คุณเห็นภาพความถี่เชิงลบในโดเมนเวลาได้อย่างไร


15

ในด้านการประมวลผลสัญญาณดิจิตอลฉันได้เห็นคนใช้คำพูด

สัญญาณที่ซับซ้อนและความถี่เชิงลบ สำหรับเช่น ใน FFT Spectrum

มันมีความหมายที่สำคัญจริงๆในโดเมนเวลาหรือเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสมมาตรทางคณิตศาสตร์

คุณเห็นภาพความถี่เชิงลบในโดเมนเวลาได้อย่างไร


2
โปรดดูคำถาม DSP นี้ - dsp.stackexchange.com/questions/431/…
— yuvi

คำถามนี้ง่ายกว่ามากเมื่อคุณเข้าใจสัญญาณ (I / Q) ที่ซับซ้อน ดูกลุ่มดาวในการสื่อสารดิจิตอลและอะไรคือ I และ Q ในการสุ่มตัวอย่างจากพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส? .
— Phil

คำตอบ:


22

FFT ทำงานโดยการรักษาสัญญาณเป็น 2 มิติด้วยส่วนจริงและจินตภาพ จำวงกลมหน่วยได้หรือไม่ ความถี่เชิงบวกคือเมื่อเฟสเซอร์หมุนทวนเข็มนาฬิกาและความถี่เชิงลบคือเมื่อเฟสเซอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา

หากคุณทิ้งส่วนจินตภาพของสัญญาณความแตกต่างระหว่างความถี่บวกและลบจะหายไป

ตัวอย่าง ( แหล่งที่มา ):

เฟสเซอร์ปั่น

ถ้าคุณจะพล็อตส่วนจินตภาพของสัญญาณคุณจะได้ไซนัสอีกอันหนึ่งเฟสจะเปลี่ยนไปตามส่วนที่แท้จริง สังเกตว่าถ้าเฟสเซอร์หมุนไปทางอื่นสัญญาณด้านบนจะเหมือนกันทุกประการ แต่ความสัมพันธ์เฟสของส่วนจินตภาพกับส่วนจริงจะแตกต่างกัน โดยการทิ้งส่วนจินตภาพของสัญญาณคุณไม่มีทางรู้ว่าความถี่นั้นเป็นบวกหรือลบ


1
ภาพประกอบที่ดีมาก ฉันคิดว่าควรเน้นย้ำว่าถ้าคุณคิดว่าความถี่เป็นคลื่นไซน์เท่านั้นคุณจะไม่สามารถมีความถี่ลบได้เพราะถ้าคุณหมุนไปทางอื่นภาพครึ่งบนของภาพจะเหมือนกัน นี่คือสาเหตุที่เมื่อคุณทำ FFT ของสัญญาณจริง (โดยการตั้งค่าส่วนที่ซับซ้อนเป็น 0 โดยพลการ) ความถี่เชิงลบในผลลัพธ์คือกระจกสะท้อนของความถี่บวก
— Phil

คำถามติดตามผลที่ดีสำหรับผู้ที่ต้องการถามว่า: "ทำไม FFT จึงปฏิบัติต่อสัญญาณเป็นแบบสองมิติ"
— Phil

ให้บอกว่าฉันมีสัญญาณคลื่นไซน์ (freq = F) สุ่มตัวอย่างที่ความถี่ Fs ฉันจะได้รับส่วนจริง & จินตภาพจากมันได้อย่างไร มันต้องทำอะไรกับเฟสที่เปลี่ยนกระแสหรือแรงดันหรือไม่? ฉันอาจจะผิดทั้งหมดในตอนนี้ ... แต่ฉันต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อให้ตรงและชัดเจนในความหมาย!
— rahulb

ใครก็ตามที่สร้างคลื่นไซน์เป็นผู้รับผิดชอบในการรักษาส่วนจินตภาพหรือไม่ หากคุณได้คลื่นไซน์เพียงคลื่นเดียวนั่นหมายความว่าไม่มีส่วนจินตภาพ หากคุณได้รับสัญญาณแยกกันสองสัญญาณ (แต่ละคลื่นไซน์) คุณสามารถถือว่าคลื่นลูกที่สองเป็นส่วนจินตภาพของสัญญาณเดียวกัน
— sbell

1
@rahulb หากคุณไม่ได้มีส่วนจินตภาพคุณสามารถทำให้มันกับฮิลแบร์ตเปลี่ยน
— Phil

2

ในโดเมนเวลาความถี่เชิงลบจะถูกแสดงด้วยการกลับเฟส

สำหรับคลื่นโคไซน์มันไม่ได้สร้างความแตกต่างเลยเพราะมันสมมาตรประมาณศูนย์เวลาอยู่แล้ว มันเริ่มต้นที่ 1 และลดลงถึงศูนย์ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง

cos(t)=cos(−t)

อย่างไรก็ตามคลื่นไซน์เริ่มต้นด้วยค่าศูนย์ที่เวลาศูนย์และเพิ่มขึ้นในทิศทางที่เป็นบวก แต่อยู่ในทิศทางลบ

sin(t)=−sin(−t)

ฉันไม่สามารถโต้เถียงกับคณิตศาสตร์ดังนั้นมันจึงไม่ผิดปกติแต่ฉันคิดว่ามันขาดความเป็นไปได้ที่ความรู้ที่ขาดในคำถาม: การสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสการแสดงสัญญาณที่ซับซ้อน ในทางปฏิบัติเราจัดการกับสัญญาณโดยมีขั้นตอนการชดเชยเองและในกรณีนั้นเพียงแค่ย้อนกลับเฟส (เช่นโดยการแลกเปลี่ยนขั้วฟีดบนเสาอากาศ) ส่วนใหญ่ไม่ได้รับความถี่เชิงลบอย่างแน่นอน
— Phil

ฉันคิดว่าคำตอบนี้รวบรวมได้ถูกต้อง ฉันแค่อยากจะแสดงความคิดเห็นว่าปัญหาไม่ใช่ว่าคุณลดความซับซ้อนของไซน์โดยการเปลี่ยนเฟส ปัญหาคือคุณไม่สามารถทำให้คู่ (โคไซน์ไซน์) ลดความซับซ้อนลงได้โดยการเลื่อนเฟส
— SomeEE

"ในโดเมนเวลาความถี่เชิงลบจะถูกแสดงด้วยการกลับเฟส" และ - ทันใดนั้น - การนับเหตุการณ์เป็นระยะต่อวินาทีให้ค่าลบหรือไม่ ฉันคิดว่าการอ้างสิทธิ์นี้ไม่เป็นไปตามคำจำกัดความของคำว่า "ความถี่"
— LvW

@LvW: แนวคิดทั่วไปของ "ความถี่" นั้นกว้างกว่าการนับเหตุการณ์ที่ไม่ต่อเนื่องอย่างง่าย ๆ คุณสามารถเพิ่มและลบความถี่และเมื่อคุณลบความถี่ขนาดใหญ่จากขนาดเล็กคุณจะได้รับความถี่ลบ ในรูปแบบทั่วไปความถี่เป็นจำนวนเชิงซ้อนและในบางกรณีปรากฏการณ์เวลาโดเมนที่เกี่ยวข้องนั้นไม่ได้เป็นระยะเลย!
— Dave Tweed

@Dave ทวีดใช่ - ฉันสามารถทำกิจวัตรทางคณิตศาสตร์ทั้งหมด (บวกลบ) ด้วยสัญญาณที่มีความถี่แตกต่างกัน - อย่างไรก็ตามฉันสงสัยว่าฉันสามารถระบุ (ลบ) ความถี่เชิงลบในโดเมนเวลา (และนั่นคือเควส)
— LvW

2

นี่เป็นวิธีที่แตกต่างกันเล็กน้อย เรามาดูว่าฟังก์ชันธาตุมีการแปลงฟูริเยร์ตรงกับความถี่อย่างไร 1−1

มันคือฟังก์ชันสำหรับt ∈ [ 0 ,t↦e−2πit=cos⁡(−2πt)+isin⁡(−2πt)=cos⁡(2πt)−isin⁡(2πt) ]t∈[0,1]

ขอให้สังเกตว่าฟังก์ชั่นนี้มีส่วนจริงเช่นเดียวกับฟังก์ชั่น ที ฟังก์ชั่นนี้หลังมีเพียงองค์ประกอบความถี่เดียว - ความถี่1t↦e2πit1

เหตุผลที่ความถี่เชิงลบเหล่านี้ปรากฏขึ้นเมื่อพิจารณาเฉพาะสัญญาณจริงเท่านั้นเพราะพวกเขาให้วิธีที่ง่ายกว่าในการอธิบายค่าลักษณะเฉพาะที่ซับซ้อนอย่างเข้มงวดของการกระทำของหน่วยวงกลมในพื้นที่ฟังก์ชั่น

แก้ไข: หากต้องการขยายความคิดเห็นล่าสุดเพื่อทำการวิเคราะห์ความถี่สิ่งที่เราต้องการทำจริง ๆ ก็คือการใช้พื้นที่ของฟังก์ชันที่มีค่าจริงใน , F ( [ 0 , 1 ] , R )และสามารถ แสดงฟังก์ชั่นใด ๆฉ∈ F ( [ 0 , 1 ] , 0ที่จะ1หรือ1 / 2ที่จะ3 / 2[0,1]F([0,1],R)ในแง่ของพื้นฐานทางธรรมชาติของ F ( [ 0 , 1 ] , R )f∈F([0,1],R)F([0,1],R). เราเห็นว่ามันไม่ได้จริงๆว่าถ้าเราเริ่มต้นช่วงเวลาของเราคือเพื่อให้เราจริงๆจะปรารถนาให้ประพฤติพื้นฐานนี้กันด้วยความเคารพต่อผู้ประกอบการกะF ( x ) ↦ ฉ( a + x )011/23/2f(x)↦f(a+x) )

ปัญหาคือด้วยคำคุณศัพท์ที่เหมาะสมไม่ใช่ผลรวมโดยตรงของฟังก์ชั่นที่ทำงานได้ดีเมื่อเทียบกับการขยับ มันคือผลรวมโดยตรง (เสร็จสมบูรณ์) ของช่องว่างเวกเตอร์สองมิติซึ่งทำงานได้ดีกับผู้ควบคุมการเลื่อน นี่เป็นเพราะเมทริกซ์แทนแผนที่f ( x ) ↦ f ( a + x )มีค่าลักษณะเฉพาะที่ซับซ้อน เมทริกซ์เหล่านี้จะเป็นแนวทแยง (ตามความเหมาะสม) หากเราทำให้สถานการณ์ซับซ้อนขึ้น นั่นคือเหตุผลที่เราศึกษาF ( [ 0 , 1 ]F([0,1],R)f(x)↦f(a+x)แทน การแนะนำจำนวนเชิงซ้อนนั้นมีบทลงโทษ - เราได้แนวคิดเกี่ยวกับความถี่ลบF([0,1],C)

ทั้งหมดนี้เป็นนามธรรมเล็กน้อย แต่เมื่อต้องการดูสิ่งที่ฉันกำลังพูดถึงพิจารณาฟังก์ชั่นโปรดสองอย่างของฉัน: sin(2πt)=1

cos⁡(2πt)=12(e2πit+e−2πit)
sin⁡(2πt)=12i(e2πit−e−2πit)

พิจารณาการเปลี่ยนแปลงโดย ,s(f(x))=f(x+114 ) s(cos(2πT))=-บาป(2πT)s(บาป(2πT))=cos(2πT) ช่วงปริภูมิเวกเตอร์ที่แท้จริงของcos(2πT)และบาป(2πt)เป็นปริภูมิเวกเตอร์สองมิติของฟังก์ชันซึ่งถูกสงวนไว้โดยss(f(x))=f(x+14)

s(cos⁡(2πt))=−sin⁡(2πt)
s(sin⁡(2πt))=cos⁡(2πt)

cos⁡(2πt)sin⁡(2πt)s )เราจะเห็นว่าs2=−1ดังนั้นจึงมีค่าลักษณะเฉพาะ±s±i

se2πite−2πit

se−2πit


0

ω0

x(t)=sin⁡(ω0t)

ω=ω0และหนึ่งที่ความถี่ลบω=-ω0.

โดยการมอดูเลตสัญญาณ x(เสื้อ) โดยทั่วไปแล้วคุณเปลี่ยนคลื่นความถี่เดิมตามความถี่ของผู้ให้บริการ ωค>ω0:

y(t)=x(t)cos⁡(ωct)=sin⁡(ω0t)cos⁡(ωct)=12[sin⁡(ωc+ω0)t−sin⁡(ωc−ω0)t]

Now the original negative peak at −ω0 has become visible after shifting it up by ωc. It is now at ω=ωc−ω0. The peak at positive frequencies is not at ω=ωc+ω0.


The OP specifically asked about visualization in the time domain, but you talk only about the frequency domain and the spectrum of the signal.
— Joe Hass

@JoeHass Well, the signal y(t) is in the time domain, and here you can see both frequency components.
— Matt L.

I think you are missing the point. All I see is an equation where one of the terms may have a negative frequency. I think the OP is wondering what a negative frequency would look like on an oscilloscope.
— Joe Hass

Maybe it would be helpful if you could submit an answer to this question, as you seem to understand what the OP is wondering about.
— Matt L.

No, I can't submit an answer because I am also confused by this topic. However, I do understand the question. I think Dave Tweed came as close as anyone in describing "negative" frequency as being a phase reversal.
— Joe Hass

0

"How do you visualize negative Frequency in Time domain ?"

I interprete this question as follows: Do negative frequencies exist in reality?

If this interpretation is correct (and meets the core of the question) my answer is simply: NO - they do not exist.

More than that (to be a bit "sophistic") - "frequencies" cannot exist because they are not a physical quantity. Instead, we have sinusoidal waves with some specific properties - and on of these properties is the number of periods per second. And that`s what we call "frequency". And this number cannot be negative.

Hence, the introduction of signals having "negative frequencies" may have a lot of advantages but it is a pure abstract and theoretical "tool" allowing simplifications of mathematical expressions/descriptions.

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.