Sampling

Sampling, tasting, eller punktprøving, er ein operasjon der ein måler amplituden til eit analogt signal ved (vanlegvis) faste tidspunkt. Sampling diskretiserer tidsaksen, slik at ein endar opp med ein sekvens av analoge måleverdiar. Med analoge måleverdiane meiner ein at amplituden ikkje er diskretisert. I praksis vil amplituden som oftast verta diskretisert (kvantisert) av ein etterfylgjande AD-omformar.

 Grunngjeving for å sampla 
Når eit tidskontinuerleg signal skal handsamast eller lagrast på digital form må det først konverterast til ein sekvens av binære ord. Fig. 1 syner korleis eit system for sanntids digital signalhandsaming er bygt opp. Blokka til venstre konverterer eit analogt signal  til ein sekvens av binære ord . Blokka i midten i fig. 1, merka «Algoritme», utfører ei eller anna form for filtrering, eller annan operasjon, av sekvensen . Resultatet av denne prosesseringa er den binære sekvensen , som vert konvertert til eit tidskontinuerleg analogt signal av den blå blokka til høgre i Fig. 1. Dette vert kalla rekonstruksjon. Om målet er å analysera signalet  trengst ikkje rekonstruksjonsblokka til høgre i Fig. 1.

 Kvantisering i tid og amplitude 
Det analoge signalet  er kontinuerleg både i tid og amplitude. At signalet er tidskontinuerleg tyder at verdien  er definert for alle tidsverdiar . At signalet er analogt tyder at alle verdiar, innan gitte minimum- og maksimumverdiar, er definerte, slik at signalet har ein kontinerleg varierande amplitude. Når eit slikt analogt signal skal konverterast til ein sekvens av binære ord må det kvantiserast både i tid og amplitude. Innan digital signalhandsaming vert kvantisering langs tids-aksen kalla sampling, tasting, eller punktprøving, og kvantisering langs amplitideaksen vert kalla kvantisering. På det viset held ein kvantisering av tid og amplitude frå kvarandre. Å sampla er med andre ord det same som å ta prøvar av amplituden med faste tidsinterval, kalla sampelintervalet , kalla sampelintervalet. Denne operasjonen vert utført av blokka merka Sampler i Fig. 1. I staden for å nytta sampelintervalet arbeider ein ofte med  sampelfrekvensen , som har eining Hz. Sampelfrekvensen kan variera over eit stort område, frå nokre Hz til fleie GHz. Men prinsippet for sampling og kvantisering er det same uavhengig av sampelfrekvensen. Men til høgare sampelfrekvensen er til meir reknekapasitet trengst det for å handsame signalet. 

mini|Fig. 3 S/H-krins.

I prinsippet spelar det ingen rolle kva for operasjon, sampling eller kvantisering, som vert utført fyrst, som illustrert i fig. 2. Men på grunn av at AD-omformaren treng litt tid til å konvertera frå det analoge signalet på inngangen til eit binært ord vert samplinga utført fyrst, slik som i Fig. 1. Uansett kva for fysisk parameter signalet  representerer vert det alltid omforma til ei elektrisk spenning før omforming. AD-omformaren har som oppgåve å omforma spenninga  på inngangen til ein binær verdi . Spenninga  må haldast stabil gjennom heile sampelintervalet  for at AD-omformaren skal vera i stand til å finna binærverdien  som tilsvarar inngangsspenninga . Brytaren i boksen merka «Sampler» i fig. 1 vert difor stengt i eit kort tidsinterval på starten av kvar sampelperiode, slik at spenninga på inngangen av bytaren vert lagra på ein liten kondensator, som illustrert i fig. 3. Brytaren vert så opna att, kondensatoren held spenninga  på inngangen av AD-omformaren konstant gjennom resten av sampelintervalet, slik at AD-omformaren får tid til å finna fram til binærverdien som tilsvarar . Dette vert kalla ein Sample and Hold-krins, ofte forkorta til S/H-krins. I praksis er brytaren ein transistor, som vert stengt/opna av eit klokkesignal C. 

 Modellering av sampling i tidsplanet 
mini|Fig. 4 Sampelkrins.
a) Brytarmodell 
b) PAM-modell.
mini|Fig. 5 Sampling sett i tidsplanet. 
a) Analogt inngangssignal  
b) Sampelsekvens 
c) Sampla sekvens .
Punktprøvinga kan modellerast som ein brytar, som vert opna og stengd av impulssekvens , som illustrert i Fig. 4 a). Men krinsen kan òg modellerast som multiplikasjon mellom inngangssignalet  og impulssekvensen , ofte kalla sampelfunksjonen, som vist i Fig. 4 b). Sampelsekvensen kan uttrykkast

der T er sampelintervalet. Denne impulssekvensen er illustrert i Fig. 5 b), der  er sampelintervallet. Operasjonen i Fig. 4 b) er Puls Amplitude Modulasjon (PAM).
I tidsplanet kan vi uttrykkje det sampla signalet  som:

.

Denne multiplikasjonen, eller PAM-modulasjonen, fører til at det tidskontinuerlege analoge inngangssignalet ), Fig 5 a), vert sampla (spenninga vert målt) ved sampelpunkta

, for  = ..., -2, -1, 0, 1, 2, ...

Denne diskretiseringa kan modellerast som

.

Ein står da att med den tidsdiskrete sekvensen i Fig. 5 c), som er definert berre ved sampelpunkta .

Etter som sampelintervalet  er konstant kan ein forenkla notasjonen og skriva berre  i staden for  og  i staden for .

 Modellering av sampling i frekvensplanet 
mini|Fig. 6 Amplitudespekteret til eit sampla signal.
a) 
b) 
c)  når 
d)  når .
For å få betre innsikt i samplingprosessen er det nyttig å studera han i frekvensplanet. Ein finn frekvensresponsen til  ved å ta fouriertransformasjonen av . Ettersom 
er eit tidskontinuerleg signal må vi nytta ein kontinuerleg fouriertransformasjon:

.

Fouriertransformasjon av impulssekvensen  resulterer i

.

,

som syner at ein impulssekvens i tidsplanet resulterer i ein impulssekvens i frekvensplanet.

Etter som multiplikasjon i tidsplanet svarar til folding i frekvensplanet (multiplisert med ) kan frekvensresponssen til  uttrykkjast som

,

der * er foldningsoperatoren. Dette syner at sampling resulterer i at spekteret til det sampla signalet vert periodiskt repetert; dvs. spekteret til det opphavlege signalet , Fig. 6 a), vert repetert for kvar harmoniske komponent, vist i fig. 6 b), av sampelfrekvensen, Fig. 6 c).

 Samplingsteoremet 
I Fig. 6 c) og 6 d) er  frekvenskomponenten med høgaste frekvens i inngangssignalet . I Fig. 6) er  og det er ikkje overlapp mellom dei periodisk repeterte spektrum . I Fig. 6 d), derimot, er , noko som medfører at det vert overlapp mellom dei periodisk repeterte spektera . Dette fenomenet vert kalla frekvensaliasing (eller berre aliasing). Aliasing fører til at dei periodisk repeterte spektruma vert overlagra kvarandre, noko som betyr at det ikkje lengre vert mogleg å skapa att det opphavlege signalet  frå sampelpunkta. Det opphavlege signalet kan berre skapast att når dei periodisk repeterte spektruma ikkje overlappar kvarandre, noko som krev at .

Dette er Nyquist–Kotelnikov-Shannon sitt samplingsteorem:

Eit tidskontinuerleg signal u(t) som berre inneheld frekvenskomponentar under  kan rekonstruerast eksakt frå den sampla sekvensen .

Samplingsteoremet seier berre at signalet kan skapast att, det seier ingen ting om korleis rekonstruksjonen skal utførast. For ei gitt bandbreidd  på signalet  krev samplingsteoremet at sampelfrekvensen . For å unngå aliasing er det, for en gitt sampelfrekvens , nødvendig å avgrensa bandbreidda til signalet  før det vert sampla. Dette gjer ein ved å plassera eit lågpassfilter før sample og hald-krinsen, som illustrert i Fig. 1. På grunn av at dette filteret har som oppgåve å hindra aliasing, vert det kalla eit antialiasingfilter.

Samplingsteoremet vert ofte kalla Nyquist sitt samplingsteorem, etter Harry Nyquist, som publiserte det i 1924Nyquist, H., Certain factors affecting telegraph speed, Bell System Technical Journal, Vol. 3, 1924, ss. 324–346.. Vladimir Kotelnikov publiserte liknande resultat i 1933Котельников, В.А., О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи, Всесоюзный энергетический комитет//Материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности, 1933. (Kotelnikov, K.A., Om overføringskapasitet i 'eteren' og kabel i elektrisk kommunikasjon), Upr. Svyazzi RKKA, 1933. og Claude Shannon i 1949Shannon, C.E., Communication in the Presence of Noise, Proc. IRE, Vol. 37, nr. 1, 1949, ss. 10-21..

Etter som altialiasingfilteret må vera eit analogt filter har det ulineær faserespons. I somme samanhengar kan den ulineære fasen vera problematisk, men han kan alltids rettast opp med ein faseequialiser realisert på diskret form (som eit digitalt filter) i den etterfylgjande prosesseringa.

 Referansar 

Kategori:Telekommunikasjon
Kategori:Kybernetikk
Kategori:Sampling