19107

Математические модели сигналов

Практическая работа

Физика

Лекция № 3. Математические модели сигналов. Сигнал – процесс изменения во времени физического состояния какогото объекта служащий для отображения регистрации и передачи сообщений. Сигналы – электрические акустические оптические и т.д. Классификация сигналов. Сиг...

Русский

2013-07-11

288.5 KB

51 чел.

Лекция № 3.  Математические модели сигналов.

Сигнал – процесс изменения во времени физического состояния какого-то объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений. Сигналы – электрические, акустические, оптические и т.д.

Классификация сигналов. Сигналы:  детерминированные и случайные; периодические и непериодические; импульсные (видеоимпульсы, радиоимпульсы); аналоговые, дискретные и цифровые.

Математические модели физических сигналов: временная и частотная формы представления аналоговых сигналов.

Типовые виды сигналов, используемых при анализе измерительных систем:

  •  единичная функция (функция включения, функция Хевисайда) ;
  •  дельта-функция (функция Дирака) ;
  •  гармоническое колебание .

Временная форма представления аналогового сигнала

Временным представлением сигнала называют такое разложение сигнала , при котором в качестве базисных функций используются дельта-функции . Пользуясь  фильтрующим свойством дельта-функции, можно записать:

.                                 (3.1)

Таким образом, функция  выражена в виде совокупности примыкающих друг к другу импульсов бесконечно малой длительности. Ортогональность совокупности таких импульсов очевидна, так как они не перекрываются во времени.

Разложение (3.1) имеет большое значение в теории линейных систем, т.к.  установив реакцию системы на элементарный входной сигнал в виде дельта-функции, можно определить реакцию системы на произвольный входной сигнал как суперпозицию реакций на бесконечную последовательность смещенных дельта-импульсов с «площадями», равными соответствующим значениям входного сигнала.

Частотная форма представления  периодических сигналов

Математической моделью процесса, повторяющегося во времени, является периодический  сигнал:  Здесь – период сигнала.

Ставится задача найти спектральное разложение такого сигнала.

Введем основную частоту  последовательности, образующей периодический сигнал. Ряд Фурье для периодического сигнала будет иметь вид:

 .                                                (3.2)

Коэффициенты разложения  функции в ряд Фурье находят по формулам:

                                                                                        (3.3)

                                                                           (3.4)

                                                                            (3.5)

Таким образом, в общем случае периодический сигнал содержит не зависящую от времени постоянную составляющую и бесконечный набор гармонических колебаний, так называемых гармоник с частотами  кратными основной частоте .

Каждую гармонику можно описать ее амплитудой  и начальной фазой . Для этого коэффициенты ряда Фурье следует записать в виде:

   так что

   

Подставив эти выражения в (3.1), получим другую, эквивалентную форму ряда Фурье:                                                                     (3.6)

Ряд Фурье  для периодического сигнала  может быть записан в форме:

    ,                                                                       (3.7)

где                                                                    (3.8)

Соотношение (3.6) представляет собой ряд Фурье в комплексной форме, содержащий экспоненциальные функции как с положительным, так и с отрицательным параметром  (двустороннее частотное представление). Составляющие с «отрицательными частотами» являются следствием комплексной формы записи вещественной функции.

Функцию  принято называть комплексным спектром периодического сигнала . Этот спектр – дискретный, или линейчатый,  так как функция  определена только для целых значений . Значение функции  при конкретном  называют комплексной амплитудой. Запишем комплексный спектр в форме:

.                                                                         (3.9)

Модуль комплексного спектра  называют спектром амплитуд, а функцию – спектром фаз сигнала s(t). Спектры амплитуд и фаз периодического сигнала являются дискретными. При этом спектр амплитуд является четной функцией , т. е. , а спектр фаз – нечетной функцией , т.е. .

От двухстороннего спектрального представления легко перейти к одностороннему (не имеющему отрицательных частот), объединяя комплексно-сопряженные составляющие. В этом случае получим ряд Фурье в тригонометрической форме, ранее записанный в виде (3.2).

Спектр амплитуд и спектр фаз периодического сигнала удобно представлять наглядно в виде спектральных диаграмм. Пример спектральной диаграммы амплитудного спектра сигнала, отображаемого совокупностью линий на частотах , приведен на рисунке:

Огибающую  этого спектра амплитуд можно получить, заменив  в  на , где  для -ой гармоники сигнала. Отметим, что дискретный (линейчатый) спектр характеризует не только периодические сигналы. Линейчатые спектры, включающие гармоники некратных частот, могут принадлежать так называемым почти периодическим сигналам.

Спектр амплитуд периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Определим спектр амплитуд периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью  и амплитудой , следующих с частотой  (см. рисунок):

Запишем  в виде ряда Фурье в соответствии с выражением (3.2):

.                                                     (3.10)

Коэффициенты разложения найдем по формулам (3.3) – (3.5). При этом введем параметр , называемый скважностью импульсной последовательности.

Значения коэффициентов равны:

;                                                                                                      (3.11)

;                                                                                        (3.12)

, т.к. функция  – четная, и

.

Отсюда  ,                                                     (3.13)

а амплитуды гармоник, включая постоянную составляющую , определяются из выражения:

          ,  при n = 0,1,2,…                          (3.14)

Анализ зависимостей (3.11) – (3.13) показывает:

  •  При больших значениях скважности импульсной последовательности , амплитудный спектр сигнала содержит большое число медленно убывающих по амплитуде гармоник. При этом расстояние между соседними линиями мало, а амплитуды соседних гармоник близки по величине.
  •  Значение постоянной составляющей  примерно вдвое меньше амплитуды первой гармоники .
  •  На частотах, кратных , огибающая спектра равна нулю. Следовательно, амплитуда гармоник, чей номер кратен скважности , будет равна нулю.
  •  Огибающая спектра амплитуд определяется видом функции

.                                                                            (3.15)

Пример спектральной диаграммы периодической последовательности прямоугольных импульсов для скважности  приведен на рисунке:

4

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4EMBED Equation.DSMT4EMBED Equation.DSMT4EMBED Equation.DSMT4EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4   EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27773. Педагогическая деятельность Л. Н. Толстого 25.96 KB
  Толстой вступил как он сам писал об этом позже в период трехлетнего страстного увлечения этим делом. Толстой считал что наступило время вспомним что тогда Россия переживала период первой революционной ситуации и подъема общественнопедагогического движения когда образованные люди страны должны активно помогать народным массам испытывавшим огромную потребность в образовании удовлетворить это их законное стремление не доверяя столь важного дела царской власти. Толстой систематически освещал в своем педагогическом журнале Ясная...
27774. Социализирующие функции семьи 26.46 KB
  На всех этапах социализации образовательный уровень семьи интересы ее членов сказываются на интеллектуальном развитии человека на том какие пласты культуры он усваивает на стремлении к продолжению образования и к самообразованию. Вчетвертых семья имеет важное значение в овладении человеком социальными нормами а когда речь идет о нормах определяющих исполнение им семейных ролей влияние семьи становится кардинальным. Ценности и атмосфера семьи определяют и то насколько она становится средой саморазвития и ареной самореализации ее...
27775. СПЕЦИФИКА РАБОТЫ СОЦИАЛЬНОГО ПЕДАГОГА В ЛЕТНИХ ОЗДОРОВИТЕЛЬНЫХ ЛАГЕРЯХ 20.36 KB
  Социальный педагог находясь среди детей в летнем лагере чувствуя их настроение зная их проблемы реально оценивая возможности личности устанавливает доброжелательные гуманистические отношения устраняет дефицит общения. При этом специалист оценивает влияние микросреды детского лагеря окружения детей групп сверстников объединений подростков. Все это педагоги связывают с деятельностью детей на практике и включают в работу лагерной смены. Таким образом у детей формируется эмоциональноценностное отношение к миру и человеческой...
27776. Классификация методов обучения 15.12 KB
  По источникам передачи и характеру восприятия информации система традиционных методов Е. По характеру взаимной деятельности учителя и учащихся система методов обучения И. По основным компонентам деятельности учителя система методов Ю.
27777. Воспитание 20.32 KB
  Методы воспитания – способы взаимосвязанной деятельности воспитателей и воспитанников направленной на решение задач воспитания. Характеризуя методы воспитания нельзя не упомянуть прием воспитания. главный признак основание по которому методы группируются и обособляются В педагогике существует многообразная классификация методов воспитания. Бабанского в основу классификации положена концепция деятельности: Методы формирования сознания: рассказ беседа лекция дискуссия диспут метод примера; Методы организации деятельности и...
27778. Механизмы социализации 18.95 KB
  Существуют различные подходы к рассмотрению механизмов социализации. Американский ученый Ури Бронфенбренер механизмом социализации считает прогрессивную взаимную аккомодацию приспособляемость между активным растущим человеческим существом и изменяющимися условиями в которых оно живет. Мухина рассматривает в качестве механизмов социализации идентификацию и обособление личности а А.
27779. Социальное воспитание 16.66 KB
  Эти условия создаются в ходе взаимодействия индивидуальных и групповых коллективов субъектов в трех взаимосвязанных и в то же время относительно автономных по содержанию формам способам и стилю взаимодействия процессах: организации социального опыта детей подростков юношей их образования и индивидуальной помощи им. Организация социального опыта осуществляется через организацию быта и жизнедеятельности формализованных групп коллективов; организацию взаимодействия членов организации а также обучение ему; стимулирование самодеятельности...
27780. Антон Семенович Макаренко. Воспитание в коллективе и через коллектив 32.2 KB
  Макаренко воспитал в духе идей коммунизма более 3000 молодых граждан Советской страны. Макаренко особенно €œПедагогическая поэма€ и €œФлаги на башнях€ переведены на многие языки. Велико число последователей Макаренко среди прогрессивных педагогов всего мира.
27781. Господарські првовідносини 106 KB
  Юридичний зміст господарських відносин — це права та обов’язки суб’єктів господарювання, які виникають у них у процесі здійснення зазначеної діяльності.