Fourier transzformáció. Korszerű matematikai módszerek a geodéziában

Hasonló dokumentumok
Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 6. A MINTAVÉTELI TÖRVÉNY

Fehérzajhoz a konstans érték kell - megoldás a digitális szűrő Összegezési súlyok sin x/x szerint (ez akár analóg is lehet!!!)

Shift regiszter + XOR kapu: 2 n állapot

Wavelet transzformáció

Fourier transzformáció

Fourier transzformáció

illetve, mivel előjelét a elnyeli, a szinuszból pedig kiemelhető: = " 3. = + " 2 = " 2 % &' + +

Digitális jelfeldolgozás

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Jelfeldolgozás bevezető. Témalaboratórium

Mintavétel: szorzás az idő tartományban

Ellenőrző kérdések a Jelanalízis és Jelfeldolgozás témakörökhöz

Mérés és adatgyűjtés

1. témakör. A hírközlés célja, általános modellje A jelek osztályozása Periodikus jelek leírása időtartományban

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 8. A JELFELDOLGOZÁS ALAPJAI

ADAT- ÉS INFORMÁCIÓFELDOLGOZÁS

Jelek és rendszerek MEMO_03. Pletl. Belépő jelek. Jelek deriváltja MEMO_03

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 5. A JELFELDOLGOZÁS ALAPJAI: JELEK

Dekonvolúció a mikroszkópiában. Barna László MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Nikon-KOKI képalkotó Központ

4. Szűrés frekvenciatérben

Az ideális határesetek, mint például tömegpont, tökéletesen merev testek pillanatszerű

DINAMIKAI VIZSGÁLAT OPERÁTOROS TARTOMÁNYBAN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

A gyakorlat célja a fehér és a színes zaj bemutatása.

Jelek és rendszerek - 4.előadás

Digitális Fourier-analizátorok (DFT - FFT)

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 7-8. ea ősz

Ha sokáig mérünk: kiátlagoljuk a jelet Milyen lesz ez a súlyfüggvény? T idejű integrálás + delta függvény T ideig integrálva:

Számítógépes Grafika SZIE YMÉK

Eddigi tanulmányaink alapján már egy sor, a szeizmikában általánosan használt műveletet el tudunk végezni.

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Anyagi tulajdonságok meghatározása spektrálisan

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

2. Elméleti összefoglaló

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

jelfeldolgozásba II.

Mintavételezés és AD átalakítók

2013. január 9. A Heisenberg-féle határozatlansági relációt úgy szokás megfogalmazni, hogy egy

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 6-8. ea ősz

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Az Informatika Elméleti Alapjai

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

Akusztikus mérőműszerek

Digitális jelfeldolgozás

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Négypólusok tárgyalása Laplace transzformációval

Képalkotás modellezése, metrikái. Orvosi képdiagnosztika 6. ea ősz

Differenciálegyenletek megoldása Laplace-transzformációval. Vajda István március 21.

7. előadás Gyors szorzás, gyors Fourier-transzformáció

7. előadás Gyors szorzás, gyors Fourier-transzformáció

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

A mintavételezéses mérések alapjai

Néhány fontosabb folytonosidejű jel

Hangtechnika. Médiatechnológus asszisztens

Jelanalízis. Neuronális aktivitás

Ortogonalizáció. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Ortogonalizáció / 41

Inverz Laplace-transzformáció. Vajda István március 4.

1. Jelgenerálás, megjelenítés, jelfeldolgozás alapfunkciói

Jelgenerálás virtuális eszközökkel. LabVIEW 7.1

ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem. Jelfeldolgozás. ANTAL Margit. Adminisztratív. Bevezetés. Matematikai alapismeretek.

Történeti Áttekintés

Képalkotás modellezése, metrikái. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

11. Orthogonal Frequency Division Multiplexing ( OFDM)

Képalkotó diagnosztikai eljárások:

Diszkrét idej rendszerek analízise szinuszos/periodikus állandósult állapotban

A gyors Fourier-transzformáció (FFT)

Orvosi Fizika és Statisztika

Informatika Rendszerek Alapjai

3.18. DIGITÁLIS JELFELDOLGOZÁS

Számítógép-vezérelt szabályozás- és irányításelmélet

Híradástechikai jelfeldolgozás

Jelek és rendszerek - 12.előadás

Kommunikációs hálózatok 2

Jelfeldolgozás. Gyakorlat: A tantermi gyakorlatokon való részvétel kötelező! Kollokvium: csak gyakorlati jeggyel!

2. Fourier-elmélet Komplex trigonometrikus Fourier-sorok. 18 VEMIMAM244A előadásjegyzet, 2010/2011

Képrekonstrukció 3. előadás

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

Következõ: Lineáris rendszerek jellemzõi és vizsgálatuk. Jelfeldolgozás. Lineáris rendszerek jellemzõi és vizsgálatuk

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

Hálózatok számítása egyenáramú és szinuszos gerjesztések esetén. Egyenáramú hálózatok vizsgálata Szinuszos áramú hálózatok vizsgálata

π π A vivőhullám jelalakja (2. ábra) A vivőhullám periódusideje T amplitudója A az impulzus szélessége szögfokban 2p. 2p [ ]

2012. október 9 és 11. Dr. Vincze Szilvia

1. feladatsor Komplex számok

Irányítástechnika II. előadásvázlat

CSAPADÉK ÉS TALAJVÍZSZINT ÉRTÉKEK SPEKTRÁLIS ELEMZÉSE A MEZŐKERESZTES-I ADATOK ALAPJÁN*

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

1.1 Számítógéppel irányított rendszerek

MECHATRONIKA Mechatronika alapképzési szak (BSc) záróvizsga kérdései. (Javítás dátuma: )

6. témakör. Mintavételezés elve Digitális jelfeldolgozás (DSP) alapjai

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Mérés és adatgyűjtés

Digitális szűrők - (BMEVIMIM278) Házi Feladat

Az NMR és a bizonytalansági elv rejtélyes találkozása

Informatika Rendszerek Alapjai

Átírás:

Fourier transzformáció Korszerű matematikai módszerek a geodéziában 2019.10.14.

Áttekintés Fourier-sor CFT (folytonos transzformáció) DFT (diszkrét transzformáció) FFT (gyors transzformáció) Példa: kerék gyorsulásmérő adatok FFTje Alkalmazások

1D Fourier-sor f(t)-nek trigonometrikus alaprendszer szerinti felbontása (t idő vagy távolság) 1 f (t ) a0 an cos n 0t bn sin n 0t 2 n 1 alap körfrekvencia (rad/s, rad/km) 2 0 T

Fourier-sor komplex alakban Euler összefüggés: e in t cos n 0 t i sin n 0 t komplex alak: 0 f (t ) c n e in 0t komplex együtthatók: c n 1 a n ibn 2

Periódusos függvény leképezése diszkrét együtthatókra az együtthatók kiszámítása (T periódus): 1 cn T d T f (t ) e d in 0t dt

1D Fourier-sor (Jupyter munkafüzet) https://nbviewer.jupyter.org/github/gyulat/fourier/blob/master/1dfourier.ipynb

Folytonos Fourier-transzformáció (CFT) egy g(t) periódusos függvény (T ) határátmenetre nemperiódusossá válik:

Fourier-transzformáció (CFT) direkt és inverz transzformált pár: F ( ) f (t ) e i t dt F f (t ) 1 f (t ) 2 F ( ) e i t d F 1 F ( ) e i t cos t i sin t periódusos függvény!

A CFT tulajdonságai páros f(t) függvény F(ω) transzformáltja valós

linearitás F f (t ) g (t ) F f (t ) F g (t ) F ( ) G ( ) eltolás (fázis változás) F f (t t 0 ) F f (t ) e i t0 F ( ) e i t0 konvolúciótétel F f (t ) h(t ) F ( ) H ( ) A konvolúció Fourier-transzformáltja a tényező függvények Fourier-transzformáltjainak szorzata.

Dirac-féle egységimpulzus Dirac-féle egységimpulzus függvény δ(t): mindenhol zérus, kivéve a t helyet, ahol végtelen nagy, de integrálja véges Hasznos absztrakció mint pl. a tömegpont Impulzus sorozat: δ(t) 0 T 2T 3T 4T 5T t

Impulzus sorozat Fourier-transzformáltja Impulzus sorozat CFT-je egy másik impulzus sorozat: δ(t) 0 T 2T 3T 4T 5T t ω Δ(ω) 1/T 0 2π/T 4π/T

Mintavételezés a mintavételezés f(t) impulzussorozattal való szorzását jelenti:

Mintavételezett jel Fouriertranszformáltja (CFT-je) a mintavételezett függvény CFT-je (az inverz konvolúció tétel szerint) f(t)-nek az impulzussorozat Fourier-transzformáltjával vett konvolúciója lesz f(t) függvény F(ω) transzformáltjainak (1/T-vel átskálázott) másolatait a mintavételezési 2π/T (kör)frekvenciának megfelelő közönként egymás mellé helyezzük és összeadjuk ez a diszkrét Fourier-transzformáció (DFT)

Diszkrét Fourier-transzformáció (DFT) a DFT 2π/T körfrekvenciával periódusos az egymás mellé tett másolatok átlapolódhatnak:

Diszkrét periódusos Elv: ami az egyik tartományban diszkrét, az a másikban periódusos (t ω) Példa: a gömb két irányban is periódusos, ezért a gömbfüggvénysor kétszeresen diszkrét:

Mintavételezési tétel Akkor nincsen spektrumismétlésből adódó torzítás (átlapolódás, aliasing), ha max T

Átlapolódás Az átlapolódott magas frekvenciájú összetevők alacsony frekvenciájú torzításként jelennek meg. eredeti kép hullám (Moiré) mintázat

Nyquist-Shannon tétel szükséges minimális mintavételezési (Nyquist) periódus: Tmin max szükséges minimális mintavételezési (Nyquist) körfrekvencia: Nyquist 2 2 max Tmin a jelben előforduló legmagasabb frekvencia legalább kétszeresével kell a jelet mintavételezni

Következmény (DFT) Ha a Nyquist-Shannon feltétel teljesül, vagyis a mintavételezési frekvencia legalább kétszerese a jelben előforduló legnagyobb frekvenciának, akkor F(ω) másolatai elkülönülnek, nincs spektrumismétlésből adódó torzítás (aliasing), és elég a másolatokból csak eggyel foglalkozni, ha azt T-vel átskálázzuk (megszorozzuk).

Mintapélda (Jupyter munkafüzet) https://nbviewer.jupyter.org/github/gyulat/fourier/blob/master/fft.ipynb

Csak véges sok minta van a mintavételezés eredményeként elvileg végtelen sok mintával kellene rendelkeznünk a gyakorlatban csak egy korlátozott t (tmin, tmax) tartományból vannak adataink mi lesz ennek a hatása egy folytonos f(t) jel esetében?

Spektrális szivárgás (leakage) levágó ablakkal való szorzás ( konvolúció!) a jel energiája átszivárog a környező frekvenciákra

DFT transzformált pár N 1 Fk f n e ink T k = 0,, N 1 n 0 1 fn N a N 1 F e k 0 k ink T n = 0,, N 1 DFT műveletigénye N2 db komplex szorzás és N(N 1) db. komplex összeadás

A gyors Fourier-transzformáció (FFT) a DFT műveletigényét csökkenteni lehet bináris (N=2k) számú adatra a műveletigény N2-ről N log2n-re csökkenthető Cooley és Tukey (1965) szeizmikus adatok idősoranalízise Danielson és Lánczos (1942) Gauss (1805) aszteroida pályák interpolációja

Az FFT hatékonysága nem csak bináris számú (2k) adatra működik (ez a több törzstényezős FFT, és akkor hatékony, ha az adatok száma kis törzsszámok, pl. 2, 3, 5 szorzatára bontható) A különbség a DFT és az FFT műveletigénye között óriási lehet! N=109 adat, 1 GFLOPS processzor (1 ns) FFT-vel 45 másodperc DFT-vel 63 év

Gyorsulásmérő adatok FFT spektruma (Jupyter munkafüzet) https://nbviewer.jupyter.org/github/gyulat/fourier/blob/master/fft_demo.ipynb

Alkalmazások A Fourier transzformációt igen sok területen alkalmazzák, a teljesség igénye nélkül: digitális jelfeldolgozás, képfeldolgozás, szűrés, optikai rendszerek, telekommunikáció lineáris rendszerek analízise diszkrét konvolúció, dekonvolúció differenciálegyenletek antennák tervezése (interferometria, SAR, InSAR), képillesztés DNS szekvenciák illesztése (MAFFT) zárt görbék, felületek elemzése (orvosi képanalízis, karakter felismerés)

További interaktív Jupyter munkafüzetek Digitális jelfeldolgozás: http://nbviewer.jupyter.org/github/spatialaudio/digital-signal-processing-lecture/blob/master/index.ipynb Jelfeldolgozás Pythonnal: https://github.com/unpingco/python-for-signal-processing/blob/master/readme.md