什么是吉布斯现象

1. 什么是吉布斯现象

  • 1. 什么是吉布斯现象
    • 1.1. 什么吉布斯现象?
    • 1.2. 吉布斯现象形成的原因?
    • 1.3. 如何减小吉布斯现象?

1.1. 什么吉布斯现象?

矛盾性:在时域描述一个不连续的信号要求信号的有无穷的频率成分,但实际情况中不可能采样到无穷的频率成分。

实际中的信号采样系统只能采样一定的频率范围,对不连续信号(或有无穷频率成分的信号)采样将会存在频率截断

频率截断会引起时域信号在不连续处产生“振铃效应”,这个现象成为吉布斯现象。

吉布斯现象:由于频率截断现象,具有无穷频率分量的信号在时域的不连续处会产生“振铃效应”。

  • 对连续时间周期信号可以进行傅里叶级数展开,如果只取其中的前有限项,将得到信号的一个最小均方误差逼近。当项目增至无穷时,这个逼近在均方意义上收敛于原信号,但并不是一致收敛的。对于信号的跳变点,傅里叶级数的部分和将在该点附近出现波动,如将其输入理想低通滤波器,则相当于对其频率作了截断,将会出现类似的效果。
  • Gibbs 现象的产生有两个条件:(1) 对信号频谱的锐截止;(2) 原信号存在跳变点

1.2. 吉布斯现象形成的原因?

吉布斯现象形成的原因是:频率截断。

“频率截断”可以简单地理解为一个理想的低通滤波器(截止频率为 w c w_c wc),如下图所示:

幅频特性 相频特性
什么是吉布斯现象_第1张图片 什么是吉布斯现象_第2张图片

低通滤波器只保留 ∣ w ∣ ≤ w c |w|\le w_c wwc的频率成分,因此输入信号的高频部分将被截断,丢失了部分频率信息势必会在时域上产生一定的影响。

下面将分别考虑低通滤波器单位阶跃信号矩形脉冲信号周期矩形脉冲信号的响应来分析吉布斯现象:

低通滤波器的单位阶跃响应

理想的低通滤波器的频率响应为

H ( j w ) = G 2 w c ( w ) e − j w t d H(jw) = G_{2w_c}(w)e^{-jwt_d} H(jw)=G2wc(w)ejwtd

则单位阶跃响应为

S ( j w ) = H ( j w ) F ( u ( t ) ) = G 2 w c ( w ) e − j w t d ⋅ [ π δ ( w ) + 1 j w ] \begin{aligned} S(jw) &= H(jw)\mathscr{F}(u(t))\\ &= G_{2w_c}(w)e^{-jwt_d}\cdot [\pi \delta(w) + \frac{1}{jw}]\\ \end{aligned} S(jw)=H(jw)F(u(t))=G2wc(w)ejwtd[πδ(w)+jw1]

为求输出信号的时域波形,进行傅里叶反变换,有

s ( t ) = F − 1 ( S ( j w ) ) = 1 2 π ∫ − w c w c [ π δ ( w ) + 1 j w ] e − j w t d ⋅ e j w t d w = 1 2 + ∫ − w c w c 1 j w e j w ( t − t d ) d w = 1 2 + 1 2 π ∫ − w c w c 1 j w cos ⁡ [ w ( t − t d ) ] d w + 1 2 π ∫ − w c w c 1 w sin ⁡ [ w ( t − t d ) ] d w = 1 2 + 1 π ∫ 0 w c 1 w sin ⁡ [ w ( t − t d ) ] d w = 1 2 + 1 π ∫ 0 w c ( t − t d ) sin ⁡ x x d x \begin{aligned} s(t) &= \mathscr{F}^{-1}(S(jw))\\ &= \frac{1}{2\pi}\int_{-w_c}^{w_c} [\pi \delta(w) + \frac{1}{jw}]e^{-jwt_d}\cdot e^{jwt} \mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \int_{-w_c}^{w_c}\frac{1}{jw} e^{jw(t-t_d)} \mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \frac{1}{2\pi}\int_{-w_c}^{w_c}\frac{1}{jw}\cos{[w(t-t_d)]}\mathrm{dw} + \frac{1}{2\pi}\int_{-w_c}^{w_c}\frac{1}{w}\sin{[w(t-t_d)]}\mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \frac{1}{\pi}\int_{0}^{w_c}\frac{1}{w}\sin{[w(t-t_d)]}\mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \frac{1}{\pi}\int_{0}^{w_c(t-t_d)} \frac{\sin x}{x} dx \end{aligned} s(t)=F1(S(jw))=2π1wcwc[πδ(w)+jw1]ejwtdejwtdw=21+wcwcjw1ejw(ttd)dw=21+2π1wcwcjw1cos[w(ttd)]dw+2π1wcwcw1sin[w(ttd)]dw=21+π10wcw1sin[w(ttd)]dw=21+π10wc(ttd)xsinxdx

其中上式的积分部分称为正弦积分。输出信号的时域波形如图所示,它具有以下特点:

什么是吉布斯现象_第3张图片

理想低通滤波器的单位阶跃响应

  1. 输出波形存在吉布斯波纹,它的振荡频率等于 2 π w c \frac{2\pi}{w_c} wc2π
  2. 上升沿之前存在一个幅度最大的负向振峰(预冲),在上升之后存在一个幅度最大的正向振峰(过冲)。无论截止频率 w c w_c wc多大,只要 w c < ∞ w_c < \infty wc<,过冲和预冲的幅度总是稳定值的9%;
  3. 上升沿从预冲过冲的时间与截止频率有关,即 t r = 2 π w c t_r = \frac{2\pi}{w_c} tr=wc2π,即 w c w_c wc越大,上升越快,吉布斯波纹振荡越明显(趋于无穷时,相当于阶跃)

低通滤波器对矩形脉冲信号的响应

矩形脉冲信号可以看成两个阶跃信号的相减,故输出信号可以看成低通滤波器的两个阶跃响应之差,易想象同样存在吉布斯现象。

G τ ( t ) = u ( t ) − u ( t − τ ) G_{\tau}(t)=u(t) - u(t-\tau) Gτ(t)=u(t)u(tτ)

低通滤波器对周期矩形脉冲信号的响应

设周期方波信号的周期为 T = 2 τ T=2\tau T=2τ,则周期方波信号可以表示为

f ( t ) = 2 G τ ( t ) ∗ δ 2 τ ( t ) − 1 f(t) = 2G_{\tau}(t) * \delta_{2\tau}(t) - 1 f(t)=2Gτ(t)δ2τ(t)1

其频谱为( Ω = 2 π 2 τ = π τ \Omega = \frac{2\pi}{2\tau}=\frac{\pi}{\tau} Ω=2τ2π=τπ

F ( j w ) = 2 τ S a ( τ 2 w ) Ω δ Ω ( w ) − 2 π δ ( w ) = ∑ n = − ∞ n ≠ 0 n = + ∞ 2 π S a ( n π 2 ) δ ( w − n Ω ) \begin{aligned} F(jw) &= 2\tau Sa(\frac{\tau}{2}w) \Omega \delta_{_{\Omega}}(w) - 2\pi\delta(w)\\ &= \sum_{n=-\infty \atop n\not =0}^{n=+\infty} 2\pi Sa(\frac{n\pi}{2}) \delta(w - n\Omega) \end{aligned} F(jw)=2τSa(2τw)ΩδΩ(w)2πδ(w)=n=0n=n=+2πSa(2nπ)δ(wnΩ)

显然,则是一个偶函数( F ( j w ) F(jw) F(jw)为纯实数),也是一个奇谐函数(只有奇次谐波分量)。再考虑理想低通滤波器,其输出相应相当于只取 ∣ w ∣ < w c |w| < w_c w<wc的频率分量,可以发现:

  1. w c ≫ Ω w_c \gg \Omega wcΩ 时,输出信号较为接近原输入信号,但是在不连续处存在预冲和过冲现象;
  2. 随着 w c w_c wc逐渐减小,上升沿变得缓慢(陡度降低),吉布斯波纹周期变长;
  3. w c w_c wc接近 Ω \Omega Ω时,输出信号退化为频率等于基频 Ω \Omega Ω的正弦波。

1.3. 如何减小吉布斯现象?

  1. 低通滤波器对信号频谱进行频域加窗,频窗有限引起时域的吉布斯波纹,可以考虑其它的频窗,如三角窗等
  2. 另外,对时域加窗(时域截断)也会出现的吉布斯波纹,因此需要选择好合适的窗函数。

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