f(t) F( ) f(t) F( ) f(t) F( )

Like dokumenter
Wavelet P Sample number. Roots of the z transform. Wavelet P Amplitude Spectrum.

Ghost amplitude spectrum. d=6 m V=1500 m/s c= 1

Wiener filter of length 10 (performance 0.374) Pulse P Sample number. Wiener filter of length 10 (performance 0.

slik at en tredje denisjon kan ogsa brukes: F (!) Fff(t)g 1 p f(t) F ff(!)g 1 p f(t)e,i!t dt ; F (!)ei!t d! : Det er ogsa mulig a bruke frekvensen f i

Input α. Desired output. Linear prediction. Prediction error. Input α. Desired output. Linear prediction. Prediction error

Repetisjon: Sampling. Repetisjon: Diskretisering. Repetisjon: Diskret vs kontinuerlig. Forelesning, 12.februar 2004

Forelesning, 23.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2006

Forelesning, 17.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2005

Repetisjon: Spektrum for en sum av sinusoider

Fourier-Transformasjoner IV

Fourier-Transformasjoner II

Repetisjon: LTI-systemer

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL SIGNALBEHANDLING 1 JUNI 2010

Repetisjon: Eksempel. Repetisjon: Aliasing. Oversikt, 26.februar Gitt. Alle signaler. Ettersom. vil alle kontinuerlig-tid signaler.

Bruk av tidsvindu. Diskret Fourier-transform. Repetisjon: Fourier-transformene. Forelesning 6. mai 2004

( x+ π 2) Bakgrunn: Sinus og cosinus. Bakgrunn: Samplet sinus i 1D. Bakgrunn: Samplet sinus i 2D. Bakgrunn: Sinus i 2D. sin( x)=cos.

Fourier-Transformasjoner

Uke 9: Diskret Fourier Transform, I

Introduksjon. «Diskret» sinus/cosinus i 1D. Funksjonen sin(θ) INF april 2010 Fourier -- En annen vinkling på stoffet i kapittel 4

Forkunnskapskrav. Hva handler kurset om. Kontaktinformasjon. Kurset er beregnet på en student som kan

UNIVERSITETET I OSLO

STE 6146 Digital signalbehandling. Løsningsforslag til eksamen avholdt

Basisbilder - cosinus. Alternativ basis. Repetisjon Basis-bilder. INF april 2010 Fouriertransform del II. cos( )

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Bedømmelse: Ved bedømmelse vektlegges oppgavene I, II og III likt.

Hjelpemidler/hjelpemiddel: D - "Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Enkel kalkulator tillatt."

UNIVERSITETET I OSLO

Matematikk 4 TMA4123M og TMA 4125N 20. Mai 2011 Løsningsforslag med utfyllende kommentarer

Noen presiseringer mhp Diskret Fourier Transform. Relevant for oblig 1.

y(t) t

UNIVERSITETET I OSLO

Dagens mål. Det matematiske fundamentet til den diskrete Fourier-transformen Supplement til forelesning 8 INF Digital bildebehandling

3UDNWLVN DQYHQGHOVH DY ')7

Sampling ved Nyquist-raten

Forelesning nr.13 INF 1410

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

UNIVERSITETET I OSLO

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Fourier-Transformasjoner

Forelesening INF / Spektre - Fourier analyse

UNIVERSITETET I OSLO

Sampling, kvantisering og lagring av lyd

UNIVERSITETET I OSLO

Fourier-analyse. Hittil har vi begrenset oss til å se på bølger som kan beskrives ved sinus- eller cosinusfunksjoner

pdf

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning.

Dagens temaer. Endelig lengde data. Tema. Time 11: Diskret Fourier Transform, del 2. Spektral glatting pga endelig lengde data.

Uke 10: Diskret Fourier Transform, II

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

LØSNINGSFORSLAG for KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG SIE2010 Informasjons- og signalteori, 29. juli y(n) = ay(n 1) + x(n k),

Eksempel 1. Frekvensene i DFT. Forelesning 13. mai På samme måte har vi at. I et eksempel fra forrige uke brukte vi sekvensen

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

INF mars 2017 Fourier I -- En litt annen vinkling på stoffet i kapittel 4

FYS2130 Svingninger og bølger, Obligatorisk oppgave C. Nicolai Kristen Solheim

Fouriersyntese av lyd

sin(2 ui/n) starter på 0 og repeteres u ganger per N samples. cos(2 ui/n) starter på 1 og repeteres u ganger per N samples

Konvolusjon og filtrering og frevensanalyse av signaler

En innføring i Fourrierrekker

5. Fourieranalyse. 5.1 Innledende eksempler

SIF5010 Matematikk 3. y 00, 2y 0 +5y = sin x 4A, 2B =0 4B +2A =1;

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

Dagens temaer. Definisjon av z-transformasjonen. Tema. Time 5: z-transformasjon og frekvens transformasjon. Fra forrige gang

Uke 4: z-transformasjonen

d) Vi skal nne alle lsningene til dierensialligningen y 0 + y x = arctan x x pa intervallet (0; ). Den integrerende faktoren blir R x e dx = e ln x =

FFT. Prosessering i frekvensdomenet. Digital signalprosessering Øyvind Brandtsegg

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

303d Signalmodellering: Gated sinus a) Finn tidsfunksjonen y(t) b) Utfør en Laplace transformasjon og finn Y(s)

Løsningsforslag til hjemmeeksamen i INF3440 / INF4440

Fakta om fouriertransformasjonen

UNIVERSITETET I OSLO

jx + j < 7. Hvis vi i tillegg srger for at faktoren jx j < ", far vi 7 ialt jf(x) f()j = jx + jjx j < 7 " 7 = " Dette blir flgelig ofylt for alle x sl

Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator tillatt.

MA1102 Grunnkurs i Analyse II Vår 2015

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Dagens temaer. Tema. Time 6: Analyse i frekvensdomenet. z-transformasjonen. Fra forrige gang. Frekvensrespons funksjonen

UNIVERSITETET I OSLO

0.1 Kort introduksjon til komplekse tall

MAT Grublegruppen Notat 6

Uke 4: z-transformasjonen

Signalteori - Revidert 2005

Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator tillatt.

Kap 7: Digital it prosessering av analoge signaler

Utkast med løsningshint inkludert UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

SPEKTALANALYSATORER. Fig. 1 Illustrasjon av sammenhengen tidsfunksjon - frekvensspektrum

UNIVERSITETET I OSLO

Bildetransformer Lars Aurdal

Oppgave 3c Konvolusjonsteoremet: f Λ g, F G og f g, F Λ G F rste del sier at konvolusjon i det romlige domenet (f Λ g) er det samme som pixelvis multi

Introduksjon/motivasjon I. FOURIER-TRANSFORM I Ole Marius Hoel Rindal, foiler av Andreas Kleppe. Introduksjon/motivasjon II. Bakgrunn: Frekvens

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 5 Innleveringsfrist Fredag 15. april 2016 kl 14 Antall oppgaver: 8

Kapittel 4. Fourieranalyse. Dummy tekst for å spenne ut et åpent felt for et førsteside-opplegg. c 1

En (reell) funksjon f fra en (reell) mengde D er en regel som til hvert element x D tilordner en unik verdi y = f (x).

UNIVERSITETET I BERGEN Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i MAT111 Grunnkurs i matematikk I Løsningsforslag

Transkript:

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR PETROLEUMSTEKNOLOGI OG ANVENDT GEOFYSIKK Oppgave SIG4045 Geofysisk Signalanalyse Lsningsforslag ving 3 a) ' xy (t) = x()y(t + )d : La oss, for en gitt t, denere en ny variable 0 slik at 0 = t +. Da har vi d 0 = d, og vi far ' xy (t) = = x( 0, t)y( 0 )d 0 y()x(,t + )d = ' yx (,t) b) Na har vi y(t) = x(t). Ligningen utledet i a) omskrives ' x (t) = ' x (,t). Med andre ord er autokorrelasjonen en like funksjon. Vi har generelt xy (!) = = = = e,i!t ' xy (t)dt e,i!t x()y(t + )d dt e i! x()e,i!(t+) y(t + )d dt x()e i! y(t + )e,i!(t+) dtd For en gitt kan vi denere 0 = t +. Vi har da d 0 = dt, ogfar xy (!) = Z 0 x()e i! y( 0 )e,i! 0 d d = X (!)Y (!) ; hvor X (!) erden komplekse konjugerte av X(!). Nar y(t) = x(t)blir denne ligningen x (!) = X (!)X(!) = jx(!)j 2 :

Dette viser at Fourier transformen av autokorrelasjonen til et signal er lik energispekteret til signalet. Energispekteret viser i hvilke frekvensomrader energien til signalet ligger, og er lik amplitude-spekteret kvadrert. Det vil si at autokorrelasjonen inneholder den samme informasjonen som amplitude-spekteret jx(!)j. Kjenner vi ' x (t) kan vi regne ut A x (! = jx(!)j, og kjenner vi A x (!) kan vi beregne ' x (t), men vi mangler informasjon om fasen. Uten denne informasjonen kan vi ikke beregne x(t): To signaler som har samme autokorrelasjon funksjon er ikke ndvendigvis identiske. For eksempel er sin(! 0 t) og cos(! 0 t) forskjellige signaler, selv om de har samme autokorrelasjon (og samme amplitudespektrum), fordi de har forskellige fasespektrer (se oppgave 3). Oppgave 2 a) F (!) er diskret og ikke periodisk. Transformasjonen som brukes for a regne ut F (!) er formlene for koesientene i Fourierrekker. Koesientene a n representerer den reelle delen av et diskret spektrum, dvs denert bare for frekvenser n T. Koesientene b n representerer det imaginre spekteret. Spekteret er ikke periodisk. b) F (!) erna gitt av den vanlige Fourier transformen. Det er kontinuerlig og ikkeperiodisk. Dette er pa en mate grensetilfellet av a), hvor perioden T gar mot uendelig, som far avstanden f = 2! = mellom de to frekvensene i det T diskret spektrum a ga mot null. Dermed blir spekteret kontinuerlig. Merk at et kontinuerlig signal er ofte kalt analogt signal. c) F (!) erfortsatt gitt av den vanlige Fourier transformen. Den er kontinuerlig og periodisk, med periode F =, eller periode = hvis vi bruker angulr t 2t frekvens som variabel i spekteret, hvor t er samplingsintervallet. I praksis kan k vi beregne den ved noen bestemte frekvenser ved hjelp av den diskret Fourier Nt transformasjonen, kalt DFT. Signalene og amplitude spektrene er tegnet i gur 2, 3 og 4. Vi antar at fase spektret er null, og tegner det ikke. Vi ser pa gurene at kontinuitet i tids- eller frekvensdomenet er relatert til ikke-perioditet i det andre domenet. En periode T i tids-domenet gir en frekvensopplsning lik (gur 2). Et punktprvingsintervall t i tidsdomenet, gir et 2T spektrum med periode. Vanlige diskret (ogsa kalt digitale eller numeriske) signaler har 2t da som regel et kontinuerlig periodisk spektrum. Nar vi i praksis arbeider med diskret signaler (gur 3), og nsker a beregne spektret m.h.a. datamaskin, kan datamaskinen gjre dette bare for visse verdier av frekvensen. M.a.o ma vi ogsa diskretisere frekvensen. Vi kan da, som sagt, beregne spektret ved visse frekvenser m.h.a DFT (i praksis bruker man som regel en spesiell algoritme kalt fast Fourier tranform eller FFT). DFT virker slik at man far like mange sampler i frekvens-domenet som man hadde i tids-domenet, og disse samplene dekker en periode. Resultatet blir da et diskret spektrum, selv om spektret i teori er kontinuerlig (og periodisk). Jeg har illustrert dette i gur 4. Merk at samplingsintervallet t bestemmer maksimum og minimum frekvens som blir beregnet. 2

f(t) F( ) t Figure : Kontinuerlig periodisk signal f(t) F( ) t Figure 2: Vanlig (ikke periodisk) kontinuerlig signal f(t) F( ) t Figure 3: Vanlig (ikke periodisk) diskret signal 3

f(t) F( ) t 2π/T t N T=N. t 2π/ t Figure 4: Diskret signal, og spektret bergnet med DFT Derfor ma tvre kort nok (samplingsteorem). Pa den annen side bestemmer signallengden T frekvensopplsningen. Hvis vi legger en del null-sampler til slutten av signalet vart, vil vi ikke forandre maks. og min. frekvensene, men spektret vil bli tettere diskretisert. A legge en del null-sampler til slutten (og begynnelsen, for a bevare symmetri-egenskapene...) av spektret og ta en invers-dft vil vi pa den annen side fa tettere sampling i tids-domenet (som om man hadde samplet tettere...). Hvis kravene i samplings-teoremet er oppfyllt kan vi da pa denne maten ke opplsningen i tid (m.a.o. interpolere signalet) sa mye vi nsker... Oppgave 3 For a lse denne oppgaven kan vi bruke resultatene fra tidligere oppgaver. Vi husker (fra ving 2, oppgave ) at: F((t)) = () Vi har ofte papekt symmetrien mellom tids- og frekvensdomenet, og direkte og invers Fourier transformasjonene. Ved a bruke samme metode som for a utlede () (men \symmetrisk", altsa ved a bruke invers Fourier transform pa en delta-funksjon i frekvensdomenet) er det lett a vise at: 2 = F ((!)) (2) Dette blir illustrert i gur 5: Vi husker ogsa (ving 2, oppgave 3) at: F(f(t, t 0 )) = e,i!t0 F (!) Med samme metoden som i oppgave (men \symmetrisk"), kan vi vise at: Ved hjelp av (2) og (3) far vi: e i! 0t f(t) =F (F(!,! 0 )) (3) e i! 0t =2F ((!,! 0 )); eller F(e i! 0t )=2(!,! 0 ): (4) 4

f(t) F() (pluss null fase-spektrum) f(t) F() (pluss null fase-spektrum) /2π Figure 5: Delta-funksjon i tid og frekvens domener Vi har da ogsa Dessuten husker vi at F(e,i! 0t )=2(! +! 0 ); (5) cos(! 0 t)= 2 (ei! 0t + e,i! 0t ); og sin(! 0 t)= 2i (ei! 0t, e,i! 0t ): I og med at Fourier transformasjonen er en liner operator far vi da ved hjelp av (4) og (5). F(cos(! 0 t)=[(!,! 0 )+(!+! 0 )]; og F(sin(! 0 t)= i [(!,! 0),(!+! 0 )]: Merk at vi, i vart eksempel har at y(t) =x(t, 2! 0 ), og at det hadde vrt mulig a regne ut Y (!) fra X(!) ved a bruke resultatet om spektret til en forsinket versjon av et signal (ving 2, oppgave 3). Y (!) =e,i! 2! 0 X(!); som gir Y (! 0 ) = e,i=2 X(! 0 ) (6) =,ix(! 0 ) (7) Y (,! 0 ) = e i=2 X(,! 0 ) (8) = ix(! 0 ) (9) Amplitude og fasespektrene til x(t) ogy(t) er vist i gur 6. Formen til amplitude spektrene er veldig \logisk". En ren cosinus eller sinus-funksjon inneholder bare en gitt frekvens. Derfor 5

Α () x Α () y π π 0 0 0 0 ϕ () x ϕ () y 0 0 Figure 6: Frekvensspektrene til cos(! 0 t)ogsin(! 0 t) kunne vi forvente a bare ha noe bidrag i spektret ved angulr frekvens! 0 (og -! 0,pa grunn av symmetri). Dette er viktig a huske pa! Egentlig er fasen ' y godt denert for! =! 0 og! =,! 0, men kunne ta andre verdier enn 2 for frekvenser forskjellige fra! 0, fordi spektret er null (uansett fasen) for disse frekvensene... Derfor er bade den stiplete og den kontinuerlige kurven gyldige muligheter for ' y (!). Oppgave 4 a) Vi har regnet ut spekteret til sinus funksjonen i oppgave 3: Y (!) =,i[(!,! 0 ), (! +! 0 )]; hvor vi her har at:! 0 =2(f N +f) Her vil vi gjerne bruke frekvens f i stedet for angulr frekvens!, som variabel for spekteret. Man ma merke seg at deltafunksjonen ma isa fall skaleres. Vi har, i denisjonen av (!), at: (!) = Tar vi! =2f og d! =2df far vi at: 6

/2 f N f δ f / t Figure 7: Imaginr delen av spektret til sinus-funksjonen fr sampling (analogt signal) (2f)df = 2 Sammenligner vi den siste ligningen med denisjonen av (f) ser vi at: (2f) = (f). Vi har da: 2 Y (f) =,i[(2(f, f 0 )), (2(f + f 0 ))] (0) =, i 2 [(f, f 0), (f + f 0 )]; () hvor f 0 = f N + f. I oppgave 3 har vi skissert fase og amplitudespektrene til Y (!), men siden den reelle delen er null er all informasjon inneholdt i det imaginre spekteret. Figur 7 viser dette imaginre spektret fr sampling (d.v.s. spektret til det kontinuerlige eller analoge signalet), har vi Nar vi sampler med t blir spektret periodisk. Vi tegner periodene med stiplet strek (gur 8). Hadde vi hatt riktig sampling, hadde det vrt mulig a rekonstruere spekteret til det endelige signalet vist i gur 7, ved bare a beholde frekvensene mellom,f N og f N (m.a.o. ved a lavpassltrere det digitale signalet...). Da hadde vi hatt de kontinuerlige strekene innenfor intervallet [,f N ;f N ], og de stiplete utenfor. Gjr vi dette na (for eksempel om vi \tror" at signalet ble samplet riktig), ser vi at vi vil rekonstruere spektret i gur 9 i stedet for spektret i gur 7. 7

/2 f δ f / t f N Figure 8: Imaginr delen av spektret til sinus-funksjonen etter sampling (digitalt signal) /2 - f N f f N / t Figure 9: Feil rekonstruksjon av det analoge signalet p.g.a. aliasing 8

2 Aliased sinus signal fn=0hz, deltaf=4.3hz.5 0.5 0 0.5.5 Original signal Aliased signal 2 0 0.05 0. 0.5 0.2 0.25 Figure 0: Imaginr del av spektret til det analoge signalet vi rekonstruerer ut fra spektret i gur 7 Dette er spektret til en sinus funksjon z(t) =,sin(2(f N,f)t), som er forskjellig fra y(t). Blant annet har den en annen frekvens. Ved sampling med for lav frekvens (d.v.s. med tidssampler som ikke har vrt tette nok) har vi fjernet den opprinnelige \riktige" frekvensen f N + f, og vi far en foldet \uriktig" frekvens f N,f. Dette blir illustreres i gur 0: De to kurvene representerer de to analoge signaler (det opprinnelige og det "uriktige") med spektrene tegnet i gur 7 og 9. Punktprvene faller akkurat der disse signalene trees. Punktprver vi et av de to analoge signalene med sampligfrekvens 2f N, far vi de samme punktprvene, tilsvarende spektret tegnet i gur 8. Forskjellen mellom de to analoge signalene er at samplingsteoremet ikke er tilfredstilt for det frste signalet... b) Dette eksemplet viser at: Hvis det eksisterer, i det analoge signalet, frekvenser over f N, vil disse frekvensene ikke bare forsvinne nar vi sampler, men de vil ogsa danne frekvenser i det digitale signalet, som ikke eksisterte i det opprinnelige signalet. For a unnga dette kan vi ltrere bort frekvensene over f N i det analoge (kontinuerlige) signalet. Filteret som skal brukes er selvsagt analogt og lavpass. Et slikt lter kalles for \anti-alias lter". I vart eksempel far vi da ikke noe signal etter ltrering og sampling, i stedet for et falskt signal. 9