frequency separation between two sinusoidal com ponents )
x
(
n
)W
kn N
n0
( k=0~N -1)
X (0)
X (1)
W W
0 N
0 N
W
0 N
W
1 N
W
0 N
W L 1 N
x(0)
x (1)
X ( N 1) N 1
W
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0 N
X ( ) e jD X ( )
9.3 Physical versus Com putational Resolution
Fig.9.3.1 ( The data is from exam ple 9.1.4:
x (t ) cos( 2 f1t ) cos( 2 f 2t ) cos( 2 f 3t ) ,
k
a
k b a N
a
k bin
bin : bin width
( k= 0~N-1) (9.2.4)
9.2.3 D FT
DFT(discrete Fourier transform ) 离 散 傅 立 叶 变 换
N -poin t D FT of a len gth -L sign al: D TF T at N equ ally spaced
For length-L sequence x(n),we compute DTFT at any
desired value of by
L 1
X ( ) x(n)e jn (9.2.1) n0
(Nyquist interval
[0,2 ]
, equivalent with
n0
X (k N ) X (k) (p.490)
(一个周期:k=0~N-1)
9.2.4 Zero Padding
padding zeros at the end of x(n):
X ( ) remains the same;
padding zeros to the front of x(n):
[ , ]
)
A more efficient way to evaluate polynomials (Hörner’s rule) :
L1
X (z) x(n)zn n0 x(0) z1(x(1) z1(x(2) z1(x(3) z1)))
and X () X (z) |zej
How to explain it?(p492 中间 for two reasons:)
● biasing error in DTFT spectrum (p.492)
biasing: the maxima of the peaks in the spectrum do not quite correspond to the correct frequencies.
9.2.2 DTFT over Frequency Range
To com pu te th e D TF T over a frequ en cy ran ge [ a , b ) , we can
only com pute the spectrum at N discrete frequencies:
frequencies over the full N yquist interval [0,2 ]
k
2 N
k
( k= 0~N-1)
(9.2.6)
L 1
X ( k ) X ( k ) x ( n ) e j k n n0
(9.2.8)
bin width:
bin
“index” satisfies:
f0
(k0 )
fs N
or
f0
fs
k0
fs N
fs
(N
k0)
fs N
In general, k0 and N k0 are not necessarily integers, and
the DFT will miss the exact peaks.
W
( N
N
1 )(
L
1)
N
L
x
(
L
1
)
L 1
X Ax
(9.4.1)
twiddle factor (旋 转 因 子 ):
j2 N
WN e
(9.4.4)
W
0 N
W
N N
2
1 ,WN N
1
,
W
N N
k
W
k N
,
N=L=2,
A
1 1
1 1
Com putational frequency resolution:
bin
2 N
,
f bin
fs N
( Hz)
( 9.2.9)
( the frequency bin width in the DFT case)
为 了 从 DFT 频 谱 区 分 f1、2、3,
( 1) 信 号 长 度 L f s 2 f
( 据频域 采样定 理, N=L 即可从 X(k)通过 内插完 全恢复X ( ) 。
因 此,N=32>L=20 的 离散 频谱已 足够反 映 DTFT 谱 。N=64 有 何 意义? 为 什么要 提出 computational frequency resolution? ―― The question of how accurately the DFT represents the peaks in the spectrum. )
To m ak e the peak at f 0 coin cide with one of th e D F T frequencies, k0 should be an integer in〔 0,N-1〕 :
f0 k0
fs N
k0 N
f0 fs
(9.3.1)
For the peak at f0 (equivalent with f 0 f s ), the
DFT:
linear transformation finite x(n)
(can be implemented by a matrix)
finite X(k)
X ( k )
L 1
x (n )e j kn
L 1
2 j kn
x(n)e N
n0
n0
j 2
记 W N e N L 1
本次课内容:
1. 数值方法求 DTFT 遇到二个问题
DFT
2. 信号的两种频率分辨率的不同含义:
DTFT 谱:f
fw
c
fs L
c 1 TL
,物理频率分辨率
DFT 谱:fbin
fs N
,计算频率分辨率
9.2 DTFT Computation
9.2.1 DTFT at a Single Frequency
It is caused by the lack of adequate physical resolution.
It can only be decreased by increasing the data length L.
● rounding error (p.493 and Fig.9.3.2)
Caused by rounding k The rounding error in the frequencies is less than
fbin f s 2 2N
It decreases with increasing DFT length N.
9.4 Matrix Form of DFT
C alculate the D FT indices in the case of Fig.9.3.1, W hen N= 32,
k1 N
f1 = 32x0.2= 6.4, N k1 = 25.6 fs
Sim ilarly,
k 2 = 8 ( i n t e g e r ), N k 2 = 2 4 ,
k3 = 9.6, N k3 = 22.4
Question:
From calculation, DFT indices k = 6 、 10 do not
represent the exact positions of f1 、 f3 .
But in Fig.9.3.1(left, bottom), k = 6,8,10 correctly identifies the three peaks in the spectrum.
f s = 10kH z, f1,2,3= 2、 2.5、 3kH z,
f1,2,3 /fs= 0.2、 0.25、 0.3)
Physical frequency resolution:
w
c
2 L
, f
fw
c
fs L
( Hz)
( 9.1.21)
( the m inim um resolvable frequency separation between two sinusoidal com ponents )
x
(
n
)W
kn N
n0
( k=0~N -1)
X (0)
X (1)
W W
0 N
0 N
W
0 N
W
1 N
W
0 N
W L 1 N
x(0)
x (1)
X ( N 1) N 1
W
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0 N
X ( ) e jD X ( )
9.3 Physical versus Com putational Resolution
Fig.9.3.1 ( The data is from exam ple 9.1.4:
x (t ) cos( 2 f1t ) cos( 2 f 2t ) cos( 2 f 3t ) ,
k
a
k b a N
a
k bin
bin : bin width
( k= 0~N-1) (9.2.4)
9.2.3 D FT
DFT(discrete Fourier transform ) 离 散 傅 立 叶 变 换
N -poin t D FT of a len gth -L sign al: D TF T at N equ ally spaced
For length-L sequence x(n),we compute DTFT at any
desired value of by
L 1
X ( ) x(n)e jn (9.2.1) n0
(Nyquist interval
[0,2 ]
, equivalent with
n0
X (k N ) X (k) (p.490)
(一个周期:k=0~N-1)
9.2.4 Zero Padding
padding zeros at the end of x(n):
X ( ) remains the same;
padding zeros to the front of x(n):
[ , ]
)
A more efficient way to evaluate polynomials (Hörner’s rule) :
L1
X (z) x(n)zn n0 x(0) z1(x(1) z1(x(2) z1(x(3) z1)))
and X () X (z) |zej
How to explain it?(p492 中间 for two reasons:)
● biasing error in DTFT spectrum (p.492)
biasing: the maxima of the peaks in the spectrum do not quite correspond to the correct frequencies.
9.2.2 DTFT over Frequency Range
To com pu te th e D TF T over a frequ en cy ran ge [ a , b ) , we can
only com pute the spectrum at N discrete frequencies:
frequencies over the full N yquist interval [0,2 ]
k
2 N
k
( k= 0~N-1)
(9.2.6)
L 1
X ( k ) X ( k ) x ( n ) e j k n n0
(9.2.8)
bin width:
bin
“index” satisfies:
f0
(k0 )
fs N
or
f0
fs
k0
fs N
fs
(N
k0)
fs N
In general, k0 and N k0 are not necessarily integers, and
the DFT will miss the exact peaks.
W
( N
N
1 )(
L
1)
N
L
x
(
L
1
)
L 1
X Ax
(9.4.1)
twiddle factor (旋 转 因 子 ):
j2 N
WN e
(9.4.4)
W
0 N
W
N N
2
1 ,WN N
1
,
W
N N
k
W
k N
,
N=L=2,
A
1 1
1 1
Com putational frequency resolution:
bin
2 N
,
f bin
fs N
( Hz)
( 9.2.9)
( the frequency bin width in the DFT case)
为 了 从 DFT 频 谱 区 分 f1、2、3,
( 1) 信 号 长 度 L f s 2 f