Спектр продолжим
периодически на всю ось частот с периодом
. Тогда для частоты в
диапазоне частот от
до
, функцию
можно представить в виде ряда Фурье:
, где
.
Используя выражение (119) , получим
, поэтому
.
Подставляя это выражение в (119), имеем
.
Изменяя порядок выполнения операции интегрирования и суммирования, получим
, откуда следует формула (118).
Формула Котельникова даёт точную сумму для любой
функции с резко ограниченным
по частоте спектром.
Восстановление непрерывного сигнала по его
отсчётам. Пусть сигнал поступает на вход идеального
фильтра нижних частот с импульсной характеристикой
.
Напряжение представляет
собой последовательность прямоугольных импульсов длительностью
и периодом
повторения
, причём площадь
каждого импульса равна
.
Согласно (109) отклик идеального фильтра нижних частот
.
При прохождении сигнальной импульсной последовательности через идеальный фильтр нижних частот напряжение на его выходе от k-го импульса равно
.
Напряжения на выходе фильтр нижних частот от всех импульсов
.
.
Сравнивая данное выражение с формулой Котельникова,
замечаем, что выходное напряжение фильтра нижних частот отличается от его
входного напряжения
лишь
постоянным множителем
.
Следовательно,
.
Итак, сигнал , передаваемый в виде
периодической последовательности прямоугольных импульсов, можно восстановить на
приёмном конце линии связи, пропуская эту последовательность через фильтр нижних
частот, с граничной частотой
усиливая
в
раз.
Такая схема передачи изображена на рис. 27.
0
Рис. 27
Реальные сигналы не имеют строго ограниченного спектра и, поэтому, могут передаваться по подобной линии связи с некоторыми искажениями.
Практические ограничения и их преодоления. Теорема Котельникова предполагает
ограниченность частотного спектра частотой . При восстановлении
сигнала по отсчётам использовался идеальный фильтр нижних частот, имеющий
строго ограниченную полосу пропускания.
В реальности не существует сигналов с ограниченным спектром, так как все сигналы, ограниченные во времени, имеют бесконечную ширину спектра. Не реализуются и идеальные фильтры нижних частот, имеющие строго ограниченную полосу пропускания.
Рассмотрим влияние этих практических ограничений и
способы их уменьшения их влияния. Для этого рассмотрим изменение функции в зависимости от
шага дискретизации по времени
.
Процедуру дискретизации (взятие отчётов),
осуществляемую с помощью электронного ключа, можно рассматривать как умножение
функции на вспомогательную
функцию
:
, где
- периодическая
последовательность прямоугольных тактовых импульсов единичной амплитуды,
имеющих длительность
и период
повторения
.
Периодическую функцию , полагая в формуле (96)
и
,
можно представить
рядом Фурье
, (120)
где и
.
Подставляя (120) в выражение , имеем
(121)
Если спектром является
, то спектр напряжения
можно представить в
следующем виде:
(122)
Спектры и
изображены на рис. 28.
Рис. 28
Согласно выражению (122) коэффициенты убывают с увеличением
n, поэтому правый и левый спектры на рис. 28 должны быть меньше
центрального. Однако при малой длительности отсчёта
и
1
очень мало
отличается от
. Поэтому
на рис. 28 амплитуды спектров дискретного сигнала показаны одинаковыми.
Можно показать, что при
спектры перекрываются.
Очевидно, что сигнал
можно
восстановить по спектру
с
помощью фильтра нижних частот, если спектры не перекрываются, т.е. при
.
Минимальная частота отсчётов называется скоростью
Найквиста. Так как реальные сигналы не имеют строго ограниченной частоты
, за пределами
которой спектр равен нулю, то всегда имеет место перекрытие спектров. Для
уменьшения влияния перекрытия спектров можно увеличить частоту отсчётов
по сравнению с
(частота
отсчитывается на достаточно
малом уровне).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.