5. Analiza widmowa sygnałów dyskretnych

5.2. Transformata DCT

W zasadzie każda nieosobliwa macierz  \overline{W} mogłaby być wykorzystana jako transformata, jednak do analizy widmowej przydatne są transformaty, których funkcje bazowe (wiersze macierzy) są sygnałami wąskopasmowymi o różnych częstotliwościach.  DFT jest oparta na spróbkowanych sygnałach e^{-j\frac{2\pi}{L}kn}=cos{(}\frac{2\pi}{L}kn)-j\ sin{(}\frac{2\pi}{L}kn), natomiast Dyskretna Transformata Kosinusoidalna (Discrete Cosine Transform – DCT) – na spróbkowanych funkcjach cosinus. K-ty wiersz macierzy tej transformaty jest opisany wzorem (58):

W_{k,n}=\left\{\begin{matrix}\frac{1}{\sqrt L},\qquad k=0\\\sqrt{\frac{2}{L}}cos{(}\frac{\pi}{2L}(2n+1)k),\quad k=1,\cdots,L-1\\\end{matrix}\right. (58)

Częstotliwości spróbkowanych sygnałów kosinusoidalnych narastają od 0 Hz do niemal połowy częstotliwości próbkowania.  Oznacza to, że analiza widmowa z wykorzystaniem DCT odnosi się do zakresu częstotliwości od 0 do \frac{f_s}{2}
Do obliczenia DCT wg wzoru \overline{X}=\overline{W}\overline{x} można również zastosować szybki algorytm, jak w przypadku DFT. Ze względu na ortogonalność wierszy macierzy DCT spełnione jest równanie  \overline{X}^t=\overline{W}=I , gdzie t oznacza transpozycję, a I – macierz jednostkową. Oznacza to, że macierz transponowana jest jednocześnie macierzą odwrotną  \overline{W}^{-1}=\overline{W}^{t}, którą można wykorzystać jako macierz odwrotnej transformacji cosinusoidalnej (IDCT):

\overline{x}=\ {\overline{W}}^t\ \overline{X} (59)

Na rys.37 pokazano proces obliczania DCT dla 8 próbek sygnału. Macierz transformaty DCT jest rzeczywista, a więc współczynniki transformaty X_0,X_1,\ldots,X_{L-1} są liczbami rzeczywistymi. Na rys. 38 pokazano 256 próbek widma DCT sygnału przedstawionego na rys. 36. Współczynniki transformaty odnoszą się do zakresu częstotliwości od 0 do połowy częstotliwości próbkowania (22050 Hz). 
W Tabeli 1 porównano właściwości transformat DFT i DCT. Na uwagę zasługuje sposób przechowania informacji o fazie sygnału we współczynnikach transformaty. W DCT faza wpływa na relację pomiędzy częścią rzeczywistą i urojona współczynników, nie wpływa natomiast na ich wartość bezwzględną. W DCT informacja o fazie jest przechowywana w rzeczywistych wartościach współczynników transformaty, stąd widma DCT  sygnału sinusoidalnego i kosinusoidalnego są różne. 


Rysunek 37 Obliczanie DCT 8 próbek sygnału

Rysunek 38 Transformata DCT sygnału audio liczącego 256 próbek (częstotliwość próbkowania 44100 Hz

Tabela 1 Porównanie DFT i DCT

DFT

DCT

zespolona

rzeczywista

Zakres częstotliwości od 0 do częstotliwości próbkowania

Zakres częstotliwości od 0 do połowy częstotliwości próbkowania

Widmo amplitudy nie zależy od fazy sygnału

Widmo amplitudy silnie zależy od fazy sygnału