Почему не работает теоремма Котельникова при F = 1/2Fs Опции

[Skaf]

Всем привет.

Я только приступаю к изучению ЦОС. Заметил такой факт- в теоремме написано, что частота дискретизации должны быть по крайней мере в 2 раза выше частоты спектра сигнала. Открываю матлаб, набираю там скриптик, где частота дискретизации ровно в 2 раза выше частоты сигнала

Код

t=0:1/8000:0.01;

f1=4000;

x = sin(2*pi*f1*t);

plot(t,x);

Получаю следующий график. Вопрос- почему сигнала практически нет? (10^-14)

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Designer56]

Не пройдет. Нобелевский комитет математикой не занимается.

[mvb]

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%...%BE%D0%B2%D0%B0 :

…если аналоговый сигнал x(t)\; имеет ограниченный спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой строго большей удвоенной максимальной частоты спектра

Всё строго и чётко. Восстановить можно при частоте строго большей.
Синус, дискретизированной с частотой равной его собственной частоте является просто рядом нулей. Естессно, если не добавлять сдвиг фазы.
Чем ближе подбирается полоса сигнала к частоте дискретизации, тем больше времени надо на переходные процессы при включении/выключении. Хорошее и простое объяснение: чем ближе полосу сигнала к частоте дискретизации вы хотите, тем более крутую переходную область у фильтра вам надо, тем длиннее его импульсная характеристика.

[729]

Хочу возразить всем, кто считает что в теореме Котельникова должно быть строгое неравенство.
1. Немного странно, но насколько мне известно, ни Котельников ни Шеннон свои первоначальные формулировки теоремы с равенством так и не скорректировали.
2. Теорема Котельникова для сигналов со спектром, содержащим ненулевые комплексные значения на F=1/2*Fs, работает. Возьмите отсчеты функции Котельникова с произвольным некратным 1/Fs смещением по времени (что дает отличный от нуля комплексный спректр в точках +-1/2*Fs) и подставьте в ряд Котельникова - после недолгих преобразований получите равномерно сходящийся ряд (сумма которого приведена в "Интегралы и ряды" Прудникова), суммой ряда будет исходная смещенная по времени функция Котельникова.
3. Очевидно, что дискретизация синуса частоты Fs/2 ведет к потере информации. Также очевидно, что такая потеря возникает из-за наложения спектров при дискретизации. К такому же эффекту приводит и дискретизация косинуса частоты Fs/2 - энергия отсчетов косинуса частоты Fs/2 ровно вдвое больше энергии отсчетов косинуса частоты, например, Fs/4. А если так, то ни синус частоты Fs/2 ни косинус частоты Fs/2 под условия теоремы не попадают. Почему - предлагаю подумать самостоятельно.

Сообщение отредактировал 729 - Oct 4 2010, 10:15

[тау]

Хочу возразить всем, кто считает что в теореме Котельникова должно быть строгое неравенство.

+1
Хотя местами далее не совсем согласен с Вами.

Комплексные отсчеты сигнала способны восстановить гармонику Fs/2, хотя бы по той простой причине что в спектре эта гармоника будет стоять только на одном краю (в отличие от вещественного сигнала) . А стало быть спектр получается чисто периодический и без алиасинга на краях. Математика просто обязана сработать, потому что главное в ней ( в теореме) - строгая периодичность спектров. С комплексными отсчетами она соблюдается.

[729]

Комплексные отсчеты сигнала способны восстановить гармонику Fs/2, хотя бы по той простой причине что в спектре эта гармоника будет стоять только на одном краю (в отличие от вещественного сигнала) . А стало быть спектр получается чисто периодический и без алиасинга на краях. Математика просто обязана сработать, потому что главное в ней ( в теореме) - строгая периодичность спектров. С комплексными отсчетами она соблюдается.

Я говорил про комплексность спектра дискретизируемой функции, но не про комплексность дискретизируемой функции.
Про периодичность спектра - это отдельная тема. Но даже в рамках модели, которая периодизирует спектр при дискретизации, в точках +-Fs/2 ничего страшного не будет - значения ДВПФ от отсчетов косинуса в точках +-Fs/2 будут стремиться к бесконечности в 2 раза быстрее, чем ДВПФ от отсчетов косинуса в точках +-Fs/4 или +-Fs/3. Но ряд Котельникова эту двойку съест и чистый неудвоенный по амплитуде косинус выдаст.

[Oldring]

Я говорил про комплексность спектра дискретизируемой функции, но не про комплексность дискретизируемой функции.

Мне кажется, вы заговариваетесь. Начнем с того, что если говорить про "спектр" как про энергетический спектр, то он действителен неизбежно. А если говорить про преобразование Фурье, то оно действительно только для четных действительных функций. Можете сформулировать свои утверждения четко?

[729]

Мне кажется, вы заговариваетесь. Начнем с того, что если говорить про "спектр" как про энергетический спектр, то он действителен неизбежно. А если говорить про преобразование Фурье, то оно действительно только для четных действительных функций. Можете сформулировать свои утверждения четко?

Под спектром всегда понимал спектральную функцию, но не модули и прочие производные от неё.
Утверждение простое. Спектр sin(pi*Fs*t)/(pi*Fs*t) - функции Котельникова - действителен. Спектр смещенной на тау функции Котельникова - sin(pi*Fs*(t-тау))/(pi*Fs*(t-тау)) уже комплексный в точках +-Fs/2, если тау не равно k*1/Fs.
Вы это утверждение имели в виду?

Так а в чём же тогда конструктивный вклад ваших постов в обсуждаемую тему?

В том, что:
1 Равенство в теореме есть и оно работает.
2 Что синус и косинус Fs/2 условиям теоремы не удовлетворяют.

Про Fs/2 речь не шла.

Ну вот... Извиняюсь. Я встрял в Ваш с fontp диалог.

[Oldring]

Под спектром всегда понимал спектральную функцию

Эту?
http://www.answers.com/topic/spectral-function

Я, например, привык под спектром понимать спектр стационарного случайного процесса. Называть "спектром" просто результат преобразование Фурье, наверное, не вполне корректно.

В том, что:
1 Равенство в теореме есть и оно работает.
2 Что синус и косинус Fs/2 условиям теоремы не удовлетворяют.

Так речь в теме шла про строгое неравенство в части границ частотного диапазона. Ваше второе утверждение и означает, что это неравенство строгое. А первое утверждение про какое-то другое равенство-неравенство, наверное.

Ссылку на текст работы Котельникова я привел выше. Давайте отталкиваться от него.

[fontp]

Эту?
http://www.answers.com/topic/spectral-function

Я, например, привык под спектром понимать спектр стационарного случайного процесса. Называть "спектром" просто результат преобразование Фурье, наверное, не вполне корректно.

Нет, вполне.
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/599002
Спектр это разложение сигнала по любому ортонормированому базису. А то что Вы не вполне корректно называете спектром принято называть спектром мощности. Извиняюсь, что встрял в Ваш диалог)) Тем более что спектр мощности вообще не имеет отношения к делу
Человек говорит, что sin fs/2 нарушает другие условия теоремы при строгой формулировке.

[Oldring]

Нет, вполне.
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/599002
Спектр это разложение сигнала по любому ортонормированому базису. А то что Вы не вполне корректно называете спектром принято называть спектром мощности. Извиняюсь, что встрял в Ваш диалог)) Тем более что спектр мощности вообще не имеет отношения к делу

Я вас могу отправить к "Справочнику по математике для научных работников и инженеров" Корнов за определением понятия "спектральная функция"? Кстати, коэффициенты разложения по базису - это последовательность, а не функция в обычном смысле.

Человек говорит, что sin fs/2 нарушает другие условия теоремы при строгой формулировке.

Про это все говорят, как оказалось.
А, впрочем, каким же именно "другим условиям теоремы" в оригинальной формулировке Теоремы I в работе Котельникова, ссылку на которую я привел выше, они противоречат?

Моё утверждение просто до безобразия.
1. Если спектр функции отличен от нуля вне отрезка [-Fh,Fh] (точки +-Fh в этот отрезок входят), то частота дискретизации Fs>=1/(2Fh).
2. Функции синус и косинус Fs/2 дискретизируются со спектральными наложениями, следовательно спектры этих функций за отрезок [-Fh,Fh] "вылазят".

Прежде всего, ваше утверждение нечеткое до безобразия.

[729]

Прежде всего, ваше утверждение нечеткое до безобразия.

В чем же?

[Oldring]

В чем же?

В том что непонятно, что вы хотите сказать. Чётко сформулированные математическим языком утверждения я обычно понимаю.

[729]

В том что непонятно, что вы хотите сказать. Чётко сформулированные математическим языком утверждения я обычно понимаю.

Куда уж четче. Попробую еще раз.
1. Если спектральная плотность (в терминологии Харкевича) или спектр (в терминологии Шеннона) некоторой функции (имеющей непрерывное ПФ) отличны от нуля на отрезке частот [-Fh,Fh], то ряд Котельникова по мгновенным значениям функции, взятым с частотой Fs большей или равной 2Fh, сходится равномерно к самой функции.
2. Спектры функций (в смысле ПФ обобщенных функций по Колмогорову с Фоминым) синус Fh и косинус Fh отличны от нуля за пределами отрезка частот [-Fh,Fh], поэтому их дискретизация с частотой 2Fh приводит к спектральным наложениям. И если косинус Fh рядом Котельникова восстанавливается точно, то синус Fh не восстанавливается вообще, ибо дискретизируется в нули.
Так понятней?

[fontp]

2. Спектры функций (в смысле ПФ обобщенных функций по Колмогорову с Фоминым) синус Fh и косинус Fh отличны от нуля за пределами отрезка частот [-Fh,Fh], поэтому их дискретизация с частотой 2Fh приводит к спектральным наложениям. И если косинус Fh рядом Котельникова

К наложениям приводят.
Но разве они за пределами [-Fh,Fh] ? Они лежат на -+Fh (т.е. внутри замкнутого интервала), в смысле обобщенных функций-сингулярностей
Другое дело что их спектральная плотность бесконечна

[Oldring]

К наложениям приводят.

Это какие же две различные положительные частоты накладываются там друг на друга, позвольте поинтересоваться?

[fontp]

Это какие же две различные положительные частоты накладываются там друг на друга, позвольте поинтересоваться?

Хвосты колокольчика, стремящегося к дельта-функции накладываются.
Если вернуться к реальной физической модели чистого синуса нет, не бывает. Это такой спектральный узенький колокольчик, который всё сильнее сжимается, превращаясь в дельта-функцию только посредством идеализма

[Oldring]

Хвосты колокольчика, стремящегося к дельта-функции накладываются.
Если вернуться к реальной физической модели чистого синуса нет.

У меня нет никакого "колокольчика". Обобщенная функция - это линейный непрерывный функционал на пространстве пробных функций, и точка!
Если вернуться к "реальной физической модели", функций с ограниченным спектром нет.