Частота дискретизации и частота кадров являются важными проблемами в большинстве моделей обработки сигналов. Это особенно актуально для систем, включающих преобразования скоростей. К счастью, в большинстве случаев при создании модели Simulink ® необходимо задавать только частоту выборки исходных блоков. Simulink автоматически вычисляет соответствующие частоты дискретизации для блоков, соединенных с исходными блоками. Тем не менее важно ознакомиться с концепциями частоты дискретизации и частоты кадров, применяемыми к моделям Simulink.
Период входного кадра (Tfi) сигнала кадра является временным интервалом между последовательными векторными или матричными входами в блок. Аналогично, период выходного кадра (Tfo) является временным интервалом, в течение которого блок обновляет вектор кадра или значение матрицы на выходном порте.
Напротив, период Ts выборки является интервалом времени между отдельными выборками в кадре, это значение короче, чем период кадра, когда размер кадра больше 1. Период выборки сигнала кадра представляет собой частное периода кадра и размер кадра, М:
Tf/M
Более конкретно, периоды выборки входов (Tsi) и выходов (Tso) связаны с их соответствующими периодами кадра посредством
Tfi/Mi
Tfo/Mo
где Mi и Mo - размеры входного и выходного кадров соответственно.
На иллюстрации ниже показан одноканальный сигнал кадра с размером кадра (Mi), равным 4, и периодом кадра (Tfi), равным 1. Таким образом, период выборки Tsi составляет 1/4 или 0,25 секунды.
Частота кадров сигнала является обратной частотой периода кадра. Например, входная частота кадров будет . Аналогично, выходная частота кадров будет .
Частота дискретизации сигнала является обратной величиной периода дискретизации. Например, частота выборки будет .
В большинстве случаев период Tsi выборки последовательности является наиболее важным, в то время как частота кадров является просто следствием размера кадра, выбранного для сигнала. Для последовательности с заданным периодом выборки больший размер кадра соответствует более медленной частоте кадров и наоборот.
Блок решает, обрабатывать ли сигнал по одной выборке за раз или по одному кадру за раз, в зависимости от настроек в диалоговом окне блока. Например, блок фильтра Biquad с параметром обработки Input, равным Columns as channels (frame based) обрабатывает 3около-2 входной сигнал в виде двухкадрового сигнала с тремя выборками в каждом кадре. Если для параметра Input processing установлено значение Elements as channels (sample based), 3около-2 входной сигнал обрабатывают как шестиканальный сигнал с одной выборкой в каждом канале.
Для отображения периода выборки или периода кадра сигнала можно использовать блок Probe (Simulink). В блоке Probe отображается метка Tsпериод выборки или период кадра последовательности, за которым следует двухэлементный вектор. Левый элемент - это период измеряемого сигнала. Правым элементом является временной сдвиг выборки сигнала, который обычно равен 0.
Примечание
Simulink предлагает возможность сдвига времени выборки сигнала на произвольное значение, что эквивалентно сдвигу фазы сигнала на период дробной выборки. Однако отсчеты времени редко используются в системах обработки сигналов, и блоки DSP System Toolbox™ их не поддерживают.
Отображение периода выборки сигнала с помощью блока зонда
В командной строке MATLAB ® введитеex_probe_tut1.
Откроется модель примера 1 зонда. Дважды щелкните на блоке «Сигнал из рабочего пространства». Обратите внимание, что параметр Samples per frame имеет значение 1.
Запустите модель.
На рисунке ниже показано, как блоки зонда отображают период выборки сигнала до и после каждой операции повышения дискретизации.
Как показано блоками Probe, выходной сигнал блока Signal From Workspace представляет собой сигнал с периодом выборки, равным 1 секунде. Выход из первого блока Upsample имеет период выборки 0,5 секунды, а выход из второго блока Upsample имеет период выборки 0,25 секунды.
Отображение периода кадра сигнала с помощью блока зонда
В командной строке MATLAB введите ex_probe_tut2.
Откроется модель примера 2 зонда. Дважды щелкните на блоке «Сигнал из рабочего пространства». Обратите внимание, что параметр Samples per frame имеет значение 16. Каждый кадр в сигнале содержит 16 образцы.
Запустите модель.
На рисунке ниже показано, как блоки зонда отображают период кадра сигнала до и после каждой операции повышения дискретизации.
Как показано блоками Probe, выходные данные блока Signal From Workspace имеют период кадра 16 секунд. Выход из первого блока Upsample имеет период кадра 8 секунд, а выход из второго блока Upsample имеет период кадра 4 секунды.
Следует отметить, что преобразование частоты дискретизации осуществляется посредством изменения периода кадра, а не размера кадра.
Просмотр частоты дискретизации сигнала с помощью цветового кодирования времени дискретизации
В командной строке MATLAB введите ex_color_tut1.
Откроется модель Пример 1 цвета времени образца (Sample Time Color Example). Дважды щелкните на блоке «Сигнал из рабочего пространства». Обратите внимание, что параметр Samples per frame имеет значение 1.
На вкладке «Отладка» выберите «Информационные наложения» > «Цвета». Этот выбор включает цветовое кодирование времени выборки. Теперь Simulink присваивает каждой выборке разные цвета.
Запустите модель.
Модель теперь должна выглядеть так, как показано на следующем рисунке:
Каждый сигнал в этой модели имеет различную частоту дискретизации. Поэтому каждому сигналу присваивается свой цвет.
Просмотр частоты кадров сигнала с использованием выборочного временного цветового кодирования
В командной строке MATLAB введите ex_color_tut2.
Откроется модель Пример 2 цвета времени образца (Sample Time Color Example). Дважды щелкните на блоке «Сигнал из рабочего пространства». Обратите внимание, что параметр Samples per frame имеет значение 16. Каждый кадр в сигнале содержит 16 образцы.
Чтобы включить цветовое кодирование времени образца, на вкладке «Отладка» выберите «Информационные наложения» > «Цвета».
Теперь Simulink присваивает каждой частоте кадров разные цвета.
Запустите модель.
Модель теперь должна выглядеть так, как показано на следующем рисунке:
Поскольку параметр Rate options в блоках Upsample имеет значение Allow multirate processingкаждый блок Upsample изменяет частоту кадров. Поэтому каждому сигналу кадра в модели назначается свой цвет.
Дважды щелкните по каждому блоку Upsample и измените параметр Rate options на Enforce single-rate processing.
Запустите модель.
Каждый сигнал кодируется одинаковым цветом. Поэтому каждый сигнал в модели теперь имеет одинаковую частоту кадров.
Дополнительные сведения о цветовом кодировании времени образца см. в разделе Просмотр информации о времени образца (Simulink).