Сигнал это изменение физической величины во времени или пространстве. К примеру, это может быть изменение одномерного сигнала в зависимости от времени. Если мы рассматриваем цифровое изображение это может быть изменение яркости пикселей в зависимости от его положения в пространстве.
Но с точки зрения математики сигнал это функция одной или нескольких независимых переменных. В нашем случае независимыми переменными являются время и положение в пространстве, а зависимыми переменными могут быть значения нашего сигнала x от t или яркости пикселей на цифровом изображении.
Непрерывные и дискретные сигналы:
Непрерывный аналоговый сигнал определен на всем промежутке времени, то есть мы в любой момент времени t можем узнать значение сигнала x. Если мы возьмем эти значения с периодом дискретизации T, то мы получаем дискретный сигнал, значение которого определены только в конкретные моменты времени.
Дискретный сигнал теперь записываем как x[n], и n это номера отчетов дискретной последовательности. Если взглянуть на процесс дискретизации с точки зрения математики, то выходная дискретная последовательность с x[n] формируется, когда мы подставляем в нашу функцию x(t) значение времени t равный nT, где n — это номер дискретного отчета, а T — это период дискретизации.
Периодические сигналы
Периодический сигнал это сигнал, форма которого повторяется во времени. Повторяться во времени может, как форма непрерывных сигналов, так и форма дискретных сигналов. Периодом сигнала называем интервал повторения.
К примеру, у дискретного сигнала y[n] форма повторяется каждые 4, 8, 12 и так далее отчетов, для непрерывного сигнала z[t] форма повторяется каждые 2, 4, 6 и так далее секунд.
Фундаментальным или основным периодом сигналом называется наименьший интервал повторения, то есть для нашего дискретного сигнала y[n] это 4 отчета, а для нашего непрерывно сигнала это две секунды.
Фундаментальная частота
От понятие фундаментального периода мы можем перейти к понятию фундаментальной частоты. Фундаментальная или основная частота также именуемая первая гармоника, это количество основных периода сигнала, приходящихся на единицу времени. Частота измеряется в Герцах, то есть в количестве периодов приходящейся на одну секунду, и фактически является обратной величиной основного периода.
Если мы рассмотрим наш непрерывный сигнал z[t] его основной период равен двум секундам, а это значит, что на одну секунду приходится ровно половина его периода.
Основная частота дискретного сигнала
Но если с непрерывным сигналом все более менее понятно, то есть можем взглянуть на него на временной оси, оценить величины основного периода и подсчитать значение основной частоты, то с дискретным сигналом все не так просто.
Нам доступны значение отчетов, мы знаем их номера в последовательности, но мы не знаем, как они соотносятся с его фундаментальной частотой, и как они соотносятся с частотой дискретизации. Давайте в этом попробуем разобраться на примере.
Возьмем дискретный сигнал, который мы используем для описания в предыдущих статьях. Он имеет период в 4 отчета, где два первых отчета в периоде имеют большую амплитуду, а два последних отчета имеют малую амплитуду.
Нашей задачи в данном примере будет при помощи такого сигнала услышать ноту ля первой октавы, то есть частоту 440 Гц. Для того чтобы это сделать нам обязательно надо понять, как основная частота соотносится с частотой дискретизации сигнала.
Для этого давайте перенесем наш сигнал на временную ось. Основной период данного сигнала высчитывается также, как для непрерывного сигнала, то есть это обратная величина его фундаментальной частоты, в нашем случае единицы делить на 440. Но мы также видим то, что период дискретизации нашего сигнала, обозначим здесь его как ∆t в 4 раза меньше, чем основной период, так как на основной период приходится ровно 4 отсчета.
Выразим частоту дискретизации через период дискретизации, частоту дискретизации можно записать, как единицу делить на ∆t, что получить равно 4 делить на T0, то есть в нашем случае частота дискретизации должна быть в 4 раза больше, чем наша фундаментальная частота ноты ля первой октавы.
Изменение частоты дискретизации
Если мы рассмотрим наши манипуляции над дискретным сигналом, как манипуляции на аналоговом сигнале, а после этого дискретизацию аналогового сигнала, то вот к чему мы приходим. Когда мы увеличиваем частоту дискретизации, то мы фактически берем дискретные отчеты более быстрого аналогового сигнала, или кладем отчеты того же дискретного сигнала на другую временную сетку.
К примеру, наш дискретный сигнал с периодом дискретизации ∆t можно представить как оцифрованные значения аналогового сигнала с периодом Т0,
Если теперь те же самые отчеты сигнала, мы положим на более плотную временную сетку с меньшим периодом ∆t, это фактически то же самое как если мы оцифровали более быстрый аналоговый сигнал с меньшим периодом Т0.
В качестве эталонного, аналогового сигнала мы представили синусоиду, а почему мы так часто используем синусоиду, когда говорим о цифровой обработки сигналов об этом в следующей статье.
