ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ

Содержание:

3.1. Разложение сигналов по единичным импульсам. Единичные импульсы. Разложение сигнала. Импульсный отклик линейной системы.

3.2. Свертка (конволюция). Интеграл Дюамеля. Техника свертки. Свойства свертки. Системы свертки. Начальные условия свертки.

Единичные импульсы. В качестве математической модели единичного импульса при анализе аналоговых сигналов используют дельта-функцию.

d(t-t) = 0 при t № t, d(t-t) dt = 1.

Функция d(t-t) не является дифференцируемой, и имеет размерность, обратную размерности ее аргумента, что непосредственно следует из безразмерности результата интегрирования. Значение дельта-функции равно нулю везде за исключением точки t, где она представляет собой бесконечно узкий импульс с бесконечно большой амплитудой, при этом площадь импульса равна 1.

Дельта-функция является полезной математической абстракцией. На практике такие функции не могут быть реализованы с абсолютной точностью, так как невозможно реализовать значение, равное бесконечности, в точке t = t на аналоговой временной шкале, т.е. определенной по времени также с бесконечной точностью. Но во всех случаях, когда площадь импульса равна 1, длительность импульса достаточно мала, а за время его действия на входе какой-либо системы сигнал на ее выходе практически не изменяется (реакция системы на импульс во много раз больше длительности самого импульса), входной сигнал можно считать единичной импульсной функцией со свойствами дельта - функции.

Функция Кронекера. Для дискретных и цифровых систем в качестве единичного импульса используется дискретный интегральный аналог дельта-функции - функция единичного отсчета d(kDt-nDt), которая равна 1 в координатной точке k = n и нулю во всех остальных точках, при этом функция d(kDt-nDt) определена только для целых значений координат k и n.

Математические выражения d(t-t) и d(kDt-nDt) называют также импульсами Дирака и Кронекера. Однако, применяя такую терминологию, не следует забывать, что это не просто единичные импульсы в координатных точках t и nDt, а импульсные функции, определяющие как значения импульсов в определенных координатных точках, так и нулевые значения по всем остальным координатам, в пределе от -Ґ до Ґ .

Разложение сигнала по единичным импульсам. Импульсы Дирака и Кронекера используются для разложения, соответственно, произвольных аналоговых сигналов s(t) и дискретных сигналов s(kDt) в непрерывную последовательность неперекрывающихся (ортогональных) импульсов:

s(t) =s(t)d(t-t) dt. (3.1.1)

s(kDt) =s(nDt)d(kDt-nDt). (3.1.1')

Для аналоговых сигналов разложение (3.1.1) в физическом представлении эквивалентно сканированию значений сигнала s(t) в моменты времени t = t бесконечно узкой щелью, бегущей вдоль оси t. Для цифровых сигналов эта щель равна одному отсчету. Пример разложения дискретного сигнала приведен на рис. 3.1.1.

Единичные импульсные функции d(t-t), -Ґ <t< Ґ , и d(kDt-nDt), -Ґ <n<Ґ , образуют в бесконечномерных пространствах системы координатных базисов {d(t-t)} и {d(kDt-nDt)}, т.к. они не перекрываются и, соответственно, взаимно ортогональны. По этим координатным системам и производится разложение сигналов s(t) и s(kDt). Совокупности проекций сигналов на координатные базисы представляют собой векторные описания сигналов.

Импульсный отклик линейной системы. Если на вход линейной системы в момент времени t = 0 подать единичный импульс (Дирака или Кронекера, в зависимости от типа системы), то на выходе мы получим реакцию системы на единичный входной сигнал. Эта реакция называется функцией импульсного отклика системы или импульсной характеристикой. Она однозначно определяется оператором преобразования h(..):

y(t) = T[d(t-0)] = h(t). (3.1.2)

y(kDt) = T[d(kDt-0)] = h(kDt). (3.1.2')

Очевидно, что в линейных и инвариантных к сдвигу системах форма импульсного отклика не зависит от времени прихода входного сигнала и определяет только его положение на временной оси. Так, если входной импульс задержан (относительно 0) на время t_o, то соответствующий выходной сигнал будет определяться выражением:

y(t) = T[d(t-t_o)] = h(t-t_o).

h(t-t) = 0 при t<t.

Для программных систем, работающих с зарегистрированными массивами цифровых данных, импульсный отклик может быть и двусторонним, так как при обработке сигналов в любой текущей точке kDt системе доступны как "прошлые" отсчеты kDt-nDt, так и "будущие" отсчеты kDt+nDt. Это резко расширяет возможности программной обработки сигналов по сравнению с физическими системами.

При подаче на вход RC-цепи единичного и очень короткого (Dt << RC) импульса заряда Dq емкость С заряжается до напряжения V_о = Dq/C, и начинает разряжаться через сопротивление R, при этом напряжение на емкости изменяется по закону v(t) = V_oexp(-t/RC) = (Dq/C)exp(-t/RC). Отсюда, импульсный отклик RC-цепи на единичный входной сигнал с единичным значением заряда Dq = 1 равен: h(t) = (1/C)exp(-t/RC), где форма отклика определяется функцией экспоненты, а множитель (1/С) является масштабным преобразователем сигнала (заряда в напряжение). По существу, импульсным откликом системы определяется доля входного сигнала, которая действует на выходе системы по истечении времени t после поступления сигнала на вход (запаздывающая реакция системы).

Допустим, что на вход RC-цепи в моменты времени t₁=1 и t₂=2 поступили очень короткие (по сравнению со значением RC) импульсы заряда величиной A и В. Математически это можно отобразить сигналом s(t) = q₁(t)+q₂(t), где q₁(t) = AЧ d(t-t₁) и q₂ = BЧ d(t-t₂). Выходной сигнал системы при известном импульсном отклике h(t) отобразится формулой:

y(t) = T[q₁(t)+q₂(t)] = T[Ad(t-t₁)]+T[Bd(t-t₂)] = AЧ T[d(t-t₁)]+BЧ T[d(t-t₂)] = AЧ h(t-t₁)+BЧ h(t-t₂).

При расчете значений выходного сигнала в произвольный момент времени t после прихода на вход системы сигналов q₁ и q₂, например, для t = 5, для каждого из сигналов вычисляются значения их запаздывающих реакций: y1 = AЧ h(5-1) = AЧ h(4) и y2 = BЧ h(5-2) = BЧ h(3), после чего значения запаздывающих реакций суммируются у = у1+у2. Пример этой операции можно видеть на рис. 3.1.3, где для удобства графического представления приняты значения А=1 и В=1. Сущность операции не изменяется при любых значениях А и В, а в общем случае и для любого количества импульсов.

Однако эту же операцию можно рассматривать и с другой позиции. Развернем импульсный отклик h(t) системы на 180⁰ и поместим его начало h(0) непосредственно в точку, для которой нужно выполнить расчет выходного сигнала, т.е. в точку t=5 для нашего примера. Если теперь отсчет координат для функции h(t) повести назад от точки расчета по аргументу t, т.е. перейти на вычисление h(t), где значение t изменяется от 0 и далее (в пределе до Ґ ), то нетрудно убедиться (на рисунке это наглядно видно), что функция h(t) пересечет входные импульсы на тех же значениях у1 и у2. Для этих точек пересечения первого и второго импульсов соответственно имеет место t₁ = t-t₁ и t₂ = t-t₂, как и при прямом методе расчета запаздывающих реакций при расчете значений h(t-t₁) и h(t-t₂). После умножения полученных значений h(t₁) и h(t₂) на значения входного сигнала А и В, получаем полную аналогию: y1 = AЧ h(t₁) = AЧ h(t-t₁) и y2 = BЧ h(t₂) = BЧ h(t-t₂), и соответственно суммарный сигнал у = у1+у2.

Такое, чисто математическое представление расчета более удобно для составления математических алгоритмов вычислений. Условно этот процесс для коротких входных импульсных сигналов может быть представлен в следующем виде. Для любой точки расчета t_i выходного сигнала инвертированная по координатному направлению функция импульсного отклика h(t) помещается в эту точку t_i и просматривается по своей координате t с одновременным синхронным просмотром входного сигнала s(t) назад от точки расчета (прошлые значения входного сигнала) по координатам t_i-t. Значения всех встреченных при просмотре импульсов s(t_i-t) перемножаются со значениями h(t) и суммируются. Тем самым, для каждой текущей точки расчета t_i в аналоговой системе выполняется операция:

y(t_i) =h(t)Ч s(t_i-t) dt. (3.1.3)

y(kDt) =h(nDt)Ч s(kDt-nDt). (3.1.3')

Интеграл Дюамеля. Произвольный сигнал на входе системы с использованием выражений разложения сигнала может быть представлен в виде последовательной линейной комбинации взвешенных единичных импульсов:

y(t) = T[s(t)] = T[s(t)d(t-t) dt].

На основании принципа суперпозиции линейный оператор Т может быть внесен под знак интеграла, т.к. последний представляет собой предельное значение суммы. При этом операция преобразования действует только по переменной t. Отсюда следует:

y(t) = s(t) Т[d(t-t)] dt = s(t) h(t-t) dt. (3.2.1)

Это выражение представляет собой интеграл Дюамеля или свертку (конволюцию) входного сигнала с импульсной характеристикой системы. Заменой переменных t-t = t можно убедиться в том, что свертка коммутативна:

s(t) h(t-t) dt є h(t) s(t-t) dt. (3.2.1')

Функция h(t) называется ядром свертки (kernel) или импульсной характеристикой линейной системы. Аналогично, для дискретных сигналов, где значение Dt, как правило, принимается равным 1, а индексы k и n выполняют роль номеров отсчетов числовых рядов:

y(k) =h(n) s(k-n). (3.2.1'')

y(t) = s(t-t) _* h(t ) є s(t) _* h(t).

Сравнением выражений (3.2.1' и 3.2.1'') с выражениями (3.1.3) нетрудно убедиться в их полной идентичности, за исключением нижнего предела интегрирования (суммирования). Это и понятно, так как выражения (3.1.3) были получены при рассмотрении реальной физической системы, работающей в реальном масштабе времени, импульсный отклик которых является односторонним (равен нулю при t<0). Для таких систем интегрирование (и суммирование) от -Ґ до 0 не имеет смысла. Кроме того, в реальных физических системах импульсный отклик, как правило, отличен от нуля только на определенном интервале, и, соответственно, пределы интегрирования (суммирования) в выражениях (3.2.1' и 3.2.2'') ограничиваются значениями, на которых функции h(t) и h(n) существует или имеет значимые значения.

Сигналы, обрабатываемые на компьютере, имеют конечную продолжительность. Допустим, сигнал s(k) отличен от нуля только на отрезке от 0 до K включительно ("имеет длину K+1"). Пусть окно оператора свертки h(n) отлично от нуля на отрезке от – N до N (2N+1 отсчет). При подстановке этих сигналов в уравнение свертки, мы получим сигнал y(k), который отличен от нуля на отрезке от − N до K+N включительно. Таким образом, длина выходного сигнала равна 2N+K+1, т.е. сумме длин исходного сигнала и ядра свертки минус один.

Техника свертки. Для вычисления свертки по выражению (3.2.1') функция импульсного отклика реверсируется по своей координате, т.е. строится в режиме обратного времени, и движется относительно функции входного сигнала в сторону возрастания значений t. В каждый текущий момент времени значения обеих функций перемножаются, а произведение интегрируется в пределах окна импульсного отклика. Полученный результат относится к той координатной точке, против которой находится значение импульсного отклика h(0).

На рис. 3.2.1. приведен пример выполнения свертки прямоугольного импульса с импульсным откликом RC-цепи, площадь которого нормирована к 1. Если площадь импульсного отклика h(t) равна 1, то площадь выходного сигнала свертки всегда должна быть равна площади входного сигнала, что можно видеть на верхнем графике рисунка, при этом одномасштабное сравнение входного и выходного сигналов наглядно демонстрирует характер преобразования сигнала в данной системе. На последующих графиках рисунка демонстрируется вычисление результатов свертки в ряде последовательных точек t_i = {3.5, 4, 5, 6, 7} временной оси. В силу отрицательного знака t в аргументах функции s(t-t) интегрирование произведения h(t)s(t-t) выполняется назад по времени и может ограничиваться только определенной длиной значимых значений импульсного отклика (которая в данном случае установлена равной r = 4), а результат относится к начальной точке h(0) импульсного отклика. Так как входной сигнал, рассмотренный на рисунке, представляет собой прямоугольный импульс с амплитудой 1, то интеграл свертки в каждой текущей точке расчета равен площади импульсного отклика в пределах границ входного прямоугольного импульса (заполнено точками).

Еще более наглядна техника выполнения цифровой свертки, приведенная на рис. 3.2.2. Для вычисления свертки массив одной из функций (s_k - входного или свертываемого сигнала) располагается по ходу возрастания номеров. Массив второй функции (h_n - более короткой), строится параллельно первому массиву в обратном порядке (по ходу уменьшения номеров первого массива или в режиме обратного времени). Для вычисления y_k значение h₀ располагается против s_k, все значения s_k-n перемножаются с расположенными против них значениями h_n и суммируются. Результаты суммирования являются выходным значением функции y_k, после чего оператор h_n сдвигается на один номер k вперед (или функция s_k сдвигается ему навстречу) и вычисление повторяется для номера k+1 и т.д.

Свойства свертки. Для свертки характерны следующие свойства:

• 1. Дистрибутивность: h(t) _* [a(t)+b(t)] = h(t) _* a(t)+h(t) _* b(t).
• 2. Коммутативность: h(t) _* a(t) _* b(t) = a(t) _* b(t) _* h(t).
• 3. Ассоциативность: [a(t) _* b(t)] _* h(t) = h(t) _* a(t) _* b(t).

|h(t)| dt < Ґ .

Для систем с m входами и n выходами аналогично определяются парциальные импульсные отклики h_ij(t), i = {1,2, ... ,n}, j = {1,2, ... ,m}, каждым из которых отображается сигнал на i-м выходе при поступлении сигнала d(t) на j-й вход. Полная совокупность импульсных откликов образует матрицу:

(t) = (t)(t-t) dt.

Здесь (и в дальнейшем тексте) жирным шрифтом с "крышкой" выделяются векторные величины.

Системы свертки. Свертка выполняется системой (физическим или программным устройством). Физические системы, работающие в реальном времени, вычисляют текущее значение выходного сигнала по всем прошлым значениям входного сигнала, и не могут иметь в своем распоряжении будущих значений входного сигнала. Операторы таких систем являются односторонними (каузальными). Вышеприведенная, нормированная к 1 по площади, функция RC-цепи h(t) = (1/RC)Ч exp(-t/RC), принятая в качестве системного оператора на рис. 3.2.1, является именно таким односторонним каузальным оператором. При сравнении выходного сигнала такой системы с входным нетрудно заметить, что выходной сигнал сдвигается относительно входного сигнала. Для каузальных систем такой "сдвиг по фазе" существует всегда и не может быть исключен (сигнал на выходе системы не может быть раньше сигнала на ее входе).

1. Первый способ иллюстрирует рис. 3.2.3. Задается система с односторонним каузальным оператором h(t). Входной сигнал s(t) пропускается через систему в обычном порядке, и выполняется свертка g(t) = h(t)_*s(t). Затем выходной сигнал g(t) реверсируется (g(t)=>g(-t), конец сигнала становится его началом в порядке возрастания t) и повторно пропускается через систему, т.е. выполняется свертка y(-t) = h(t)_*g(-t) . Полученный сигнал снова реверсируется y(-t) => y(t), и результат является окончательным выходным сигналом y(t) системы.

Три последние операции (реверс g(t) Ю свертка c h(t) Ю реверс выходного сигнала) эквивалентны свертке сигнала g(t) с реверсированным откликом системы h(-t), и сдвиг по фазе при свертке реверсированного сигнала компенсирует сдвиг по фазе сигнала, полученный при первой свертке. Общий результат операции y(t) = h(t)_*h(-t)_*s(t) не имеет сдвига по фазе выходного сигнала относительно входного. Такую операцию приходится выполнять для исключения сдвига фазы при применении рекурсивных фильтров, которые всегда являются односторонними.

2. Выходной результат y(t) = h(t)_*h(-t)_*s(t) предыдущей операции позволяет, используя свойство коммутативности свертки, сначала выполнить свертку h(t)_*h(-t) = h(± t) и получить один системный оператор h(± t) (см. рис. 3.2.4), обеспечивающий свертку без сдвига фазы. Этот системный оператор является двусторонним и симметричным относительно t = 0. Но использование его возможно только для предварительно записанных сигналов, т.к. при выполнении свертки y(t)= h(± t)_*s(t-t) для отрицательных значений t требуются "будущие" значения входного сигнала s(t+t). Результат свертки с симметричным оператором полностью аналогичен первой операции (сигнал y(t) на рис. 3.2.3).

Приведенное выше формирование двустороннего симметричного оператора свертки имеет чисто познавательный характер. На практике вполне естественным является расчет непосредственно симметричных двусторонних операторов под требуемые задачи обработки числовых данных (сигналов, зарегистрированных в дискретной числовой форме).

Начальные условия свертки. В начальный момент свертки, при вычислении значений y(t_i) для значений t_i < t_max оператора h(t), функция оператора, построенная в режиме обратного времени, при t>t_i "зависает" для значений t_i-t против отсутствующих значений входной функции. Пример такого зависания оператора дискретной свертки против несуществующих отсчетов s_-1 и s_-2 входного массива данных при вычислении отсчета у₀ приведен на рис. 3.2.5. Зависание исключают либо заданием начальных условий - дополнительных отсчетов, чаще всего нулевых или равных первому отсчету входной функции, либо началом свертки с отсчета входной функции k_i = n_max с соответствующим сокращением интервала выходной функции на интервал задания системного оператора. Для симметричных операторов со значениями -n (вперед по времени) такой же момент наступает и в конце входного массива, и требует задания конечных условий или сокращения размера выходного сигнала.

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1988.

Copyright ©2006 Davydov А.V.

к оглавлению

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.