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

18434. Законы регулирования, регуляторы, исполнительные механизмы и регулирующие органы 106 KB
  Лекция 18. Законы регулирования регуляторы исполнительные механизмы и регулирующие органы. Промышленные автоматические регуляторы. Одной из основных частей низовой локальной системы автоматического регулирования САР является регулятор. В общем случае регулято
18435. Программно-технические комплексы 76.5 KB
  Лекция 19. Программнотехнические комплексы. В настоящее время автоматизация большинства технологических процессов осуществляется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств которые в России получили название программнотехнических комплексо
18436. Электрические исполнительные механизмы 46.5 KB
  Лекция 20. Электрические исполнительные механизмы. Назначение. Механизмы исполнительные электрические однооборотные постоянной скорости МЭО и МЭОФ предназначены для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими пр
18437. Регулирующие органы 91 KB
  Лекция 21. Регулирующие органы. Регулирующие органы служат для изменения количества вещества или энергии подводимых к объекту регулирования или отводимых от него по определенной программе или поддержание на определенном уровне. Чаще всего с помощью регулирующих
18438. История языка PHP. Установка ПО для работы с PHP 780 KB
  Серверные технологии разработки webсайтов История языка PHP. Установка ПО для работы с PHP. История PHP Язык PHP был разработан как инструмент для решения чисто практических задач. Его создатель Расмус Лердорф хотел знать сколько человек читают его onlineрезюме и написал ...
18439. Конструкции и типы данных PHP 223.5 KB
  Серверные технологии разработки webсайтов Конструкции и типы данных PHP Основной синтаксис Первое что нужно знать относительно синтаксиса PHP это то как он встраивается в HTMLкод как интерпретатор узнает что это код на языке PHP. В предыдущей лекции мы уже говорили об
18440. Операторы условий и циклов 192 KB
  Серверные технологии разработки webсайтов Операторы условий и циклов Условные операторы Оператор if Это один из самых важных операторов многих языков включая PHP. Он позволяет выполнять фрагменты кода в зависимости от условия. Структуру оператора if можно представит
18441. Функции в PHP 206 KB
  Серверные технологии разработки webсайтов Функции в PHP Функции определяемые пользователем Для чего нужны функции Чтобы ответить на этот вопрос нужно понять что вообще представляют собой функции. В программировании как и в математике функция есть отображение множ...
18442. Работа с массивами в PHP 192.5 KB
  Серверные технологии разработки webсайтов Работа с массивами в PHP Массивы В одной из первых лекций мы рассказывали о том как можно создать массив данных. Напомним что массив можно создать двумя способами: С помощью конструкции array array_name = arraykey1=>value1