Interpolation (779809), страница 2

Файл №779809 Interpolation (Vaseghi - Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction) 2 страницаInterpolation (779809) страница 22017-12-28СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

In fact, for this example, thedistortion can also be removed using a linear prediction model, which, for acosine signal, can be regarded as a data-adaptive narrow band-pass filter.10.1.4 The Factors That Affect Interpolation AccuracyThe interpolation accuracy is affected by a number of factors, the mostimportant of which are as follows:(a) The predictability, or correlation structure of the signal: as thecorrelation of successive samples increases, the predictability of asample from the neighbouring samples increases. In general,interpolation improves with the increasing correlation structure, orequivalently the decreasing bandwidth, of a signal.(b) The sampling rate: as the sampling rate increases, adjacent samplesbecome more correlated, the redundant information increases, andinterpolation improves.(c) Non-stationary characteristics of the signal: for time-varying signalsthe available samples some distance in time away from the missingsamples may not be relevant because the signal characteristics mayhave completely changed.

This is particularly important ininterpolation of a large sequence of samples.(d) The length of the missing samples: in general, interpolation qualitydecreases with increasing length of the missing samples.(e) Finally, interpolation depends on the optimal use of the data and theefficiency of the interpolator.The classical approach to interpolation is to construct a polynomialinterpolator function that passes through the known samples.

We continuethis chapter with a study of the general form of polynomial interpolation,and consider Lagrange, Newton, Hermite and cubic spline interpolators.Polynomial interpolators are not optimal or well suited to make efficient useof a relatively large number of known samples, or to interpolate a relativelylarge segment of missing samples.304InterpolationIn Section 10.3, we study several statistical digital signal processingmethods for interpolation of a sequence of missing samples. These includemodel-based methods, which are well suited for interpolation of small tomedium sized gaps of missing samples. We also consider frequency–timeinterpolation methods, and interpolation through waveform substitution,which have the ability to replace relatively large gaps of missing samples.10.2 Polynomial InterpolationThe classical approach to interpolation is to construct a polynomialinterpolator that passes through the known samples.

Polynomialinterpolators may be formulated in various forms, such as power series,Lagrange interpolation and Newton interpolation. These various forms aremathematically equivalent and can be transformed from one into another.Suppose the data consists of N+1 samples {x(t0), x(t1), ..., x(tN)}, wherex(tn) denotes the amplitude of the signal x(t) at time tn. The polynomial oforder N that passes through the N+1 known samples is unique (Figure 10.4)and may be written in power series form asxˆ (t ) = p N (t ) = a 0 + a1t + a 2 t 2 + a3t 3 + + a N t N(10.13)where PN(t) is a polynomial of order N, and the ak are the polynomialcoefficients.

From Equation (10.13), and a set of N+1 known samples, ax(t)P(ti)=x(t)t0 t1 t2 t3tFigure 10.4 Illustration of an Interpolation curve through a number of samples.305Polynomial Interpolationsystem of N+1 linear equations with N+1 unknown coefficients can beformulated asx(t 0 ) = a 0 + a1t 0 + a 2 t 02 + a 3 t 03 + + a N t 0Nx(t1 ) = a 0 + a1t1 + a 2 t12 + a 3t13 + + a N t1N(10.14)x(t N ) = a 0 + a1t N + a 2 t N2 + a3 t N3 + + a N t NNFrom Equation (10.14). the polynomial coefficients are given by a0  1  a1  1 a  = 1 2    a   N  1t0t 02t 03t1t2t12t 22t13t 23tNt N2t N3 t 0N  t1N  t 2N   t NN −1 x(t 0 )  x(t1 )  x(t )  2   x(t )  N (10.15)The matrix in Equation (10.15) is called a Vandermonde matrix.

For a largenumber of samples, N, the Vandermonde matrix becomes large and illconditioned. An ill-conditioned matrix is sensitive to small computationalerrors, such as quantisation errors, and can easily produce inaccurate results.There are alternative methods of implementation of the polynomialinterpolator that are simpler to program and/or better structured, such asLagrange and Newton methods. However, it must be noted that thesevariants of the polynomial interpolation also become ill-conditioned for alarge number of samples, N.10.2.1 Lagrange Polynomial InterpolationTo introduce the Lagrange interpolation, consider a line interpolator passingthrough two points x(t0) and x(t1):xˆ (t ) = p1 (t ) = x(t 0 ) +x(t1 ) − x(t 0 )(t − t 0 )t1 − t 0line slope(10.16)306Interpolationt −t0x(t1 )t1 −t0x(t )t −t1x(t0 )t0 −t1tt0t1Figure 10.5 The Lagrange line interpolator passing through x(t0) and x(t1),described in terms of the combination of two lines: one passing through(x(t0), t1) and the other through (x(t1), t0 ).The line Equation (10.16) may be rearranged and expressed asp1 (t ) =t − t0t −t1x(t0 ) +x(t1 )t 0 −t1t1 −t0(10.17)Equation (10.17) is in the form of a Lagrange polynomial.

Note that theLagrange form of a line interpolator is composed of the weightedcombination of two lines, as illustrated in Figure 10.5.In general, the Lagrange polynomial, of order N, passing through N+1samples {x(t0), x(t1), ... x(tN)} is given by the polynomial equationPN (t ) = L0 (t ) x(t 0 ) + L1 (t ) x(t1 ) + + L N (t ) x(t N )(10.18)where each Lagrange coefficient LN(t) is itself a polynomial of degree Ngiven byLi (t ) =N(t − t 0 ) (t − t i −1 ) (t − t i +1 ) (t − t N )t −t n=∏(t i − t 0 ) (t i − t i −1 ) (t i − t i +1 ) (t i − t N ) n=0 t i − t n(10.19)n ≠iNote that the ith Lagrange polynomial coefficient Li(t) becomes unity at theith known sample point (i.e. Li(ti)=1), and zero at every other known samplePolynomial Interpolation307(i.e.

Li(tj)=0, i ≠ j ). Therefore PN(ti)=Li(ti)x(ti)=x(ti), and the polynomialpasses through the known data points as required.The main drawbacks of the Lagrange interpolation method are asfollows:(a) The computational complexity is large.(b) The coefficients of a polynomial of order N cannot be used in thecalculations of the coefficients of a higher order polynomial.(c) The evaluation of the interpolation error is difficult.The Newton polynomial, introduced in the next section, overcomes some ofthese difficulties.10.2.2 Newton Polynomial InterpolationNewton polynomials have a recursive structure, such that a polynomial oforder N can be constructed by extension of a polynomial of order N–1 asfollows:p0 (t )= a 0(d.c.

value)p1 (t ) = a0 + a1 (t − t 0 )= p0 (t ) + a1 (t − t 0 )(ramp)p 2 (t ) = a0 + a1 (t − t 0 ) + a 2 (t − t 0 )(t − t1 )(quadratic)p1 (t )=+ a 2 (t − t 0 )(t − t1 )p3 (t ) = a0 + a1 (t − t 0 )+ a 2 (t − t 0 )(t − t1 ) + a3 (t − t 0 )(t − t1 )(t − t 2 )(cubic)p 2 (t )=+ a3 (t − t 0 )(t − t1 )(t − t 2 )(10.20)and in general the recursive, order update, form of a Newton polynomialcan be formulated asp N (t )= p N −1 (t )+ a N (t − t 0 )(t − t1 ) (t − t N −1 )(10.21)308InterpolationFor a sequence of N+1 samples {x(t0), x(t1), ...

x(tN)}, the polynomialcoefficients are obtained using the constraint p N (t i )= x(t i ) as follows: Tosolve for the coefficient a0, equate the polynomial Equation (10.21) at t=t0to x(t0):p N (t 0 )= p 0 (t 0 )= x(t 0 )=a0(10.22)To solve for the coefficient a1, the first-order polynomial p1(t) is evaluatedat t=t1:p1 (t1 )= x(t1 )=a0 + a1 (t1 – t 0 )= x(t 0 )+a1 (t1 – t 0 )(10.23)from whicha1 =x(t1 ) − x(t 0 )t1 − t 0(10.24)Note that the coefficient a1 is the slope of the line passing through thepoints [x(t0), x(t1)]. To solve for the coefficient a2 the second-orderpolynomial p2(t) is evaluated at t=t2:p 2 (t 2 )= x(t 2 )= a 0 + a1 (t 2 – t 0 )+a 2 (t 2 – t 0 )(t 2 – t1 )(10.25)p 2(t 2) = x (t 2)= a0 + a1(t 2 – t 0)+ a 2(t 2 – t 0)(t 2 – t 1)Substituting a0 and a1 from Equations (10.22) and (10.24) in Equation(10.25) we obtain x(t )− x(t1 ) x(t1 )− x(t 0 ) a2 =  2−(t 2 − t 0 )t1 −t 0  t 2 −t1(10.26)Each term in the square brackets of Equation (10.26) is a slope term, andthe coefficient a2 is the slope of the slope.

To formulate a solution for thehigher-order coefficients, we need to introduce the concept of divideddifferences. Each of the two ratios in the square brackets of Equation(10.26) is a so-called “divided difference”. The divided difference betweentwo points ti and ti–1 is defined asd1 (t i −1 , t i )=x(t i ) − x(t i −1 )t i − t i −1(10.27)309Polynomial InterpolationThe divided difference between two points may be interpreted as theaverage difference or the slope of the line passing through the two points.The second-order divided difference (i.e. the divided difference of thedivided difference) over three points ti–2 , ti–1 and ti is given byd 2 (t i −2 , t i ) =d1 (t i −1 , t i )−d1 (t i −2 , t i −1 )t i − t i −2(10.28)and the third-order divided difference isd 3 (t i −3 , t i ) =d 2 (t i −2 , t i )−d 2 (t i −3 , t i −1 )t i − t i −3(10.29)and so on.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
281,25 Kb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6472
Авторов
на СтудИзбе
304
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее