Основные понятия и определения теории информации и кодирования. Задачи теории информации и кодирования, страница 2

1933 г. Согласно теореме Котельникова, или теореме  отсчетов,  если функция непрерывна и ее частотный спектр не содержит составляющих с частотой, превышающей F, то она полностью определяется  совокупностью ординат, отстоящих во времени друг от друга на 1/2 F.

Физический смысл теоремы Котельникова заключается  в  следующем. Предположим, требуется передать значения  непрерывной  функции

u(t) при помощи дискретных сигналов (рисунок). Это  можно  сделать, передавая через определенные интервалы времени t значения  функции

u(t).

Теорема Котельникова :

Если непрерывная  функция  X(t) удовлетворяет  условиям  Дирихле

(ограничена, кусочно-непрерывная и имеет конечное  число  экстремумов) и ее спектр ограничен некоторой частотой fc, то она  полностью определяется последовательностью своих значений в  точках,  отстоящих на расстоянии Tk = 1/2fc друг от друга.

Аналитически теорема Котельникова  выражается  интерполяционным рядом

oo

__

\           sin[Wc(t-kt)]

X(t) = /   X(kt) ───────────────,

──            Wc(t-kt)

k=-oo

Pi     1

где t = ──── = ───.

Wc    2fc

Непосредственно из этого выражения следует,  что  непрерывная функция с ограниченным спектром может быть представлена в виде суммы бесконечно большого числа членов,  каждый  из  которых  является произведением функции вида

sin(y)

──────

y

(функции отсчета) и  коэффициента  X(kt),  определяющего  значение функции X(t) в момент отсчета.

Функция отсчетов представлена графически на рисунке, где введено обозначение Г = t - kt Эта функция  в  момент  времени  t=kt

достигает максимального значения и равна единице. В момент  времени

t=(k+i)t, где i = 1, 2, 3..., oo, функция  отсчетов  обращается  в нуль.

^

sin WcГ      │

───────      │1

WcГ       /-\

/ │ \

/  │  \

/-\         /   │   \         /-\

/   \       /    │    \       /   \

─────/─────\─────/─────┼─────\─────/─────\──────>

-/       \   /      │0     \   /       \3Pi   2Pi\-/  Pi        Pi \-/2Pi   3Pi

-───  -───    -──        ──    ───   ───

Wc    Wc     Wc        Wc     Wc    Wc

sin WcГ

Как известно, функция вида  ─────── представляет собой реакWcГ

цию идеального фильтра нижних частот  с  ограниченной  частотой  на дельта-функцию. Тогда, если через такой фильтр  пропустить  квантованный во времени сигнал с частотой квантования

Wc

fk = 2fc = ────,

Pi

то суммируя выходные сигналы фильтра можно получить исходный непрерывный сигнал X(t).

Однако при практическом применении теоремы Котельникова  возникает ряд принципиальных затруднений.

Для точного восстановления исходной функции необходимо  получить и просуммировать реакции фильтров на входные импульсы на  всей оси времени от -oo до +oo, или хотя бы  достаточно  большого  количества импульсов до  и  после  аппроксимируемого  участка  функции.

Практически реализовать это трудно. Далее, функции отсчетов,  генерируемые фильтром низких частот, должны иметь бесконечную протяженность во времени как для положительных,  так  и  для  отрицательных значений t. Такие фильтры физически неосуществимы. Наконец на практике приходится иметь дело с сигналами, ограниченными во времени  и обладающими, следовательно, бесконечно широким спектром, что противоречит основному условию теоремы.

Однако на практике никогда не требуется идеально точного воспроизведения передаваемого сигнала.

Поэтому с целью использования теоремы Котельникова для  квантования сигналов реальный спектр сигнала, простирающийся от нуля до бесконечности, условно ограничивают некоторым диапазоном от нуля до

Wc, в котором сосредоточена основная часть энергии  спектра.  Энергия отсекаемой части  спектра  сигнала  характеризует  погрешность, возникающую за счет ограничений спектра частотой  Wc.  Эту  погрешность можно оценить отношением энергии, содержащейся  в  отсекаемой части спектра, к общей энергии сигнала.

Фундаментальное значение  теории  Котельникова  в  прикладном плане заключается в том, что она указывает на  возможность  восстановления исходного непрерывного сигнала по его отсчетным  значениям с любой сколь угодно малой наперед заданной погрешностью. При  этом заданная погрешность задает шаг квантования.