1,7K подписчиков

Другой взгляд на корреляцию и спектры

1,8K прочитали

В этом выпуске поделюсь своим взглядом на такой важный вопрос, как спектр сигнала.

Видео версия в конце

Всем привет, добро пожаловать в новый сезон франшизы Проектирование аппаратно-программных средств обработки данных.

В новых сериях мы окунемся в мир сигналов и способах их обработки. Новые задачи потребуют освоение новых инструментов. Новички могут ознакомиться с широким спектром проблем и вопросов, с более опытными зрителями можем вспомнить различные моменты из студенческих лет и профессиональной деятельности. Весьма полезным будет подискутировать на спорные темы. В любом случае, материал не уйдет бесследно в мусорную корзину.

В этом выпуске поделюсь своим взглядом на такой важный вопрос, как спектр сигнала. Возможно вид с этой точки покажется необычным, но это всего лишь угол, под которым мы все смотрим на один и тот же предмет. Итак, заходим с альтернативной стороны.

Проводная связь

В коаксиальном кабеле информацию переносит уровень напряжения между центральным проводником и металлической оплеткой. Такая среда передачи удобна как для передачи аналоговой информации, так и для цифровой.

Устройство коаксиального кабеля
Устройство коаксиального кабеля

Если в многоквартирном доме выйти в подъезд и попотрошить щитки с счетчиками электричества, то в вертикальных каналах между этажами можно увидеть это кабели в большом количестве. В основном, они использовались для кабельного телевизионного вещания. Телефонные двухпроводные линии после уплотнительного оборудования сливаются как ручейки вот в такой кабель. Общая домовая телевизионная антенна, давно умершие локальные сети на основе коаксиала и видимо много еще каких применений нашел этот кабель.

В отличие от коаксиала, асинхронный последовательный интерфейс передачи данных использует обыкновенные медные провода для передачи цифровой информации.

Разъем интерфейса RS232 и форма сигнала
Разъем интерфейса RS232 и форма сигнала

Дело тут в том, что в канал поступают напряжения либо логического нуля, либо единицы. И мы все прекрасно понимаем, что напряжение это аналоговая величина, но рассматривается-то принадлежность напряжения к какому то диапазону. Асинхронность это возможность начать передачу синхронного фрейма в любой момент времени. Биты имеют строго определенную длительность и синхронизированы с внутренним источником тактов в передатчике.

Фрейм синхронный, но передача асинхронная.

Широко известный интерфейс USB это развитие асинхронного последовательного интерфейса. В кабеле 4 медных проводника. Земля, питание и две дифференциальных информационных линии.

Разъем интерфейса USB и проводники в кабеле
Разъем интерфейса USB и проводники в кабеле

Дифференциальные это значит информацию переносит разница напряжений между проводниками в паре. Фреймы полностью синхронные, но передаются в произвольный момент времени. Полудуплексный режим передачи это когда в разные стороны фреймы проходят по очереди.

Также широко распространенный кабель витая пара это чаще всего две пары дифференциальных линий для передачи фреймов в полнодуплексном режиме.

Разъем интерфейса Ethernet и проводники кабеля типа витая пара
Разъем интерфейса Ethernet и проводники кабеля типа витая пара

Пара в одном направлении, пара в другом. Встречные фреймы проходят в разных парах. Вместе с оптоволоконными линиями эти кабели составляют основу всей инфраструктуры связи на этой планете. Среди всего этого разнообразия только оптоволокно несет в себе полностью синхронный идеально выверенный сигнал.

Беспроводная связь

Есть одна область, которую кабельные линии совсем не затрагивают. Это связь с теми объектами, куда кабели не протянуть по понятным причинам. Поезда и самолеты, корабли и подводные лодки. Дальше можно не продолжать, вы поняли. Беспроводная связь это та область, которая впитала в себя колоссальной количество научных достижений. Постараемся порассуждать на эти темы просто.

Беспроводная связь использует перенос энергии при помощи электромагнитных волн. Излучать такую волну в окружающее пространство довольно просто. Из школьного курса физики известно, что между пластинами с разностью потенциалов есть электрическое поле.

Передача энергии поля в пространство и типичный вид антенны
Передача энергии поля в пространство и типичный вид антенны

Если пластины развернуть, то силовые линии поля пройдут через окружающее пространство. Переменное напряжение на пластинах создает переменное электрическое поле, а оно создает переменное магнитное поле. И эта цепочка полей переносит энергию в окружающее пространство.

Любая штыревая антенна это разновидности диполя (двух идеальных точек в пространстве с противоположными по знаку электрическими зарядами). Вторая часть штыря либо в корпусе, либо сам корпус является этой второй половиной.

Штыревая антенна - вариации диполя
Штыревая антенна - вариации диполя

Гармоническое колебание идеально подходит под описание переменного воздействия на антенну. Согласно этому закону меняется и электрическое поле.

Параметры гармонического сигнала
Параметры гармонического сигнала

Основные параметры гармонического колебания это амплитуда и фаза с частотой. Частота и фаза неразрывны друг с другом, математически связаны и называются угловыми параметрами гармонического сигнала. При встрече электрического поля с приемной антенной в ней наводятся токи и эти смещения электронов приводят к появлению выходного напряжения на разъеме антенны. В дальнейшем мы будем рассматривать преимущественно радиосигналы, о них больше всего будет идти речь.

Вводим меру похожести сигналов

Давайте приступим непосредственно к теме. На графике представлены два сигнала. Вместо бесконечности в обе стороны, которые любят математики ограничимся временным промежутком.

Два сигнала во временном окне
Два сигнала во временном окне

То что строго для математиков порой невозможно взять на вооружение инженеру с паяльником. Рассмотрим это временное окно. Насколько эти сигналы похожи? Совсем немного. Введем какое-то более строгое определение похожести.

Если сигналы идеально совпадают, то площадь фигуры, которую они ограничивают будет нулевая. И чем меньше они совпадают друг с другом, тем больше площадь фигуры. Начало уже неплохое. Это можно описать знакомым со школы интегралом.

Определение интеграла и мера похожести сигналов
Определение интеграла и мера похожести сигналов

Определенный интеграл это площадь фигуры, ограничиваемой функцией. В нашем случае можно найти разность площадей фигур или найти интеграл разности функций. Один есть только минус. Если s(t) выше y(t), то интеграл отрицательный. А это не очень удобно интерпретировать. Если функции похожи значит интеграл близок к нулю, а если не похожи, то знак интеграла непредсказуем.

Это исправляется путем квадрата разности. Какая бы по знаку не была разность, квадрат ее - величина положительная. Назовем такой интеграл правдоподобием сигналов.

Мера похожести или правдоподобия сигналов
Мера похожести или правдоподобия сигналов

Квадрат разности раскрывается следующим образом. Квадрат первого минус удвоенное произведение первого на второе плюс квадрат второго.

Раскрытие квадрата разности
Раскрытие квадрата разности

Интеграл прилетает к каждому слагаемому.

В этом выпуске поделюсь своим взглядом на такой важный вопрос, как спектр сигнала.-13

И теперь ответственный трюк. Первый и последний элементы это не что иное как энергии сигналов. Мощности, умноженные на время, суммированные по малым частям в интеграле. Центральный элемент это так называемая интегральная свертка двух функций. Если оставить только ее, то получим совсем другой индикатор похожести двух сигналов. Вот он то нас сейчас и заинтересует.

Упрощенная мера похожести
Упрощенная мера похожести

Это тоже мера похожести, но ведет она себя совсем не так, как тот интеграл разности. К с индексами из названий функций это что-то похожее на корреляцию из математики. Давайте с ней немного разберемся.

Эксперименты с мерой похожести

Возьмем в качестве живого примера гармонический сигнал m(t) с малой амплитудой и частотой 2,2. Второй сигнал n(t) с большой амплитудой и частотой 6,3. Они изображены на графике.

Вычисления похожести двух сигналов
Вычисления похожести двух сигналов

Измерим сначала похожесть сигнала m(t) самого с собой. Для определенности возьмем временное окно от 0 до 100 единиц. Похожесть без малого 2 единицы. Теперь сделаем то же самое для мощного сигнала n(t). Похожесть 220,54. В этом нет ничего удивительного. Физика говорит нам, что это энергии сигналов на этом временном промежутке. Один мощнее другого более чем в 100 раз.

А вот сейчас будет интересно. Измеряем похожесть двух разных сигналов. Она феноменально низкая 0,03. Оба сигнала гармонические и один даже имеет большую мощность, но показатель твердо заявляет, что

сигналы не похожи друг на друга, при этом сами на себя они очень похожи.

Знаете, этим необходимо воспользоваться.

Похожесть — функция от частоты

Вот в чем суть идеи. Можно взять гармонический сигнал единичной амплитуды с частотой 1 герц, измерить похожесть с имеющимся любым сигналом, отложить результат на графике. Потом увеличить частоту гармоники до 2 герц и снова отложить на графике результат похожести. Так можно пройтись по всем частотам и получить общую картину.

И вот что получается. m(t) это имеющийся сигнал. s это та самая гармоника, с меняющейся частотой. Именно с ней будем смотреть похожесть. Формула похожести справа. По горизонтальной оси откладываем частоту гармоники s. По вертикали мера похожести.

Отмечаем величины похожести на оси частоты
Отмечаем величины похожести на оси частоты

Результат нулевой по всему диапазону, кроме частоты совпадающей с m(t). На частоте 2,2 всплеск. Это означает, что на этой частоте гармоника s похожа на сигнал m(t).

Идем далее. Смешаем в одном сигнале мю две гармоники. У них разные частоты и амплитуды. Назовем гармоники s базисной функцией. Пора уже дать ей какое-то имя.

Анализ смеси двух гармоник
Анализ смеси двух гармоник

И результат измерения похожести мю на базисные гармоники дает всплески на частоте 2,2, второй более мощный на частоте 6,3. Это с одной стороны предсказуемо, но в то же время приятно что это так работает. Это широкие возможности для анализа произвольных сигналов.

Одно дело смотреть на составляющие разных цветов на одном графике где все понятно, совсем другое дело столкнуться с тем как это выглядит без прикрас.

В этом выпуске поделюсь своим взглядом на такой важный вопрос, как спектр сигнала.-18

А вот сейчас попробуйте догадаться сколько здесь гармонических сигналов замешано и какой они амплитуды. А ведь это всего лишь смесь двух сигналов. Анализ дает четкую картину.

Доработка в формулах

Однако, есть в этих размышлениях неучитываемый факт. Необязательно в исследуемом сигнале будут присутствовать только синусы. Фаза гармоник может быть абсолютно любой. А синус и косинус отличаются меж собой по фазе на 90 градусов и их интегральная свертка равна нулю.

Ортогональность гармонических функций
Ортогональность гармонических функций

Ничего личного, только математика. Давайте теперь ломать придуманный показатель похожести.

В качестве базисной функции возьмем косинус. И вот при совпадении частот с базисной функцией наблюдаем нули.

Использование ортогональной функции в качестве базисной
Использование ортогональной функции в качестве базисной

Печально, но решение находится очень быстро.

Базисными функциями являются как синус так и косинус. Считаются оба варианта похожести и итоговый складывается из корня от суммы квадратов этих вариантов. Если один из вариантов провалится до нуля, то второй скомпенсирует провал.

Использование двух базисных функций
Использование двух базисных функций

А выглядит график теперь превосходно. Никаких отрицательных значений и показывает то что есть на самом деле. В сигнале мю есть две главные энергетические составляющие. Одна на частоте 2,2, другая на 6,3. Вклад каждой составляющей наглядно показан на графике. А ведь все начиналось с какой-то непонятной похожести.

Расширяем поле зрения

Напоследок внесем еще одно улучшение. По вертикальной оси откладывать будем не саму меру похожести, а ее десятичный логарифм, умноженный на 10.

Использование логарифмического масштаба на вертикальной оси
Использование логарифмического масштаба на вертикальной оси

Теперь показано, что с каждой новой линией сетки сигнал будет отличаться в 10 раз. В новой системе отсчета помещаются все сигналы от мала до велика. Можно увидеть гармоники и в 1000 и в 10 000 раз мощнее. Это более удобный формат представления.

Эпилог

Что по итогу. Рассуждения не такие строгие, как предлагаются для изучения в технических вузах. Мера похожести это аналог функции корреляции, Отложенная на частотной оси эта мера аналогична энергетическому спектру сигнала. В наших примерах для конкретности у интегралов есть пределы. В умных книгах у интегралов в качестве пределов плюс и минус бесконечности. Простому инженеру от бесконечностей никакой радости. Все равно преобразования в устройствах обработки данных проводятся в определенном временном окне, а никак не на бесконечностях.

В умных книгах пишут про разложение функций в гармонический ряд, но при всем уважении к господину Фурье, все как-то может выглядеть проще на уровне школьной программы.

Фурье, Жан-Батист Жозеф
Фурье, Жан-Батист Жозеф

Это не изобретение спектрального анализа, а взгляд немного с другой точки. Возможно, так видно чуть шире. Пишите что думаете по этому поводу.

Видео версия