Teorema del campionamento, interpolazione e aliasing
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L'enunciato
Dalla formula di Poisson (Campionamento e formula di PoissonCampionare un segnale continuo $x(t)$ con passo $T_c$ dà la sequenza $x(nT_c)$. La formula di Poisson lega gli spettri: $\hat W(\omega)=\frac1{T_c}\sum_kX\left(\frac{\omega+2\pi k}{T_c}\right)$, cioè lo spettro del segnale campionato è la ripetizione periodica (di periodo $2\pi/T_c$ in pulsazione analogica) dello spettro originale, riscalata. Se le repliche si sovrappongono si ha aliasing.Campionamento e formula di Poisson →) lo spettro dei campioni è una ripetizione periodica di , e le repliche non si sovrappongono se il segnale è a banda limitata e il passo è abbastanza piccolo. Questo è il teorema del campionamento (Shannon, 1949):
Teorema. Sia un segnale con trasformata di Fourier (anche generalizzata) nulla fuori dalla banda , cioè per . Se il passo di campionamento soddisfa allora è ricostruibile esattamente dai campioni con la formula di interpolazione ideale
Terminologia: è la massima frequenza presente nel segnale; è la frequenza di Nyquist: per ricostruire un segnale bisogna campionare a più del doppio della sua massima frequenza (criterio di Nyquist). Sul bordo () il risultato vale se lo spettro si annulla in (come nel sinc quadro); non vale se in c'è un impulso: con i campioni di sono tutti nulli () e la ricostruzione darebbe il segnale nullo. I temi d'esame accettano la scrittura per spettri che si annullano sul bordo.
Dimostrazione
Si considera il segnale a impulsi , con spettro , . Se le repliche sono disgiunte e la replica centrale è su . Un filtro passa-basso ideale (guadagno , taglio , compreso tra e ) lascia solo la replica centrale e ne compensa il fattore: . Dalla coppia (Trasformata di Fourier - definizione, inversione ed esempiLa trasformata di Fourier $X(\omega)=\int x(t)e^{-j\omega t}dt$ estende la serie ai segnali aperiodici; si inverte con $x(t)=\frac1{2\pi}\int X(\omega)e^{j\omega t}d\omega$. Esiste per $x\in L^1$ (e per $x\in L^2$ in senso quadratico). Coppie fondamentali: $e^{-at}u\leftrightarrow\frac1{a+j\omega}$, $e^{-a|t|}\leftrightarrow\frac{2a}{a^2+\omega^2}$, $\operatorname{rect}(t)\leftrightarrow\operatorname{sinc}\frac\omega{2\pi}$, $\operatorname{sinc}(t)\leftrightarrow\operatorname{rect}\frac\omega{2\pi}$.Trasformata di Fourier - definizione, inversione ed esempi →) la risposta impulsiva è , quindi nel tempo ricordando che convolvere con una traslata trasla (Calcolo della convoluzione e sue proprietàIl supporto della convoluzione è la somma dei supporti, $\operatorname{rect}*\operatorname{rect}=\Lambda$, e due esponenziali causali danno $(e^{-bt}-e^{-at})/(a-b)$. Si calcola con il metodo grafico a casi (ribaltare, traslare, individuare gli intervalli di sovrapposizione). Proprietà: lineare, commutativa, associativa, $\delta$ è l'elemento neutro, la traslazione si somma, l'area è il prodotto delle aree.Calcolo della convoluzione e sue proprietà →).
Come funziona la formula. Ogni campione viene sostituito da un sinc centrato nell'istante di campionamento e con ampiezza . Il sinc vale in e si annulla in tutti gli altri istanti di campionamento (): ecco perché la ricostruzione passa esattamente per i campioni. Tra due campioni, la somma dei sinc "riempie" il valore intermedio.
Grafico interattivo: Nucleo di interpolazione per Tc = 1: il sinc centrato nel campione n = 0 vale 1 in t = 0 e si annulla in tutti gli altri istanti di campionamento (t = ±1, ±2, …); quello del campione n = 1 vale 1 in t = 1 e 0 in t = 0
Verifica numerica. (, quindi ), campionato con . Con la somma tronca a si ricostruisce (esatto ) e (esatto ): una verifica del fatto che i valori tra i campioni sono recuperati.
L'interpolazione in generale
Un interpolatore è un sistema ibrido (discreto continuo): data la sequenza e il passo , (si "attacca" una copia di a ogni campione). In frequenza: , cioè la TFtd della sequenza valutata in (che è la ripetizione periodica dello spettro originale) moltiplicata per il filtro: l'interpolatore è un filtro che deve selezionare una replica.
Condizione di corretta interpolazione. Perché (la curva passa per i campioni) serve : vale in e negli altri istanti di campionamento. Esempi di corrette:
| Interpolatore | Caratteristiche | |
|---|---|---|
| a tenuta (zero-order hold) | scalini, causale; | |
| lineare | spezzata; non causale; | |
| ideale | : seleziona esattamente la replica |
Grafico interattivo: I tre interpolatori per T = 1: a tenuta (rettangolo su (0, 1)), lineare (triangolo) e ideale (sinc); tutti valgono 1 nel campione e 0 negli altri istanti di campionamento (il rettangolo, in t = 1, vale 1/2 per la convenzione del salto)
L'interpolatore a tenuta ha che a vale : attenua le frequenze alte del segnale e lascia passare parte delle repliche (lo spettro non è piatto né limitato): la ricostruzione è approssimata.
Perché l'interpolazione ideale non è realizzabile. Il sinc ha supporto infinito, non è nullo per (non causale: per generare serviranno campioni futuri) e la formula è una somma infinita. In pratica si usa un'approssimazione con un filtro causale (a tenuta più un filtro passa-basso analogico, che è esattamente ciò che fa un DAC).
Aliasing
Se il segnale non è a banda limitata, o se , le repliche si sovrappongono (Campionamento e formula di PoissonCampionare un segnale continuo $x(t)$ con passo $T_c$ dà la sequenza $x(nT_c)$. La formula di Poisson lega gli spettri: $\hat W(\omega)=\frac1{T_c}\sum_kX\left(\frac{\omega+2\pi k}{T_c}\right)$, cioè lo spettro del segnale campionato è la ripetizione periodica (di periodo $2\pi/T_c$ in pulsazione analogica) dello spettro originale, riscalata. Se le repliche si sovrappongono si ha aliasing.Campionamento e formula di Poisson →) e nella replica centrale ci sono contributi di a frequenze diverse: . L'informazione sulle frequenze alte si trasferisce sulle basse (aliasing, o "ripiegamento").
Esempio con una sinusoide. (7 Hz) campionata a Hz ( s) dà . Nel discreto le pulsazioni valgono modulo (Segnali periodici, sinusoidi ed esponenziali immaginari puriUn segnale continuo è periodico di periodo T se x(t+T)=x(t); $e^{j2\pi f_0t}$ ha periodo minimo $1/|f_0|$ e una somma di periodici è periodica solo se il rapporto dei periodi è razionale. A tempo discreto $e^{j2\pi\nu n}$ è periodico solo se $\nu$ è razionale, e le pulsazioni che differiscono di $2\pi$ sono lo stesso segnale: ogni sinusoide si riporta alla forma canonica con $\omega\in[0,\pi]$.Segnali periodici, sinusoidi ed esponenziali immaginari puri →): , quindi , esattamente i campioni di un coseno a 3 Hz. Dopo il campionamento il tono a 7 Hz è indistinguibile da uno a 3 Hz. In generale la frequenza apparente è con intero scelto in modo che (le frequenze si ripiegano attorno a Hz: , , ). È l'effetto "ruote del carro che sembrano girare all'indietro" nei film.
Grafico interattivo: Aliasing nel tempo: un coseno a 7 Hz e uno a 3 Hz, campionati ogni 0,1 s (Fc = 10 Hz), passano per gli stessi campioni; dai campioni non si può dire quale dei due fosse il segnale
Prefiltraggio. Per evitare l'aliasing, prima di campionare si filtra il segnale con un passa-basso con taglio (filtro anti-aliasing): si perdono le componenti oltre la frequenza di Nyquist, ma si evita che si ripieghino su quelle utili (Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in bandaUn convertitore A/D è la catena filtro anti-aliasing passa-basso, campionatore, quantizzatore a $B$ bit. Nessun segnale reale è a banda esattamente limitata: si sceglie la banda essenziale (che contiene quasi tutta l'energia) e un passo $T_c$ tale che le repliche aliasing siano trascurabili. La quantizzazione introduce un errore con potenza $\Delta^2/12$ e un rapporto segnale-rumore di circa $6{,}02B+1{,}76$ dB.Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in banda →). Ricordarlo è una domanda ricorrente di teoria ("perché prima del campionamento si usa un filtro passa-basso?").
Casi d'esame tipici
1. Segnale modulato. con a banda ha : banda . Va campionato con , molto più piccolo di quello che serve per (Filtri, modulazione e trasmissione AMIn frequenza un filtro LTI moltiplica: $Y(\omega)=H(\omega)X(\omega)$ (serie, parallelo, retroazione diventano $H_1H_2$, $H_1+H_2$, $\frac{H_1}{1+H_1H_2}$). I filtri ideali (passa-basso, passa-alto, passa-banda) hanno $h$ non causale e instabile; il filtro RC è il passa-basso reale. La modulazione $x(t)\cos\omega_0t$ trasla lo spettro in $\pm\omega_0$ e si demodula con la stessa portante e un passa-basso di guadagno 2.Filtri, modulazione e trasmissione AM →). Con (): per basta ( va bene); per con serve e non basta. Conta la massima pulsazione presente, non la larghezza della banda occupata.
2. Segnale più sinusoide. ha spettro con triangolo in e impulsi in (Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzatiCon le delta di Dirac in frequenza si trasformano anche segnali non integrabili: $1\leftrightarrow2\pi\delta(\omega)$, $e^{j\omega_0t}\leftrightarrow2\pi\delta(\omega-\omega_0)$, $\cos\omega_0t\leftrightarrow\pi[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)]$, $u(t)\leftrightarrow\pi\delta(\omega)+\frac1{j\omega}$. Un segnale periodico con coefficienti $a_k$ ha spettro a righe $2\pi\sum a_k\delta(\omega-k\omega_0)$: la periodizzazione nel tempo è un campionamento in frequenza.Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzati →). Massima pulsazione , quindi (Nyquist: ).
3. Dopo un filtro. Un filtro può ridurre la banda: per conta la banda dell'uscita. Se è un passa-basso ideale con taglio allora è a banda limitata e si può campionare a (schema tipico di conversione A/D: filtro passa-basso e poi campionatore). Esempio: Esercizio 18 · spettro, campionamento e filtraggio di sinc quadro più coseno (tema d'esame gennaio 2024).
4. Segnale a banda illimitata. ha un sinc nello spettro, che non si annulla mai: nessuna frequenza di campionamento permette la ricostruzione esatta (tema d'esame gennaio 2025). In pratica si accetta un errore trascurabile (Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in bandaUn convertitore A/D è la catena filtro anti-aliasing passa-basso, campionatore, quantizzatore a $B$ bit. Nessun segnale reale è a banda esattamente limitata: si sceglie la banda essenziale (che contiene quasi tutta l'energia) e un passo $T_c$ tale che le repliche aliasing siano trascurabili. La quantizzazione introduce un errore con potenza $\Delta^2/12$ e un rapporto segnale-rumore di circa $6{,}02B+1{,}76$ dB.Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in banda →).
5. Campionamento seguito da interpolazione (e decimazione). Se un segnale campionato con è interpolato con ideale a pulsazione di taglio , l'uscita ha spettro con (Esercizio 20 · catena di campionamento e interpolazione ideale (tema d'esame settembre 2024)). Se poi si tiene un campione ogni 3 (), lo spettro si dilata di 3 e si sommano 3 repliche (Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd)La TFtd di una sequenza è $X(\omega)=\sum_nx(n)e^{-j\omega n}$, funzione continua e periodica di periodo $2\pi$; si inverte con $x(n)=\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(\omega)e^{j\omega n}d\omega$. Ha le stesse proprietà della TF continua (la convoluzione diventa prodotto, $n,x(n)\leftrightarrow jX'$). È la risposta in frequenza dei sistemi discreti; con la TFD e lo zero-padding se ne ottengono campioni arbitrariamente fitti.Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd) →): per non avere aliasing deve valere .
Esempio svolto: modulazione, campionamento e decimazione (tema d'esame febbraio 2025)
Sia un segnale a banda limitata con pulsazione massima (spettro nullo per ). Siano con , con e .
- in funzione di . : due copie di dimezzate in , ciascuna di semilarghezza .
- Casi su . Se le due copie si sovrappongono intorno all'origine (le copie hanno semilarghezza ); se si toccano in ; se sono disgiunte.
- Demodulazione. Per : (conti come in Filtri, modulazione e trasmissione AMIn frequenza un filtro LTI moltiplica: $Y(\omega)=H(\omega)X(\omega)$ (serie, parallelo, retroazione diventano $H_1H_2$, $H_1+H_2$, $\frac{H_1}{1+H_1H_2}$). I filtri ideali (passa-basso, passa-alto, passa-banda) hanno $h$ non causale e instabile; il filtro RC è il passa-basso reale. La modulazione $x(t)\cos\omega_0t$ trasla lo spettro in $\pm\omega_0$ e si demodula con la stessa portante e un passa-basso di guadagno 2.Filtri, modulazione e trasmissione AM →).
- Quando si recupera da con un passa-basso ideale. Servono la copia centrale (supporto ) e quelle a (supporto che inizia in ) disgiunte: , cioè . Il taglio può stare ovunque tra e (il punto medio è ) e il guadagno deve valere . Per le copie centrali si sovrappongono già in e non è possibile.
- Recupero di da . Serve prima poter ricostruire dai suoi campioni : la massima pulsazione di è , quindi . Poi si recupera da come sopra, cioè con . Le due condizioni insieme sono
- Recupero di da . La decimazione per equivale a campionare con passo (perché ): per ricostruire serve . Le condizioni diventano Ricampionare a passo triplo restringe quindi di un fattore il passo ammesso nel primo campionamento (Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd)La TFtd di una sequenza è $X(\omega)=\sum_nx(n)e^{-j\omega n}$, funzione continua e periodica di periodo $2\pi$; si inverte con $x(n)=\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(\omega)e^{j\omega n}d\omega$. Ha le stesse proprietà della TF continua (la convoluzione diventa prodotto, $n,x(n)\leftrightarrow jX'$). È la risposta in frequenza dei sistemi discreti; con la TFD e lo zero-padding se ne ottengono campioni arbitrariamente fitti.Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd) →: decimazione per somma repliche e richiede in pulsazione numerica).
Errori comuni
- Scambiare con (serve il doppio).
- Usare la larghezza di banda invece della massima frequenza per un segnale modulato.
- Credere che un segnale a durata limitata (rect) possa essere campionato senza perdita: ha banda infinita.
- Dimenticare che il sinc ideale non è causale (non realizzabile).
- Confondere e : in pulsazione, in frequenza.
Versione ripasso
- Teorema (Shannon): se per e , cioè con , allora . La frequenza è la frequenza di Nyquist.
- Sul bordo serve che lo spettro si annulli in . Con un impulso in i campioni di sono tutti nulli e la ricostruzione è sbagliata.
- Dimostrazione: i campioni hanno spettro , con . Con le repliche sono disgiunte. Il passa-basso , con taglio , tiene la replica centrale e compensa il fattore: . Dalla coppia si ha ; convolvendo con si ottiene la formula.
- Ogni campione diventa un sinc centrato nel suo istante. Il sinc vale nel proprio campione e in tutti gli altri, quindi la curva passa per i campioni.
- Interpolatore. Dato , in frequenza : l'interpolatore è un filtro che seleziona una replica. Perché serve .
- A tenuta: , a scalini e causale; .
- Lineare: , a spezzata e non causale; .
- Ideale: , ; seleziona esattamente la replica.
- Il sinc ideale non è causale e la somma è infinita: non è realizzabile. In pratica si usa un'approssimazione (tenuta più passa-basso analogico, come in un DAC).
- Aliasing. Se il segnale non è a banda limitata o , le repliche si sovrappongono e l'informazione sulle frequenze alte si trasferisce su quelle basse.
- Esempio: a Hz dà . Poiché , i campioni sono quelli di un coseno a Hz.
- In generale : con Hz, , , .
- Filtro anti-aliasing: un passa-basso con taglio prima del campionatore. Si perdono le componenti oltre Nyquist, ma non si ripiegano su quelle utili (Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in bandaUn convertitore A/D è la catena filtro anti-aliasing passa-basso, campionatore, quantizzatore a $B$ bit. Nessun segnale reale è a banda esattamente limitata: si sceglie la banda essenziale (che contiene quasi tutta l'energia) e un passo $T_c$ tale che le repliche aliasing siano trascurabili. La quantizzazione introduce un errore con potenza $\Delta^2/12$ e un rapporto segnale-rumore di circa $6{,}02B+1{,}76$ dB.Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in banda →).
- Casi d'esame tipici.
- Segnale modulato con a banda : banda , quindi . Con (), per basta , ma per con il passo non basta. Conta la massima pulsazione presente, non la larghezza della banda.
- Segnale più sinusoide: ha massima pulsazione , quindi Nyquist (Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzatiCon le delta di Dirac in frequenza si trasformano anche segnali non integrabili: $1\leftrightarrow2\pi\delta(\omega)$, $e^{j\omega_0t}\leftrightarrow2\pi\delta(\omega-\omega_0)$, $\cos\omega_0t\leftrightarrow\pi[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)]$, $u(t)\leftrightarrow\pi\delta(\omega)+\frac1{j\omega}$. Un segnale periodico con coefficienti $a_k$ ha spettro a righe $2\pi\sum a_k\delta(\omega-k\omega_0)$: la periodizzazione nel tempo è un campionamento in frequenza.Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzati →).
- Dopo un filtro conta la banda dell'uscita: se è un passa-basso ideale di taglio , l'uscita è a banda e basta (lo schema di un A/D). Esempio: Esercizio 18 · spettro, campionamento e filtraggio di sinc quadro più coseno (tema d'esame gennaio 2024).
- Banda illimitata: ha un sinc nello spettro che non si annulla mai. Nessuna ricostruisce esattamente; si accetta un errore trascurabile (tema gennaio 2025, Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in bandaUn convertitore A/D è la catena filtro anti-aliasing passa-basso, campionatore, quantizzatore a $B$ bit. Nessun segnale reale è a banda esattamente limitata: si sceglie la banda essenziale (che contiene quasi tutta l'energia) e un passo $T_c$ tale che le repliche aliasing siano trascurabili. La quantizzazione introduce un errore con potenza $\Delta^2/12$ e un rapporto segnale-rumore di circa $6{,}02B+1{,}76$ dB.Conversione A-D e campionamento di segnali non limitati in banda →).
- Campionamento seguito da interpolazione: con passo e ideale di taglio , con (Esercizio 20 · catena di campionamento e interpolazione ideale (tema d'esame settembre 2024)). Tenere un campione ogni 3 dilata lo spettro di 3 e somma 3 repliche (Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd)La TFtd di una sequenza è $X(\omega)=\sum_nx(n)e^{-j\omega n}$, funzione continua e periodica di periodo $2\pi$; si inverte con $x(n)=\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(\omega)e^{j\omega n}d\omega$. Ha le stesse proprietà della TF continua (la convoluzione diventa prodotto, $n,x(n)\leftrightarrow jX'$). È la risposta in frequenza dei sistemi discreti; con la TFD e lo zero-padding se ne ottengono campioni arbitrariamente fitti.Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd) →): serve .
- Esempio svolto (tema febbraio 2025). , , , .
- : due copie in , di semilarghezza .
- Per le copie si sovrappongono; per sono disgiunte.
- Demodulando, : un passa-basso con guadagno e taglio tra e recupera se .
- Per recuperare da serve . Per , che è campionato con passo , serve . Condizioni finali: e .
- Errori tipici: al posto di ; usare la larghezza di banda invece della massima frequenza; credere che un rect si campioni senza perdita; prendere il sinc ideale come filtro realizzabile; confondere e .
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- Esercizio 18 · spettro, campionamento e filtraggio di sinc quadro più coseno (tema d'esame gennaio 2024)
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- Esercizio 20 · catena di campionamento e interpolazione ideale (tema d'esame settembre 2024)
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