19108

Спектральные характеристики непериодических сигналов

Практическая работа

Физика

Лекция № 4. Спектральные характеристики непериодических сигналов. Теория спектрального представления непериодических импульсных сигналов основанная на прямом и обратном интегральных преобразованиях Фурье позволяет осуществлять анализ прохождения сигналов чер

Русский

2013-07-11

191.5 KB

27 чел.

Лекция № 4.  Спектральные характеристики непериодических сигналов.

Теория спектрального представления непериодических (импульсных) сигналов, основанная на прямом и обратном интегральных преобразованиях Фурье,  позволяет осуществлять анализ прохождения сигналов через широкий класс функциональных элементов измерительных систем:  электрических цепей,  различного рода преобразователей, функциональных блоков.  Если функция , отображающая реальный сигнал, абсолютно интегрируема, то ее спектральная плотность определяется интегралом:

.                                                                                 (4.1)

Величину  называют комплексной спектральной плотностью или спектральной характеристикой. Она имеет размерность [амплитуда/частота]. Используя обратное преобразование Фурье для сигнала, можно записать:

.                                                                             (4.2)

Как комплексная величина спектральная плотность может быть записана в виде модуля и аргумента:

,                                                            (4.3)

где модуль  называют спектральной плотностью амплитуд или просто амплитудным спектром непериодического сигнала, а аргумент спектральной плотности – фазовым спектром этого сигнала.

Модуль и аргумент спектральной плотности могут быть вычислены по формулам:

,                                                                                 (4.4)

 ,       где                                                                     (4.5)

,                                                                                      (4.6)

.                                                                                       (4.7)

Как и в случае ряда Фурье,   является четной функцией частоты, а  – нечетной функцией частоты. Так как составляющие расположены на всех частотах, то спектр непериодического сигнала является непрерывным или сплошным. 

На основании формулы (4.3) нетрудно привести комплексную форму интегрального преобразования Фурье (4.2) к тригонометрической форме:

.                                                           (4.8)

Преимущество тригонометрической формы записи Фурье-преобразования заключается в возможности некоторого физического толкования с использованием идеализаций, не очень далеких от реальности. Следует отметить, что условие абсолютной интегрируемости сигнала , т.е. сходимости интеграла ,  сужает класс  сигналов, допустимых к Фурье-анализу. Так, в классическом смысле невозможно говорить о спектральной плотности таких сигналов, как единичная функция 1(t), гармонический сигнал  и некоторые другие, т.к. они не соответствуют условию абсолютной интегрируемости.

Спектральная плотность прямоугольного видеоимпульса

Найдем спектральные характеристики (амплитудную и фазовую) одиночного прямоугольного импульса, описываемого выражением:

                                                                (4.9)

Графическое изображение импульса представлено на рисунке.

                                                 

Применяя формулу (4.1), находим спектральную плотность:

                     (4.10)

Заметим, что произведение , равное площади импульса, определяет значение спектральной плотности импульса при , т.е. . Более того, это выражение справедливо для импульсов произвольной формы:

.                                                                           (4.11)

Спектр амплитуд одиночного прямоугольного импульса представляет из себя модуль выражения (4.10):

.                                                                            (4.12)

Графически спектр амплитуд этого импульса представлен на рисунке (приведена правая часть спектральной характеристики, соответствующая положительным значениям ).

Из рисунка и анализа соотношения (4.12) следует, что при увеличении длительности импульса  расстояние между нулями функции  сокращается, что равносильно сужению спектра амплитуд. При этом значение  при   возрастает. При укорачивании (сжатии) импульса  расстояние между нулями функции , напротив, увеличивается (спектр расширяется), а значение  убывает. В пределе при   значение  стремится к бесконечности, а модуль спектральной плотности, бесконечно малый по величине при постоянном значении , становится равномерным в полосе частот от   до . Очевидно также, что амплитудный спектр прямоугольного импульса имеет ту же форму, что и огибающая периодической последовательности таких импульсов.

Фазовая характеристика спектра прямоугольного импульса (спектр фаз) описывается выражением:,  Очевидно,  что каждое изменение знака  учитывается изменением фазы на .

Распределение энергии в спектре непериодического сигнала.

Рассмотрим импульсный сигнал , физическим представлением которого будем считать электрическое напряжение на резисторе номиналом 1 Ом. Тогда энергия, выделяемая на этом резисторе равна:

.                                                                                                 (4.13)

В предположении, что интеграл (4.13) сходится, выразим энергию через модуль спектральной характеристики  этого сигнала . Для этого квадрат модуля запишем в виде:  ,  где  – функция, комплексно-сопряженная спектральной характеристике  сигнала .  Тогда

.

После изменения последовательности интегрирования и использования обратного преобразования Фурье получим:

.                                                                         (4.14)

Окончательно имеем

.                                              (4.15)

Соотношение (4.15) известно как равенство Парсеваля. Из него следует, что каждое из бесконечно малых слагаемых , соответствующих бесконечно малым участкам спектра, характеризует энергию, приходящуюся на спектральные составляющие сигнала, сосредоточенные в полосе частот от  до .

Соотношение (4.15) может быть записано в виде:

,                                                                             (4.16)

где   называют спектральной плотностью энергии сигнала, или энергетическим спектром. Изучение сигнала с помощью его энергетического спектра неизбежно приводит к потере информации, которая заключена в фазовом спектре сигнала, поскольку энергетический спектр есть квадрат модуля спектральной плотности и не зависит от ее аргумента. Тем не менее понятие энергетического спектра оказывается полезным при получении различных оценок, связанных с шириной спектра сигнала.  

3

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

49091. Направления повышения прибыли и рентабельности ОАО Электроавтомат 246 KB
  Теоретикометодологические основы понятия прибыли и рентабельности организации. Анализ прибыли и рентабельности ОАО Электроавтомат. Направления повышения прибыли и рентабельности ОАО Электроавтомат. Целью исследования является аналитическое использование прибыли и рентабельности предприятия.
49092. Объекты гражданских правоотношений 297.5 KB
  Цели и задачи, поставленные в ходе рассмотрения данной темы, обусловили структуру представленной курсовой работы. Данная работа состоит из введения, трех глав включающих в себя четыре параграфа, а так же заключения и списка используемой литературы.
49093. Техническая документация и оценка качества программного продукта в среде Microsoft Visual Basic 109 KB
  Оценка качества программного продукта. При разработке программ используются ресурсоемкие и наукоемкие технологии высококвалифицированный интеллектуальный труд Проблема: отсутствие технического задания и критериев оценки качества затрудняет созданием программного продукта в среде Microsoft Visul Bsic Цель : Разработка рекомендаций по созданию технического задания и листа оценки качества программного продукта в среде Microsoft Visul Bsic Задачи: Проанализировать нормативные документы по техническому заданию и оценке...
49094. Анализ и учет накладных расходов от прямых затрат при определении стоимости строительства 1.94 MB
  Разработка рекомендаций по учету накладных расходов от прямых затрат при определении стоимости строительства на основании анализа фактических накладных расходов в строительных организациях Республики Татарстан.
49095. Структурная схема смешанной системы связи и сигналы в различных её сечениях 3.47 MB
  Рассчитать и построить спектр сигнала дискретной модуляции и определить ширину его спектра Δfs. Рассчитать: приходящуюся в среднем на один двоичный символ мощность Рs и амплитуду Um сигнала дискретной модуляции необходимую для обеспечения требуемого ОСШ h2; пропускную способность С гауссовского НКС. Построить функции плотности вероятности мгновенных значений и огибающей узкополосной гауссовской помехи а так же ФПВ мгновенных значений и огибающей гармонического сигнала и УГП. Изобразить схему приемника сигнала дискретной модуляции.
49096. Схема смешанной системы связи и сигналы в различных ее сечениях 1.59 MB
  Рассчитать: априорные вероятности и передачи нуля и единицы по двоичному ДКС; ширину спектра сигнала ИКМ. Рассчитать и построить спектр сигнала дискретной модуляции и определить ширину его спектра. Рассчитать: приходящуюся в среднем на один двоичный символ бит мощность и амплитуду сигнала дискретной модуляции необходимую для обеспечения требуемого ОСШ ; пропускную способность гауссовского НКС. Построить функции плотности вероятности ФПВ мгновенных значений и огибающей узкополосной гауссовской помехи УГП а также...
49098. Структурная схема смешанной системы связи и сигналы в различных её сечениях 2.85 MB
  Рассчитаем энергетическую ширину спектра Δf: Δf= Максимальное значение спектральной плотности мощности: Gmx=G0=4924104; Подставив это значение в формулу для расчета ширины спектра и посчитав интеграл получаем значение: Δf=3250 [Гц]. Рассчитаем интервал корреляции τ: τ=dτ=7692 [мкс].3 Рассчитаем мощность Рх отклика ФНЧ: Рх==2346 [В2]. Рассчитаем СКП фильтрации...
49099. Региональные особенности продуктивного пласта АС11 в Фроловской нефтегазоносной области 10.98 MB
  В результате работы будут даны обобщенные выводы, каким образом и почему, продуктивность пласта, даже при близком региональном расположение может быть разной. Будут сделаны заключения, как различные характеристики влияют на породы коллекторы...