19109

Спектральный анализ непериодических сигналов

Практическая работа

Физика

Лекция № 5. Спектральный анализ непериодических сигналов Для практических приложений является важным установление связи между преобразованием сигнала и соответствующим этому преобразованию изменением спектральных характеристик. Спектральная плотность сигнала...

Русский

2013-07-11

246 KB

55 чел.

Лекция № 5.  

Спектральный анализ непериодических сигналов

Для практических приложений является важным установление связи между преобразованием сигнала и соответствующим этому преобразованию изменением спектральных характеристик.

Спектральная плотность сигнала, смещенного во времени.

Предположим, что сигнал  произвольной формы, существующий на интервале от  до , имеет спектральную плотность . Найдем спектральную плотность этого же сигнала при условии его задержки на интервал , например преобразователем, называемым  линией задержки. Функция времени задержанного сигнала при сохранении его формы запишется в виде:

                                                                                           (5.1)

Спектральная плотность задержанного сигнала очевидно  имеет вид:

                                              (5.2)

Вводя новую переменную интегрирования , получим:

=.               (5.3)

Из этого соотношения видно, что задержка во времени сигнала  на интервал  приводит к изменению фазовой характеристики спектра   (спектра фаз) на величину . Очевидно, что в общем случае при сдвиге сигнала во времени на величину   его фазовый спектр изменится на величину  .   Спектр амплитуд этого сигнала (модуль спектральной плотности) от положения сигнала на временной оси не зависит.

Спектральная плотность сигнала, сжатого во времени.

Пусть сигнал  длительностью  подвергся сжатию во времени в соответствии с рисунком:

Новый сжатый сигнал  связан с исходным сигналом соотношением:

,                                                                                     (5.4)

Длительность сжатого сигнала очевидно равна .  Определим спектральную плотность сжатого сигнала  :

                                                   (5.5)

Вводя новую переменную интегрирования    , получаем:

                                             (5.6)

Интеграл в правой части выражения (5.6)  есть не что иное, как спектральная плотность исходного сигнала  при частоте  , т.е.:

.                                                                                  (5.7)

Итак, при сжатии сигнала в  раз на временной оси имеем:

  •  уменьшение модуля спектральной плотности в  раз;
  •  расширение во столько же раз его спектральных составляющих на оси частот.

Очевидно, при расширении исходного сигнала во времени  (т.е. при ) имеют место обратные процессы: сужение спектра и увеличение модуля спектральной плотности.

Можно также показать, что длительность сигнала и ширина его спектра амплитуд не могут быть одновременно ограничены конечными интервалами: если длительность сигнала ограничена, то спектр его неограничен, и, наоборот, сигнал с ограниченным спектром длится бесконечно долго. Говорят, что ширина спектра и длительность импульса связаны соотношением неопределенности: ,  где  – длительность импульса, а  – ширина спектра (практическая ширина),  – постоянная, зависящая от формы импульса (в первом приближении принимают ).

Спектральная плотность на выходе сумматора сигналов.

Преобразование Фурье, определяющее спектральную плотность заданного сигнала, является линейным преобразованием. Если на вход сумматора подать некоторую совокупность сигналов   …, обладающих спектральными плотностями соответственно , , , …, то взвешенной сумме сигналов на выходе сумматора   будет соответствовать спектральная плотность:

,                                          (5.8)

где  – произвольные числовые коэффициенты. Для доказательства этого утверждения следует подставить сумму сигналов в формулу для прямого преобразования Фурье.

Спектральная плотность продифференцированного сигнала.

Пусть сигнал  и его спектральная плотность  заданы. Подадим сигнал на вход линейного устройства, осуществляющего дифференцирование сигнала. Сигнал на выходе дифференцирующего устройства  будет иметь вид:

,                                                                                            (5.9)

где  – константа преобразования.

Используя свойство преобразования Фурье, часто записываемое в виде:

,                                                                              (5.10)

где символом  обозначено прямое преобразование Фурье над функцией ,

получим:

                                                                                (5.11)

Итак, дифференцирование сигнала по времени эквивалентно алгебраической операции умножения спектральной плотности на множитель , часто называемым оператором дифференцирования в частотной области. Отметим, что при дифференцировании скорость изменения сигнала во времени возрастает, а сам сигнал укорачивается. Следовательно, модуль спектра производной имеет большие значения в области высоких частот по сравнению с модулем исходного сигнала.

Спектральная плотность сигнала на выходе интегратора.   Во многих измерительных системах находят применение так называемые интеграторы – преобразователи, выходной сигнал которых пропорционален интегралу от входного воздействия :

,  – константа преобразования.                              (5.12)

По аналогии с операцией дифференцирования нетрудно  найти формулу связи спектральных плотностей сигналов на входе и выходе интегратора:

.                                                                                       (5.13)

Так как модуль знаменателя растет линейно с увеличением частоты, это свидетельствует о том, что рассматриваемый интегратор действует подобно фильтру нижних частот, ослабляя высокочастотные спектральные составляющие входного сигнала.

Практическая ширина спектра сигнала.

Реальные сигналы всегда ограничены во времени, следовательно, их  амплитудный спектр теоретически неограничен. Однако реальные сигналы генерируются и передаются устройствами, содержащими инерционные элементы (например, емкости и индуктивности в электрических цепях и прочих  преобразователях). Поэтому они не могут содержать гармонических составляющих сколь угодно высоких частот.

В связи с этим возникает необходимость ввести в рассмотрение модели сигналов, обладающих как конечной длительностью, так и ограниченным спектром. При этом в соответствии с каким-либо критерием дополнительно ограничивается либо ширина спектра, либо длительность сигнала, либо оба параметра одновременно.

Чаще всего в качестве такого критерия используется энергетический критерий, согласно которому практическую ширину амплитудного спектра выбирают так, чтобы в нем была сосредоточена подавляющая часть энергии сигнала.  Для этого используют равенство Парсеваля, позволяющее определить энергию сигнала  либо через функцию, описывающую реальный сигнал длительностью ,  либо через модуль ее спектральной плотности :

.                                            (5.14)

Практическая ширина спектра сигнала, сосредоточенная в диапазоне частот от 0 до некоторого значения ,  определяется из соотношения:

.                                                                (5.15)

Здесь  – граничная частота, определяющая верхнее значение спектра сигнала;  – коэффициент, достаточно близкий к 1 (на практике его значение выбирают в интервале от 0.9 до 0,998 в зависимости от требований к качеству воспроизведения сигнала). Значение  означает, что в полосе частот от  до  содержится 99 % энергии сигнала. Значение граничной частоты находят, решая трансцендентное уравнение (5.15).

Практическая ширина спектра экспоненциального импульса.

Задача: определить граничную частоту спектра сигнала вида      

   ,                                                                                                 (5.16)

ориентируясь на практическую ширину спектра сигнала с

Принять следующие значения:  мВ,   1/сек.

Сигналы такого типа, называемые экспоненциальными видеоимпульсами, генерируются многими датчиками (например, полупроводниковыми детекторами при регистрации параметров ионизирующих излучений) . Условие  обеспечивает достаточно быстрое (экспоненциальное) уменьшение значений сигнала с ростом времени.

Спектральная плотность такого сигнала равна:

                                        (5.17)

Подставляя пределы, получаем:

   .                                                                                      (5.18)

Спектр амплитуд такого импульса равен:                                (5.19)

Трансцендентное уравнение, решение которого позволяет определить , имеет вид:

     .                                                            (5.20)

Так как      ,

получаем:  . Отсюда .

Практическую длительность подобных импульсов в измерительной технике обычно определяют из условия десятикратного уменьшения  уровня сигнала:

.  Отсюда .

PAGE  1


EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45565. Международные органы саморегулирования в области PR. Международные профессиональные кодексы 51 KB
  МЕЖДУНАРОДНАЯ АССОЦИАЦИЯ ПАБЛИК РИЛЕЙШНЗ ИПРА Концепция Международной ассоциации ПР появилась в ноябре 1949г. Международная ассоциация ПР ИПРА была создана в Лондоне 1 мая 1955 г. Тогда же был официально принят ее Устав и избран Совет ИПРА. Сегодня ИПРА является всемирной профессиональной организацией которая служит катализатором развития высоких норм в области образования этики практики ПР.
45566. Структурный анализ активов и пассивов предприятия деятельности на ООО «Кавказстройсервис» 553.5 KB
  Собственники анализируют финансовые отчеты с целью поиска путей повышения доходности капитала, обеспечения стабильности положения фирмы. Кредиторы и инвесторы анализируют финансовые отчеты, чтобы минимизировать свои риски по займам и вкладам.
45567. Проект расчёта электрической машины постоянного тока 2.03 MB
  Цель работы – изучить устройство и принцип действия, а также зависимости между физическими величинами и геометрией машины, связи между отдельными физическими величинами, спроектировав двигатель постоянного тока.
45568. История PR в России 30 KB
  История PR как профессионального вида деятельность четко отделяется от предыдущих этапов развития коммуникационных технологий поскольку PR рассматривается прежде всего как рыночная деятельность направленная на формирование дополнительных конкурентных преимуществ организации или института хотя определенные традиции управления организационными коммуникациями имеют место. Особенности развития PR в России: Неравномерность развития в центре и на периферии Неравномерность развития в различных сферах бизнесе политике сфере...
45569. Интеллектуальная собственность 53.5 KB
  Несоблюдение письменной формы договора как теперь специально указано в статьях 1334 и 1235 ГК РФ повлечет признание договора недействительным за исключением случаев когда сам Кодекс допускает возможность заключения договоров без соблюдения письменной формы как это установлено например для: 1 договора о предоставлении права использования произведения в периодической печати который может быть заключен устно пункт 2 статьи 1286 ГК РФ при этом данная норма не распространяет свое действие на электронные СМИ; 2 лицензионного договора о...
45570. Корпоративные кодексы: понятие, виды, методы создания и внедрения 39.5 KB
  Корпоративные кодексы: понятие виды методы создания и внедрения Ситуация в области трудовой морали и этики в современной России имеет сегодня свои особенности. При этом ни в коем случае нельзя сказать что формирование деловой этики начинается с нуля. Первые ростки на поле деловой этики в современной России стали пробиваться в 90х годах. Был принят ряд профессиональных этических кодексов среди которых следует упомянуть: Кодекс чести банкира 1992 Правила добросовестной деятельности членов профессиональной ассоциации участников фондового...
45571. Мероприятия для журналистов 36.5 KB
  Рассмотрим наиболее традиционные формы PRобщения в том числе брифинги приемы конференции прессконференции презентации дни открытых дверей круглые столы выставки и спецсобытия. Прессконференция является самой эффективной формой взаимодействия между компанией и журналистами так как последние получают информацию из первых рук PRспециалистов компании и ее менеджмента. В ней обязательно участвуют руководство или люди максимально компетентные в вопросе освещаемом на прессконференции. Прессконференцию проводят как правило в случае...
45572. Корпоративный сайт 37 KB
  Вот типовые блоки информации стандартного вебсайта: история организации; обращение к посетителям сайта первого лица организации; профиль деятельности услуги или продукция организации; новости из жизни организации; официальные прессрелизы публикации СМИ об организации; анонсы проводимых организацией мероприятий; часто задаваемые вопросы и ответы на них; конференции для посетителей; вопросы представителям руководителям организации; чаты страницы общения пользователей Сети; обратная связь. Дополнительные ресурсы:...
45573. Современные методы регионального ПР 36.5 KB
  Методы регионального ПР Имидж региона это реальный управленческий ресурс в существенной мере предопределяющий успешность политических экономических и социальных позиций региона. И такой мощный ресурс нужно использовать: перед руководством местных администраций встаёт реальная необходимость наладить грамотную работу PRслужб которая будет успешно реализовывать PRполитику региона. А для того чтобы результативно формировать и продвигать имидж региона и регионального лидера необходимо чтобы PRслужба подчинялась напрямую главе...