Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Sistemi sa više brzina
(Multirate)
Analogno-digitalna konverzija
• Nyquist-ovo odabiranje
• Nadodabiranje
• Pododabiranje
max2 ff sampling
Nadodabiranje
• Manje strogi zahtevi za anti-aliasing filtar
• Poboljšava se odnos signal/šum
B
B
Pz
Pz
FS
FS
Pododabiranje
• Najčešće je opseg signala koji je od interesa (u RF ili MF opsegu) mnogo manji od maksimalne frekvencije u signalu:
• Pododabiranje smanjuje ukupan broj odbiraka koji se obrađuju u procesoru:– “Štedi se” procesorsko vreme - mogu se
implementirati složeniji algoritimi
– Potrebno je manje memorije
1
22
n
FF
n
F lS
u
Pododabiranje
1 2 3 4 5 6 7 80
2
4
6
8
10
12
14
16
Fu/B
Fs/B
1
2
31
22
n
FF
n
F lS
u
f
n=3
B/2 B/2
B
0 FSFl Fu
0-FS
n=1 n=2
f
n=3
B/2 B/2
B
0 FSFl Fu
0-FS
n=1 n=2
Sistemi sa više brzina
• Frekvencija odabiranja nije ista za ceo sistem
• Pojedinim delovima sistema odgovaraju različite frekvencije odabiranja
• Primeri:
– Digitalni deo savremenih radio prijemnika
– Konverzija između različitih standarda za audio aplikacije (na primer, 44100Hz i 48000Hz)
– CD
Sistemi sa više brzina
Osnovne operacije (blokovi) za promenu frekvencije odabiranja
• Downsampling – smanjuje frekvenciju odabiranja za celobrojni faktor M
• Upsampling – povećava frekvenciju odabiranja za celobrojni faktor L
Downsampling
• Downsampling sa faktorom M se realizuje tako što se zadržava svaki M-ti odbirak signala a ostali se odbacuju
• Šematski se označava blokom:
mMxmy
Downsampling mMxmy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-2
-1
0
1
2
n
0 1 2 3 4 5 6-2
-1
0
1
2
m
y1
y2
M=3;y1=x(1:M:end);y2=downsample(x,M);figure,subplot(2,1,1),stem(n,x);hold onstem(0:M:N-1,x(1:M:N),...),xlabel('n');subplot(2,1,2),stem(0:length(y1)-1,y1,...);hold onstem(0:length(y1)-1,y2,...),xlabel('m'),legend('y1','y2');
Upsampling
• Upsampling sa faktorom L se realizuje tako što se dodaje L nultih odbiraka između svaka dva odbirka signala
• Šematski se označava blokom:
ecina
LLmL
mx
my
,0
,...2,,0,
Upsampling
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-2
0
2
n
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-2
0
2
n
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-2
0
2
m
y1
y2
L=4;y1=zeros(L*length(x),1);y1(1:L:end)=x;y2=upsample(x,L);figure,subplot(3,1,1),stem(n,x),xlabel('n');subplot(3,1,2),stem((0:length(y1)-L)/(length(y1)-L)*(length(x)-1),y1(1:end-L+1),'MarkerFaceColor','g'),xlabel('n');subplot(3,1,3),stem(0:length(y1)-1,y1,...);hold onstem(0:length(y2)-1,y2,...),xlabel('m'),legend('y1','y2');
ecina
LLmL
mx
my
,0
,...2,,0,
Downsampling – spektralni domen
1
0
11 M
k
k
MMWzX
MzY
1
0
21 M
k
M
kj
j
S eXM
eY
MH
Ponovljene sklalirane replike
Uslov da nema preklapanja!!!
Downsampling – spektralni domen
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.5
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.2
0.4
X: 0.582
Y: 0.2972
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.2
0.4
x2=x(1:2:end);x3=x(1:3:end);x4=x(1:4:end);[X,w]=freqz(x,1,'whole');[X2,w]=freqz(x2,1,'whole');[X3,w]=freqz(x3,1,'whole');[X4,w]=freqz(x4,1,'whole');figure,subplot(4,1,1);plot(w/pi,abs(X));subplot(4,1,2);plot(w/pi,abs(X2));subplot(4,1,3);plot(w/pi,abs(X3));subplot(4,1,4);plot(w/pi,abs(X4));
Downsampling – spektralni domen
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.5
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.5
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.5
1
1
0
21 M
k
M
kj
j
S eXM
eY
M=2
Upsampling – spektralni domen
ecina
LLmL
mx
my
,0
,...2,,0,
L
m
Lm
mLnn
n
m
m zXzmxzL
nxzmyzY
Ljj eXeY
Upsampling – spektralni domen
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.5
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.5
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.5
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.5
1
x2=upsample(x,2);x3=upsample(x,3);x4=upsample(x,4);[X,w]=freqz(x,1);[X2,w]=freqz(x2);[X3,w]=freqz(x3);[X4,w]=freqz(x4);figure,subplot(4,1,1);plot(w/pi,abs(X));subplot(4,1,2);plot(w/pi,abs(X2));subplot(4,1,3);plot(w/pi,abs(X3));subplot(4,1,4);plot(w/pi,abs(X4));
Kada operacije downsample i upsample mogu da zamene mesta?
• Kada su M i L uzajamno prosti
Osobine
Osobine
Decimacija
• Frekvencija odabiranja se smanjuje M puta
• Da ne bi bilo preklapanja u spektru, ulaznisignal se filtrira filtrom propusnikom niskihfrekvencija, granične frekvencije
MLP
Decimacija
0 5 10 15 20 25-220
-200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
f [kHz]
fft(
x)
[dB
]
originalni signal
posle filtriranja
decimiran signal
Interpolacija
• Frekvencija odabiranja se povećava L puta
• Replike u spektru se potiskuju tako što se signal na izlazu iz bloka za upsampling filtrirafiltrom propusnikom niskih frekvencija, granične frekvencije
LLP
Interpolacija
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
f [kHz]
fft(
x)
[dB
]
originalni signal
interpoliran signal
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
f [kHz]
fft(
x)
[dB
]
originalni signal
signal dopunjen nulama
Promena frekvencije odabiranja L/M puta
• Kombinacija interpolacije s faktorom L i decimacije s faktorom M
• Filtar propusnik niskih frekvencija granične frekvencije
LMLP
,min
Primeri ispitnih zadataka
Primer
Periodičan signal je diskretizovan sa frekvenijom odabiranja fS=16 Hz i dobijen je diskretan niz:
x[n]=1,0,-1,0,1,0,-1,0.• Direktnom primenom formule za izračunavanje DFT koeficijenata
odrediti spektar datog signala sa frekvencijskom rezolucijom od 2 Hz.
• Odrediti spektar signala x[n] sa frekvencijskom rezolucijom od 1 Hz. Za izračunavanje koristiti matricu transformacije WN.
• Odrediti spektar datog signala sa rezolucijom od 4 Hz primenom FFT algoritma sa razbijanjem po vremenu odgovarajuće dužine. Formirati dijagram toka FFT algoritma i na osnovu njega odrediti traženi spektar.
• Nacrtati i uporediti spektre dobijene u tačkama a) i c) i objasniti sličnosti i razlike.
Rešenje
8
Hz2
Hz16
N
N
ff
f
s
s
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
1
7
8
6
8
5
8
4
8
3
8
2
8
1
8
0
8
1
0
1
0
2
iW
iW
iW
W
iW
iW
iW
W
WnxenxkXN
n
nk
N
N
n
N
nkj
Re
Im
W80
W81
W87
W83
W85
W84
W82
W86
z ravan
Rešenje
41111
7654
32102
011
7654
32101
0
7654
32100
4
8
0
8
4
8
0
8
6
8
4
8
2
8
0
8
6
8
4
8
2
8
0
8
6
8
4
8
2
8
0
8
7
8
6
8
5
8
4
8
3
8
2
8
1
8
0
8
0
8
0
8
0
8
0
8
0
8
0
8
0
8
0
8
1
0
1
0
2
WWWW
WxWxWxWx
WxWxWxWxX
iiWWWW
WxWxWxWx
WxWxWxWxX
WxWxWxWx
WxWxWxWxX
WnxenxkXN
n
nk
N
N
n
N
nkj
Re
Im
W80
W81
W87
W83
W85
W84
W82
W86
z ravan
Rešenje
017
426
035
0
7654
32104
011
7654
32103
*
*
*
0
8
0
8
0
8
0
8
4
8
0
8
4
8
0
8
4
8
0
8
4
8
0
8
2
8
4
8
6
8
0
8
5
8
2
8
7
8
4
8
1
8
6
8
3
8
0
8
1
0
1
0
2
XX
XX
XX
WWWW
WxWxWxWx
WxWxWxWxX
iiWWWW
WxWxWxWx
WxWxWxWxX
WnxenxkXN
n
nk
N
N
n
N
nkj
Re
Im
W80
W81
W87
W83
W85
W84
W82
W86
z ravan
Rešenje
0 1 2 3 4 5 6 70
2
4
0 1 2 3 4 5 6 7-1
0
1
0 1 2 3 4 5 6 70
2
4
Rešenje
NNN xWX
11121
1242
12
1
1
1
1111
NN
N
N
N
N
N
N
NNN
N
NNN
N
WWW
WWW
WWW
W
16
Hz1
Hz16
N
N
ff
f
s
s
Rešenje
161616 xWX
116116
16
1162
16
15
16
1162
16
4
16
2
16
15
16
2
1616
1
1
1
1111
WWW
WWW
WWW
N
W
TN 0000000001010101 x
Rešenje
16
Hz1
Hz16
N
N
ff
f
s
s
38.092.0
2
2
2
2
92.038.0
92.038.08
3sin
8
3cos
2
2
2
2
4sin
4cos
38.092.08
sin8
cos
1
16
14
7
16
16
12
6
16
16
10
5
16
16
8
4
16
16
6
3
16
16
4
2
16
16
2
1
16
0
16
ieW
ieW
ieW
ieW
iieW
iieW
iieW
W
i
i
i
i
i
i
i
Rešenje
4
Hz4
Hz16
N
N
ff
f
s
s
x[0]
x[2]
x[1]
x[3]
W40
W41
W40
W40
-1
-1
-1
-1
X[0]
X[1]
X[2]
X[3]
Etapa 1 Etapa 2
0 00 00 0
1 01 10 2
2 10 01 1
3 11 11 3
Rešenje
12/
0
2/222/
12/
0
11 iN
m
mk
N
mk
N
N
m
WmxkXWmxkX
.
2/2/2
21
2
1
kXWkX
NkXWNkXNkX
k
N
Nk
N
X[k]X1[k]
X[k+N/2]X2[k]-1WN
k
kXWkXkX k
N 21
Rešenje
1
-1
0
0
1
-i
1
1
-1
-1
-1
-12
Etapa 1 Etapa 20
2
0
0
0
2
0
ieWj
4
2
1
4
Rešenje
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Zadatak
• Na slici je prikazan niz X[k] dobijen FFT analizom niza {x[n]}. Niz {x[n]} dobijen je odabiranjem kontinualnog signala xc(t) u N=16 tačaka.
• Odrediti vremenski oblik signala xc(t) ako je poznato da je frekvencija odabiranja fs=16 kHz.
• Odrediti signal {x[n]}.• Nacrtati i objasniti blok šemu FFT algoritma za N=8.• Na osnovu šeme pokazane pod c) odrediti FFT za prvih N=8 elemenata niza {x[n]}.
• Da li se spektar dobijen pod d) razlikuje u odnosu na spektar dat u postavci zadatka? Odgovor obrazložiti.
Zadatak
0 5 10 15
0
8
16
k
Rea
l(X
[k])
0 5 10 15
-8
0
8
k
Imag
(X[k
])
0 5 10 150
8
16
|X[k
]|
k
Rešenje
0 5 10 15
0
8
16
k
Rea
l(X
[k])
0 5 10 15
-8
0
8
k
Imag
(X[k
])
0 5 10 150
8
16
|X[k
]|
k
Rešenje
1 2
0
1 2 3
1 1
12 2 1 1 2
23 3 1 1 3
, 0,1, 1
cos 2 cos 2
cos 2 sin 2
nkN jN
n
s
s
X k x n e k N
x n x n x n x n
x n A
fx n A f n T A n
f
fx n A f n T A n
f
Rešenje
close all
clear
fs=16000;
N=16;
t=(0:N-1)'/fs;
f1=1000;
f2=3000;
x=0.5+2*cos(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t);
X=fft(x);
figure,subplot(3,1,1),stem(0:N-1,real(X));
ylabel('real(X)');
subplot(3,1,2),stem(0:N-1,imag(X));
ylabel('imag(X)');
subplot(3,1,3),stem(0:N-1,abs(X));
ylabel('abs(X)'); xlabel('n');
Zadatak
• Kontinualni signal se diskretizuje u cilju dalje obrade u digitalnom domenu. Poznato je da je spektar signala beskonačne širine, ali je opseg od interesa [20 Hz 4000 Hz].
• Nacrtati blok šemu realnog sistema za digitalnu obradu konitnulanih signala i objasniti ulogu svakog bloka.
• Za minimalnu potrebnu frekvenciju odabiranja fsmin, odrediti graničnu frekvenciju analognog predfiltra (anti-aliasing filtra). Nacrtati na istom grafiku (sa jasnom podelom na osama) spektre kontinualnih signala na ulazu i izlazu filtra i amplitudsku karakteristiku analognog filtra.
• Nacrtati spektar diskretnog signala na izlazu id A/D konvertora.• Ponoviti tačke b) i c) za slučaj kada je frekvencija odabiranja 4 puta
veća od fsmin.
Rešenje
Rešenje
Zadatak
• Na ulaz analizatora spektra dolazi signal u(t) efektivne vrednosti Ueff=0.16V. Nivo maksimalne trenutne vrednosti signala je za 6 dBiznad nivoa efektivne vrednosti signala. Analizatorom spektra se u digitalnom domenu procenjuje spektar kontinualnog signala u(t). Ulazni opseg 12-bitnog A/D konvertora je 1V.
• Koliki je dinamički opseg signala na izlazu iz A/D konvertora u ovom slučaju?
• Ako se brojevi na izlazu A/D konvertora predstavljaju u komplementu dvojke u opsegu [-1,1) odrediti broj koji se dobija kada se na ulaz A/D konvertora dovodi odbirak koji odgovara maksimalnoj vrednosti signala u(t).
• Nacrtati blok šemu za spektralnu analizu signala na bazi DFT koeficijenta i objasniti ulogu svakog elementa.
• Definisati sve signale na ulazu i izlazu blokova na šemi u vremenskom i frekvencijskom domenu i njihove međusobne veze.
Rešenje
3198.02/2round
V32.010
6log20
1111
20
6
max
max10
xx
UU
U
U
q
eff
eff
Rešenje
• Pun opseg je 20log10(1/2(-11)) oko 66dB
• Od toga se koristi 20log10(0.32/2(-11)) oko 56 dB