Aliasing (przetwarzanie sygnałów)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy przetwarzania sygnałów. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.

Aliasing to nieodwracalne zniekształcenie sygnału w procesie próbkowania wynikające z niespełnienia założeń twierdzenia Kotielnikowa-Shannona. Zniekształcenie to objawia się obecnością w sygnale składowych o błędnych częstotliwościach (aliasów).

Przyczyna aliasingu[edytuj | edytuj kod]

Aliasing wynika z niejednoznacznej reprezentacji sygnału okresowego przez ciąg jego wartości chwilowych (próbek) pobranych w równych odstępach (patrz rysunek).

Przykład dwóch różnych sinusoid pasujących do tego samego wzoru próbek. W rzeczywistości jest nieskończenie wiele takich sinusoid, które przechodzą przez ten sam zbiór punktów

Dokonując próbkowania sygnału z częstotliwością f_s, nie można odróżnić sygnału harmonicznego o dowolnej częstotliwości f_0 od przebiegu harmonicznego o częstotliwościach k\cdot f_s\pm f_0. Próbki sygnału o wysokiej częstotliwości mogą być mylnie zinterpretowane jako próbki sygnału o niższej częstotliwości. Częstotliwość po spróbkowaniu można obliczyć z zależności: f = | n\cdot f_s - f_0 | gdzie n\cdot f_s jest wielokrotnością częstotliwości próbkowania leżącą najbliżej częstotliwości  f_0 [1]. Ta niejednoznaczność prowadzi do błędnego odtworzenia składowych widmowych przy rekonstrukcji sygnału ciągłego poprzez interpolację.

Interpretacja w dziedzinie częstotliwości[edytuj | edytuj kod]

W dziedzinie częstotliwości widmo sygnału zostaje w procesie próbkowania zwielokrotnione w ten sposób, że kopia widma pierwotnego zostaje umieszczona w każdej całkowitej wielokrotności f_s po obu stronach osi częstotliwości.

Jeśli maksymalna częstotliwość sygnału próbkowanego (szerokość jego widma) przekracza połowę częstotliwości próbkowania f_s, to kolejne powtarzające się widma zaczynają się na siebie nakładać. Zgodnie z twierdzeniem Kotielnikowa-Shannona nie da się odtworzyć oryginalnego sygnału z tak zniekształconych próbek.

Uniknięcie aliasingu[edytuj | edytuj kod]

Aby uniknąć aliasingu należy zapewnić, aby sygnał próbkowany był ograniczony pasmowo do częstotliwości Nyquista czyli połowy częstotliwości próbkowania. Można to uzyskać przez ograniczenie widma sygnału przy pomocy filtra, nazywanego filtrem anty-aliasingowym. Filtr ten powinien mieć szerokość pasma mniejszą niż połowa częstotliwości próbkowania. Zazwyczaj stosuje się filtry o wyraźnie mniejszej szerokości pasma przepustowego po to, aby uwzględnić niewielkie tłumienie, które zachodzi na odcinku przejściowym charakterystyki filtra oddzielającego pasmo przepustowe od pasma zaporowego.

W praktyce, ze względu na to, że żaden sygnał o skończonym czasie trwania nie ma ograniczonego pasma (co wynika z właściwości transformacji Fouriera), a żaden filtr nie tłumi idealnie w swoim paśmie zaporowym, aliasing występuje zawsze. W prawidłowo zaprojektowanym systemie wykorzystującym próbkowanie sygnału dąży się do minimalizacji tego zjawiska, aby amplituda składowych aliasowych była pomijalnie mała.

Kompensacja aliasingu[edytuj | edytuj kod]

W wielu nowoczesnych systemach cyfrowego przetwarzania sygnałów obecność nawet silnego aliasingu jest nieunikniona. Zamiast walczyć z aliasingiem stosując filtry o stromym nachyleniu charakterystyki amplitudowej, systemy takie projektuje się w ten sposób, aby składowe aliasowe kompensowały się w końcowym etapie przetwarzania. Na przykład w zespołach filtrów podpasmowych silne składowe są obecne w każdym paśmie, natomiast ulegają skasowaniu przy sumowaniu pasm na wyjściu.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]