Тема 3: весовые функции (стр. 1 из 3)
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
Тема 3: ВЕСОВЫЕ ФУНКЦИИ.
Свобода и ограничение есть два аспекта необходимости.
Антуан де Сент-Экзюпери. Писатель и летчик Франции, ХХ в.
Берешь топор, обрубаешь себе палец, и начинаешь вибрировать. Берешь сигнал, обрубаешь ему хвост, и он тоже начинает вибрировать. А весовая функция, это обезболивающий укол. Вибрацию снимает, но палец не восстанавливает.
Валерий Самойлин. Геофизик и альпинист России, ХХ в.
Содержание:
3.1. Явление Гиббса. Сущность явления Гиббса. Параметры эффекта. Последствия для практики.
3.2. Весовые функции. Нейтрализация явления Гиббса. Основные весовые функции.
Литература.
Введение.
Большинство методов анализа и обработки данных представляют собой или имеют в своем составе операцию свертки множества данных s(k) с функцией оператора свертки h(n). Как множество данных s(k), так и оператор h(n), выполняющий определенную задачу обработки данных и реализующий определенную частотную передаточную функцию системы (фильтра), могут быть бесконечно большими. Практика цифровой обработки имеет дело только с ограниченными множествами данных (k = 0,1,2,…,K) и коэффициентов оператора (n = 0,1,2,…,N или n = -N,…,1,0,1,…,N для двусторонних операторов). В общем случае, эти ограниченные множества "вырезаются" из бесконечных множеств s(k) и h(n), что равносильно умножению этих множеств на прямоугольную функцию с единичным амплитудным значением, которую называют естественным временным окном или естественной весовой функцией. Учитывая, что произведение функций отображается в спектральной области сверткой их фурье-образов, это может весьма существенно сказаться как на спектральных характеристиках функций, так и на результатах их последующих преобразований и обработки. Основное назначение рассматриваемых в данной теме весовых функций – сведение к минимуму нежелательных эффектов усечения функций.
3.1. Явление Гиббса /24/.
Чаще всего с изменением частотных характеристик функций приходится сталкиваться при усечении операторов фильтров. На примере усечения операторов и рассмотрим характер происходящих изменений.
При расчетах фильтров, как правило, задается определенная передаточная характеристика H(w) фильтра и по ней производится расчет оператора фильтра h(n), количество членов которого может оказаться очень большим даже только по значимым значениям. Усечение может рассматриваться, как результат умножения функции оператора фильтра на селектирующее весовое окно длиной 2N+1. В простейшем случае это окно представляет собой П-образную селектирующую функцию:
hn = h(n)·ПN(n), ПN(n) = 1 при |n| £ N,
ПN(n) = 0 при |n| > N.
Функция h(n) оператора фильтра, в пределе бесконечная, обуславливает определенную частотную передаточную характеристику фильтра H(w). Полному оператору h(n) соответствует исходная частотная характеристика H(w):
H(w) =
h(n) exp(-jwn). (3.1.1)Сущность явления Гиббса. Функции во временном окне селекции ПN(n) в частотном пространстве соответствует спектральная функция, которая в определенной степени должна отличаться от функции H(w). Очевидно, что при усечении оператора h(n), а значит и ряда Фурье (3.1.1), до конечного числа членов N мы будем иметь усеченный ряд Фурье:
HN(w) =
h(n) exp(-jwn), (3.1.2)при этом сходимость суммы остающихся членов ряда HN(w) к исходной передаточной функции H(w) ухудшается и происходит отклонение частотной характеристики фильтра от первоначальной в тем большей степени, чем меньше значение N. Особенно ярко это проявляется на крутых перепадах (разрывах, скачках) в передаточных функциях:
- крутизна перепадов "размывается", т.к. она не может быть больше, чем крутизна (в нулевой точке) последней сохраненной гармоники ряда (3.1.2);
- по обе стороны "размытых" перепадов появляются выбросы и затухающие осцилляции с частотой, равной частоте последнего сохраненного или первого отброшенного члена ряда (3.1.1).
Эти эффекты при усечении рядов Фурье получили название явления Гиббса. Рассмотрим явление Гиббса более подробно на примере разложения в ряд Фурье частотной функции единичного скачка G(w), которая является Фурье-образом какой-то дискретной временной функции bn. Уравнение функции единичного скачка:
G(w) = -0.5 при -p £ w < 0, (3.1.3)
= 0.5 при 0 £ w £ p.
Функция (3.1.3) имеет разрыв величиной 1 в точке w = 0 и, в силу дискретности временной функции и периодичности ее спектра, в точках
p, 2p и т.д. Поскольку функция G(w) является нечетной, ее ряд Фурье не содержит косинусных членов, и коэффициенты ряда определяются выражением:bn =
G(w) sin(nw) dw = 
sin(nw) dw.bn = 2/(n·p), n- нечетное,
bn = 0, n- четное.
Рис. 3.1.1. Значения коэффициентов bn.
Как видно на рис. 3.1.1, ряд коэффициентов bn затухает очень медленно. Соответственно, медленно будет затухать и ряд Фурье функции G(w):
G(w) = (2/p)[sin w+ (1/3)·sin 3w+ (1/5)·sin 5w+....].
G(w) =
sin[(2n+1)w]/(2n+1). (3.1.4)Если мы будем ограничивать количество коэффициентов bn, т.е. ограничивать значение N ряда Фурье функции G(w), то суммирование в (3.1.4) будет осуществляться не до ∞, а до значения N. Графики частичных сумм ряда (3.1.4) в сопоставлении с исходной функцией приведены на рис. 3.1.2. Они наглядно показывают сущность явления Гиббса.
При усечении рядов Фурье определенное искажение функции, разложенной в ряд Фурье, существует всегда. Но при малой доле энергии отсекаемой части сигнала этот эффект может быть и мало заметен. На скачках и разрывах функций он проявляется наиболее ярко.
Рис. 3.1.2. Явление Гиббса.
Параметры эффекта. Ряд (3.1.4) при усечении можно записать в следующем виде:
GN(w) =
[ 
cos((2n+1)w) dw] = [ cos((2n+1)w)] dw.Сумма косинусного ряда равна sin[2(N+1)w]/(2sin w). Отсюда:
GN(w) =
. (3.1.5)Для определения местоположения максимумов и минимумов осцилляций функции (3.1.5) приравняем к нулю ее первую производную (подинтегральную функцию), при этом:
wk = ±kp/(2(N+1)), k = 1,2,...
Соответственно, амплитудные значения первых (максимальных) осцилляций функции приходится на точки wk=1 = ±p/(2(N+1)), вторых (противоположных по полярности) - на точки wk=2 = ±p/(N+1). Период пульсаций равен 2wk=1 = p/(N+1) = Dw, т.е. интервалу дискретизации спектра при равном количестве отсчетов оператора фильтра и его спектра. Функция пульсаций (при ее выделении) является нечетной относительно скачка. Соответственно, при скачке функции G(w) на произвольной частоте главного частотного диапазона значения wk являются значениями Dwk относительно частоты скачка. Амплитудные значения функции в точках w1 и w2 (при подстановках w1 и w2 верхним пределом в (3.1.5)) практически не зависят от количества членов ряда N и равны:
GN(w1) » 0.5+0.09, GN(w2) » 0.5-0.05.
Амплитуда последующих осцилляций постепенно затухает.
Таким образом, для усеченных рядов Фурье предельные значения максимальных выбросов по обе стороны от скачка и следующих за ними обратных выбросов при единичной амплитуде разрыва функции достигают соответственно 9% и 5% значения амплитуды скачка. Кроме того, сам скачок функции из собственно скачка преобразуется в переходную зону, длина которой между точками максимальных выбросов по обе стороны скачка равна p/(N+1), а по уровню исходных значений функции на скачке (в данном случае от -0.5 до 0.5) порядка (2/3)p/(N+1). Это явление типично для всех функций с разрывом.
Можно рассмотреть это явление и с других позиций. Как известно, произведение функций отображается в частотном представлении сверткой их фурье-образов. Отсюда:
hn = h(n)·ПN(n) - H(w) * ПN(w) = HN(w). (3.1.6)
Правая часть выражения (3.1.6) и отражает математическую сущность явления Гиббса. Ограничение массива функции определенным количеством членов (умножением на П-окно, прямоугольную селектирующую функцию) отображается сверткой частотной характеристики функции с частотной характеристикой селектирующей функции (которую часто называют свертывающей функцией). Частотная характеристика прямоугольной функции хорошо известна, как функция отсчетов sin(x)/x, x = w(2N+1)/2, и для П-импульса длиной 2N+1 приведена на рис. 3.1.3 (для ряда значений N). Чем больше N, тем уже центральный пик функции и, соответственно, будет меньше ширина переходной зоны, которая формируется на разрыве вместо скачка функции. Амплитуда самих осцилляций (по номеру от центрального пика) остается без изменений. Свертка этой частотной функции (Фурье-образа селектирующей функции) с частотной характеристикой усекаемых функций и порождает явление Гиббса на резких скачках частотных характеристик.