69036

Физические и математические модели периодических сигналов. Временное и спектральное представление

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Физические и математические модели периодических сигналов. Физические модели периодических сигналов. Математические модели периодических сигналов. Спектральное представление периодических сигналов.

Русский

2014-09-29

166 KB

9 чел.

Практическое занятие 2.4

Тема 2. Физические и математические модели периодических сигналов. Временное и спектральное представление.

1. Физические модели периодических сигналов.

2. Математические модели периодических сигналов.

Спектральное представление периодических сигналов.

/1/, с 44-48

/4/, с 31-38


Учебные вопросы.

Физические модели периодических сигналов.

Периодические сигналы, введенные соотношение (2.3.1) на бесконечной оси времени в реальной природе не могут существовать. Физической моделью таких сигналов является повторяющийся по форме сигналы достаточной продолжительности наблюдения.

Источниками таких сигналов являются, прежде всего, генераторы:

гармонических колебаний;

импульсов (видео- и радиоимпульсов);

релаксационных колебаний;

Органы управления этих генераторов допускают управление всеми теми параметрами сигналов, которые были описаны в лекции 2.3.

Интересующий нас больше других гармонический сигнал можно наблюдать, однако, и без использования генератора, для этого достаточно наблюдать колебания, имеющие место в колебательном контуре простейшей конструкции. (рис 2.4.1).

Самым любопытным свойством данной конструкции является то, что форма выходных колебаний  практически не зависит от формы входного воздействия : как только контуру сообщается какая либо внешняя энергия, в нем возникают периодические колебания напряжения (тока), гармонической формы, с частотой , называемой частотой резонанса.

Строгий анализ свойств линейного четырехполюсника подобного типа будет проведен в курсе ЛРТУ. Сейчас же нам важно уяснить, что колебательный контур является базовым линейным элементом любого из современных (и многих-многих поколений предыдущих) радиотехнических устройств: фильтров, нагрузок усилителей, генераторов и т. д.

Именно по этому возникла задача спектрального (гармонического) анализа сигналов: колебательный контур является материальный носителем гармонического отклика.

И наоборот, те устройства, которые не являются носителями гармонического отклика (например, цифровые, дискретные устройства) абсолютно не требуют привлечения спектральных параметров сигнала для обеспечения и описания своей работы.

Таким образом, математический аппарат спектральной теории сигналов вызван к жизни свойствами физических устройств. Вне свойств реальных устройств этого аппарат бесполезен.

Определение 2(спектра)

Спектром данного сигнала назовем ту область частот, в которой данный сигнал вызывает гармонические отклики при воздействии на материальные носители гармонических откликов.

2. Математические модели периодических сигналов.

В предыдущем изложении (Лекция 2.3) были рассмотрены сигналы вида, представленного на рисунке 2.3.2. 2.3.3 (видео- или радиоимпульсные последовательности)

3. Спектральное представление периодических сигналов.

3.1 Математические основы спектральной теории периодических сигналов.

По своему смыслу задача отображения  сигнала  в спектральной области сводится к задаче представления этого сигнала в виде совокупности гармонических откликов , где — гармоническая функция,  амплитуда гармонического колебания :

(2.4.1)

В математике такая задача известна как задача разложения  произвольной (кусочно непрерывной по Дирихле) функции  по заданной системе ортогональных на отрезке  функций .

Система функций называется ортогональной на отрезке , если  при    (2.4.2)

и для любого  

,

где — норма функции .

Доказано, что для ряда (2.4.1) коэффициенты  определяются с помощью соотношения  то при любом заданном числе слагаемых ряд (2.4.1) наилучшим образом (с минимальной ошибкой) представляет сигнал  по сравнению с другими способами поиска

Ряд (2.4.1) называется обобщенным радом Фурье.

К счастью, гармонические колебания образуют ортогональную систему функций:

где  — период периодической функции , при чем интервал ортогональности .

Косинусные и синусные коэффициенты определяются по формулам:

 

Тогда ряд вида (2.4.1) можно представить ,

где ,

Часто используют вместо (2.4.8) запись ,

где ,

По своему математическому смыслу запись (2.4.8) означает, что временная периодическая функция  может быть представлена в виде бесконечного множества гармонических функций с амплитудами , частотами, кратными , и начальными фазами .

По своему физическому смыслу запись (2.4.8) означает, что непериодический сигнал , воздействуя на бесконечное множество материальных носителей гармонического отклика (контуров и т. д.) вызовет отклик лишь в тех из них, собственная резонансная частота колебаний которых  кратна частоте , амплитуд (интенсивность) отклика будет пропорциональна коэффициентам , а начальная фаза возникших гармонических откликов будет соответствовать .

Определение 3 (спектра).

Спектр сигнала — это прогноз реакции множества материальных носителей гармонического отклика на воздействия конкретной временной формы в виде данного сигнала.

Из соотношения (2.4.8) следует, важнейшее свойство спектров периодических сигналов.

Спектры периодических сигналов любой формы являются линейчатыми, то есть не сплошными! (рис. 2.4.2)

Пример. Спектр периодического ЧМ колебания. Спектр колебаний генератора гармоник.

3.2. Примеры спектрального представления периодических колебаний.

последовательность униполярных видеоимпульсов. (рис. 2.3.2) 

 

В итоге (рис. 2.4.3) Важная закономерность

интервал между составляющими линейчатого спектра по оси частот  определятся периодом ;

“нули” огибающей определяются длительностью импульса .

Меандр.          Меандр — это двухполярная последовательность видеоимпульсов, с  (посылки равной длительности). Для этого сигнала (рис 2.4.4)

Последовательность радиоимпульсов (рис.2.3.3)

В отличии от спектра последовательности аналогичных видеоимпульсов, начинающегося с частоты , спектр последовательности радиоимпульсов симметричен относительно частоты . Коэффициенты гармонических составляющих спектра совпадают с коэффициентами  видеопоследовательности (рис. 2.4.5).

3.3 Понятие о реальном спектре.

Во-первых, из выражения (2.4.8) и последующих примеров следует, что спектр периодических сигналов  содержит бесконечное множество составляющих, т. е. он бесконечен по оси частот. Очевидно, любой реальный сигнал занимает ограничений частотный ресурс.

Действительно, полная мощность сигнала равна сумме средних мощностей, содержащихся в каждой составляющей спектра:

В сумме (2.4.15) заключена огромная энергия. Для определения реального спектра ограничиваются таким числом составляющих, после которых энергия гармонических компонент составляет не более 5% от максимальной. (для последовательности импульсов в ряде случаев достаточно взять всего лишь 3 составляющие).

Во-первых, при условии, что реально “чисто гармонических” колебаний не существует, возникает вопрос: а что же реально существует?

Реально существует отклик конкретной линейной системы на конкретное временное воздействие (сигнал).

Если в модели гармоническое колебание длится бесконечно, то реальный отклик продолжается в зависимости от качества (добротности) колебательной системы и внешнего воздействия.

Многолетняя практика показала высокую точность прогноза реального спектра при использовании математических моделей по теории Фурье.

Выводы.

Ряды Фурье с достаточной для практики точностью позволяют моделировать периодические сигналы в спектральной области.

Кроме определения частотного ресурса сигнала, спектральный метод является удобным инструментом анализа сигналов, проходящих через линейные устройства. В этом случаи имеется возможность (на основе принципа суперпозиции) заменить анализ сигала сложной формы, анализом прохождения через линейную цепь отдельных гармонических составляющих, не манящих свою частоту, а только амплитуду и фазу.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54341. Культура Европы в XX - начале XXI вв.: противоречия и проблемы 28.21 KB
  Таким образом процесс подготовки и проведения такого учебного занятия как комбинированный урок увлекает студентов активизирует их достаточно свободно пользоваться простыми языковыми средствами в основных видах речевой деятельности: говорении аудировании чтении и письме. ФГОУ СПО Чебоксарский техникум строительства и городского хозяйства МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ЗАНЯТИЯ Дисциплина: Английский язык Группа: С41 Преподаватель: Бутакова Л. Тема занятия: Строительство зданий и сооружений Тип и вид занятия: комбинированный Цели занятия...
54342. Методические основы использования прикладного ПО на уроках в школе 111.5 KB
  Деление на группы производят либо по способностям либо случайным образом например по партам или по алфавиту. В этом случае как правило формируются разно уровневые группы в которых быстро определяются лидеры и аутсайдеры. Гузеев предложил различать группы выравнивания поддержки и развития. Группы выравнивания состоят из учащихся с различной успеваемостью и ориентированы на достижение всех ее участников обязательного уровня образования; группы поддержки однородны по успеваемости; в группах развития ученики более высокого уровня...
54343. Дмитриу Донской. Куликовская битва 83 KB
  Что позволило Дмитрию Ивановичу открыто выступить против монголотатар и разгромить их 12 октября 1350 года у московского удельного князя Ивана родился сын которого окрестили Дмитрием. Дмитрия Московского сумели получить для своего князя ярлык. Разведка великого князя донесла что Мамай собрав войско уже три недели ждал на Дону Ягайло Литовского.
54344. Сучасний урок - джерело творчості вчителя 2.78 MB
  €œТестові завдання з геометрії. клас із використанням тестуючого комплексу MIFTests. Кожен вчитель є справжнім керівником дитячого колективу діти визнають своїх педагогів за лідерів та активно співпрацюють із ними а це означає: вчитель має власний педагогічний імідж свій особливий педагогічний почерк він – конкурентоспроможний компетентний фахівець. МАТЕМАТИКА ТА ІТК У сучасному світі потреба в комп’ютерних технологіях постійно зростає – вони необхідні і вдома і на робочому місці. Систематичне використання...
54345. Комплекс игр и упражнений «Биоэнергопластика» в коррекционной работе с детьми-логопатами 717 KB
  Поражение верхней височной извилины приводит к тому что человек слышит слова но не понимает их смысла так как в зоне Вернике как в своеобразной картотеке хранятся все усвоенные человеком слова точнее их звуковые образы и он всю жизнь пользуется этой картотекой. Если произошло поражение этой зоны то хранящиеся там звуковые образы слов распадаются человек перестает понимать слова. При нормальном слухе он остается глухим к словам. Действительно левое полушарие отвечает: за движение правых конечностей и обеих рук за...
54346. Урок русского языка и литературного чтения 352 KB
  Планируемые результаты учебного предмета Русский язык общие на 4 года обучения Личностными результатами изучения русского языка в начальной школе являются: осознание языка как основного средства человеческого общения; восприятие русского языка как явление национальной культуры; понимание того что правильная устная и письменная речь является показателем индивидуальной культуры человека; способность к самооценке на основе наблюдения за собственной речью; способность к итоговому и пооперационному самоконтролю; ...
54347. Етапи розвязування задач за допомогою компютера 1.3 MB
  Для розвязання цих задач компютер озброєний найрізноманітнішим програмним забезпеченням, яке поділяється на чотири великих категорії: операційні системи, системні утиліти, системи програмування, прикладне програмне забезпечення.
54348. Інформаційно-комп’ютерні технології на уроках географії та природознавства 83.5 KB
  Вчителями природознавства опановано такі теми: Створення слайдових презентацій у середовищі програми MS Power Point Пошук та завантаження текстової звукової та відеоінформації з Інтернету Створення потокових презентацій відео кліпів у середовищі програми Movie Mker Створення та обробка графічної інформації засобами растрового графічного редактора dobe Photoshop. № п п Термін Тема заняття 1 Вересень Створення слайдових презентацій у середовищі програми MS Power Point. 3 Лютий Створення потокових презентацій відео кліпів у...
54349. Методика вивчення дробових чисел за курсом Математика у 5-6 класах 334 KB
  Організація самостійної діяльності учнів при вивченні дій ззвичайними дробами. ВСТУП Характеристика обовязкових результатів навчальних досягнень при вивченні дробових чисел Основною метою курсу математики 5-6 класів вважається: систематичний розвиток понять числа та вироблення вмінь усно та письмово робити арифметичні операції над числами формувати вміння переводити практичні задачі на мову математики підготовка учнів до вивчення курсів Алгебра€ та Геометрія€. Форми організації усного рахунку Добре розвинені у учнів навики усної...