Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ртцис

.pdf
Скачиваний:
181
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
6 Мб
Скачать
☆

31

Умножим и разделим правую часть уравнения (1.53) на к пределу при ∆τ →0 :

 

 

∞

rect(t − n∆τ)

 

 

 

s(t) =

lim

∑ s(n∆τ)

 

∆τ .

∆τ

 

∆τ→0 n=−∞

 

 

∆τ и перейдем

(1.54)

Дискретный параметр n∆τ при изменении n в бесконечных пределах и ∆τ →0 преобразуется в непрерывный параметр τ . Малая длительность импульса ∆τ переходит в качественно новый параметр – бесконечно малое

приращение аргумента dτ .

rect(t − n∆τ)

 

lim

=δ(t −τ) .

∆τ

∆τ→0

 

Пределом суммы по дискретному аргументу n станет интеграл по непрерывному параметру τ :

 

∞

 

s(t) = ∫s(τ)δ (t −τ)dτ

 

−∞

или

(1.55)

 

∞

 

s(t) = ∫s(t −τ)δ (τ)dτ .

 

−∞

Получившееся интегральное преобразование (1.55) называется “сверткой”, для которой можно использовать формальное обозначение s(t) = s(t) δ(t) . Кроме того, преобразование (1.55) иллюстрирует фильт-

рующее свойство δ – функции. Интегральное преобразование (1.55) лежит в основе динамического представления сигнала s(t) с помощью δ – функций.

В выражении (1.55) заменим δ – функцию на производную от функции Хевисайда δ(t −τ) =σ′(t −τ) и, выполняя интегрирование по частям, найдем

∞∞

s(t) = ∫s(τ)σ′(t −τ)dτ =

∫s′(t −τ)σ(τ)dτ .

(1.56)

−∞

−∞

 

Выражение (1.56) так же, как и (1.55), является сверткой. В (1.56) “сворачиваются” сигнал s(t) с производной от функции Хевисайда либо производная от сигнала s′(t) с функцией Хевисайда:

s(t) = s(t) σ′(t) = s′(t) σ(t) .

На рисунке 1.16 имеется графическая иллюстрация интеграла свертки, анализ которой показывает, что верхний предел интегрирования целесооб-

32

разно заменить на текущий параметр t (полагая рования τ находится внутри параметра t , т.е.

t

s(t) = ∫s′(τ)σ(t −τ)dτ .

−∞

t → ∞). Параметр интегри-

(1.57)

На рисунке 1.17 показано динамическое представление одностороннего (с разрывом в начале координат) сигнала взвешенной суммой функций Хевисайда, смещенных друг относительно друга на интервал времени n∆τ :

N → ∞

 

scm (t ) = ∑C nσ (t − n∆τ ) .

(1.58)

n =0

 

Весовой коэффициент Cn зависит от скорости изменения сигнала в момент времени t = n∆τ . Величина скачка прямо пропорциональна прира-

щению сигнала∆sn в точке t = n∆τ , т.е.

 

 

Cn = ∆sn = s′(n∆τ)∆τ ,

 

 

scm(t) =∆s0σ(t) +∆s1σ(t −∆τ) +...+∆sNσ(t −N∆τ) =

(1.59)

N →∞

 

 

= ∆s0σ(t) + ∑∆snσ(t − n∆τ) .

 

 

n=1

 

 

Переходя к пределу при ∆τ →0 , получим

 

 

t

 

 

s(t) = s(0)σ(t) + ∫s′(τ)σ(t −τ)dτ .

 

(1.60)

0

 

 

Разрыв в начале координат обозначен как

∆s0 илиs(0).

Выражение

(1.60) называют динамическим представлением

сигнала s(t)

с помощью

функций Хевисайда.

Суть динамического представления заключается в приближённом описании реального сигнала s(t) суммой некоторых элементарных сигналов,

возникающих в последовательные моменты времени. Точное представление исходного сигнала получается в пределе, если длительность отдельных элементарных сигналов стремится к нулю. Динамическое представление подчёркивает развивающийся во времени характер процесса.

 

 

 

33

 

s/ (τ)

 

 

s(t)

s(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

scm(t)

 

0

 

τ

 

 

σ(−τ)

 

 

 

0

 

τ

 

 

 

σ(t −τ)

 

 

 

0

t

τ

0

t

Рисунок 1.16 − Графическое

Рисунок 1.17 − Динамическое пред-

ставление интеграла свертки

представление

одностороннего

 

 

 

сигнала функциями Хевисайда

1.6 Выводы

Основные операции, которым могут подвергаються сигналы на первом этапе анализа, являются:

а) перемещение во времени; б) интегрирование; в) дифференцирование;

г) взвешенное суммирование; д) определение мгновенного значения;

е) анализ энергии взаимодействия как основной способ сравнения сигналов между собой.

Наиболее универсальными объектами для сравнения в настоящее время являются δ – функция и единичный скачок, которые, как было показано, легко поддаются всем видам преобразований.

Качество аналитического представления произвольного сигнала взвешенной суммой ортогональных элементарных функций зависит от характеристик полного ортогонального набора функций.

34

2 ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

2.1 Периодические сигналы и их свойства

В теории и практике радиотехники и радиоэлектроники часто встречаются процессы, которые могут рассматриваться как периодические.

Сигнал s(t ) называется периодическим, если выполняется тождество

s(t )= s(t +T )= s(t + 2T )=... = s(t + kT ),

(2.1)

где T − период; k − любое целое число, положительное или отрицательное; аргумент t меняется в бесконечных пределах.

Периодический сигнал s(t ) с периодом T обладает свойством, состоящим в том, что интеграл от него, взятый на интервале длиной T , не меняется при изменении пределов интегрирования, а именно:

t1

+T

t2 +T

T

T 2

 

 

∫s(t )dt =

∫s(t )dt = ∫s(t )dt =

∫s(t )dt .

(2.2)

 

t1

t2

0

−T 2

 

Периодический сигнал s(t ),

пример которого изображен на рисунке

2.1, может быть представлен бесконечной суммой непериодических сигналов sT (t ), сдвинутых друг относительно друга по закону

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

s(t )

= ∑sT (t + kT ),

 

(2.3)

 

 

 

 

k =−∞

 

 

 

где sT (t ) − описание периодического сигнала в пределах периода T .

 

 

 

s(t )

 

 

sT (t )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sT (t +T )

 

 

sT (t −T )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

t1

 

t1 +T

t

 

 

 

 

Рисунок 2.1 − Периодический сигнал s(t )

Следует помнить, что бесконечной повторяемости явлений в строгом смысле, определяемом выражением (2.1), не существует в действительности. Таким образом, периодические сигналы являются полезной абстракцией, используемой при решении практических задач.

35

2.2 Гармонические колебания (гармоники)

Примером простейшего периодического сигнала является гармонический колебательный процесс

 

s

(t)= A

cos(ω t +ϕ )

= A

cosω (t + t

)= A cos

2π

(t + t ).

(2.4)

 

 

 

1

1

1

1

1

1

1

1

T

1

 

 

Сигнал s1(t), описываемый тригонометрической функцией, часто назы-

вают гармоникой с амплитудой

A1, угловой частотой ω1, фазой колебания

ω t +ϕ , начальной фазой

ϕ

и периодом

T =

2π

.

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

1

 

 

 

 

ω1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание. В математической модели (2.4) знак начальной фазы заключен внутрь символа ϕ1. Таким образом, при ϕ1 > 0 косинусоидальное

колебание смещается влево от нуля, а при ϕ1 < 0 косинусоидальное

колебание смещается вправо от нуля.

Для графического отображения гармонического колебания используют либо временное (рисунок 2.2) либо частотное (рисунок 2.3) представление. Оба представления позволяют однозначно описать гармоническое колебание.

s1(t)

A1

0

t

t1

T1

 

 

A1

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

ω1t

 

ϕ1

2π

{An}

 

 

 

 

A1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

ω1

ω

{ϕn}

 

 

 

 

ϕ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

ω1

ω

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 − Временная модель

Рисунок 2.3 − Спектральная модель

гармонического колебания

гармонического колебания

Временным представлением называется отображение гармонического сигнала функцией времени. Спектральным представлением (спектральными диаграммами) называется изображение амплитуд (и фаз) гармонических колебаний в виде отрезков прямых, расположенных на частотной оси в определенных точках. На рисунке 2.3 показано спектральное представление одной гармоники.

36

Среднее значение гармонического сигнала на периоде T равно нулю

 

 

t

+T

 

 

1

1

∫A1 cos(ω1t +ϕ1 )dt = 0 .

(2.5)

T

 

 

 

t

 

 

 

 

1

 

Гармоническое колебание s1(t) с произвольной начальной фазой (коле-

бание общего вида) можно представить суммой косинусоидальной (четной во времени) и синусоидальной (нечетной во времени) тригонометрических составляющих с определенными весовыми коэффициентами.

s(t)= A1 cos(ω1t +ϕ1 )= A1 cosϕ1 cosω1t − A1 sinϕ1 sinω1t =

(2.6)

= a1 cosω1t + b1 sinω1t.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициенты пропорциональности a1, b1 связаны с амплитудой A1 и

начальной фазой ϕ1 следующими соотношениями:

 

 

 

a

= A cosϕ

 

A

=

a2 + b2

 

 

1

 

1

1

 

(2.7)

1

1

1

 

,

= −arctg

b

.

b1 = −A1sinϕ1

ϕ

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

a1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Векторное и комплексное представления гармонического колебания

Любому гармоническому колебанию можно поставить в соответствие вектор (на декартовой плоскости с координатами XY ), вращающийся против часовой стрелки со скоростью ω1 (рисунок 2.4 а).

 

Y

 

A

t =T

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

A1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

A cos(ω

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

( 1

 

 

 

T

4)

ω

 

 

 

4

+ϕ

а)

 

 

 

 

1

б)

 

 

1

1

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

+ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

ϕ1

A

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t = 0

1

 

 

 

 

 

 

A1 cosϕ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 − Векторное представление гармоники

Мгновенное значение s1(t) гармонического колебания получают, спроектировав вращающийся вектор с амплитудой A1 на ось абсцисс (рису-

нок 2.4 б).

37

Для многочисленных приложений удобно представление гармонического колебания в комплексной плоскости (по формуле Эйлера) сигналом Z&(t)

&

(t)

=

ω

+ϕ

1 )

+

 

 

ω

1t

+ϕ

1 )

=

A1e

j(ω1t +ϕ1 ) = &

jω1t

,

(2.8)

Z

 

A1 cos( 1t

 

 

jA1 sin(

 

 

 

A1e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

A&1 = A1e jϕ1 .

 

 

 

 

 

(2.9)

 

В выражении (2.9) комплексный множитель A&

называют комплексной

амплитудой, причем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

 

A&

 

, ϕ

= arg A& .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Комплексную функцию e jω1t

 

называют комплексным вектором вра-

щения (рисунок 2.5 а).

 

 

 

 

s1(t)

можно представить полусуммой ком-

 

Гармоническое колебание

 

плексно-сопряженных сигналов Z&(t) и Z& (t)

s1(t )= A1 cos(ω1t +ϕ1 )= A21 [e j(ω1t +ϕ1 ) + e− j(ω1t +ϕ1 )]=C&1e jω1t + C&−1e− jω1t , (2.10)

где C&1(C&−1)− комплексно-сопряженные коэффициенты;

e jω1t (e− jω1t )− комплексные векторы со встречным направлением вращения (рисунок 2.5 б).

 

 

jY

 

 

 

 

 

jY

 

 

 

C&−1

 

ω1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

b1

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

а)

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

ϕ1

X

 

0

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− j

b1

 

 

 

 

C&

 

 

ω1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

− jb1

A&

ω1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.5 − Векторное представление гармонического колебания

 

 

 

в комплексной плоскости с координатами X , jY

 

 

 

 

Комплексно-сопряженные коэффициенты

 

C&

и C&

−1

связаны с весовы-

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

ми коэффициентами a1 и b1 следующими соотношениями:

38

C&

 

= 1

A e jϕ1

=

1 A

(cosϕ

+

j sinϕ )=

1 (a

 

− jb )

 

 

1

 

2

 

1

 

2

1

1

 

1

2

1

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

.

(2.11)

 

 

 

 

A e− jϕ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C&

−1

=

=

A

(cosϕ

− j sinϕ

)=

(a

+ jb

)

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

2

1

 

1

1

 

2

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, описание гармонического колебания можно выполнить разными способами:

s (t)

= A

cos(ω t +ϕ

1

)= a

cosω t + b

sinω t =C&

e jω1t + C&

e− jω1t =

1

 

 

 

1

1

 

1

1 1

1

1

 

−1

= 2

 

C&

 

cos(ω t + argC&

),

 

 

 

 

(2.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

где A1 = 2 C&1 , ϕ1 = argC&1 = −argC&−1.

Тригонометрической и комплексной моделям сигнала соответствуют два способа спектрального представления, изображенные на рисунках 2.6 и 2.7.

 

{A }

 

 

 

 

 

A1

 

 

 

 

 

 

 

{C

n

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C−1

 

 

 

 

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

ω1

ω

 

−ω

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

ω

 

{ϕn}

 

 

 

 

 

ϕ1

 

 

 

 

 

 

 

{ϕn}

 

 

 

ϕ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−ω1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

ω1

ω

 

−ω

 

 

 

 

−ϕ1

 

0

ω1 ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.6 − Спектр гармоники

 

Рисунок 2.7 − Спектр гармоники

с тригонометрической формой записи

 

с комплексной формой записи

Замечание. Положительные и отрицательные частоты (рисунок 2.7) позволяют отобразить встречные направления вращения комплексных векто-

ров e± jω1t (рисунок 2.5 б).

2.4 Сложение гармонических колебаний

При сложении двух и более гармоник с одинаковой частотой получают гармоническое колебание с той же самой частотой, но другими амплитудой и начальной фазой (рисунок 2.8).

 

39

 

A1 cos(ω1t +ϕ1 )

а)

t

0

t1

 

 

b1 sinω1t

б)

t

0

 

a1 cosω1t

в)

t

0

Рисунок 2.8 − Графическое представление гармонического сигнала общего вида (а), его нечетной (б) и четной (в) составляющих

Гармонический сигнал sn (t) с амплитудой An ,частотой nω1,начальной фазой ϕn называют высшей гармоникой ( n = 2,4,5...)

sn (t)= An cos(nω1t +ϕn ).

(2.13)

Сложение гармоник с кратными частотами ω1, 2ω1, 3ω1, амплитудами A1, A2 , A3 и начальными фазами ϕ1, ϕ2 , ϕ3 приводит к образованию периодического сигнала сложной формы sΣ(t) с периодом T , равным периоду первой гармоники с частотой ω1. Поэтому

sΣ(t)= s1(t)+ s2

(t)+ s3

(t)=

(2.14)

= A1 cos(ω1t +ϕ1 )+ A2 cos(2ω1t +ϕ2 )+ A3 cos(3ω1t +ϕ3 ).

 

Каждое из слагаемых s1(t), s2 (t), s3(t) характеризует отдельное гармоническое колебание, однако график функции sΣ(t) не является гармониче-

ским.

На рисунках 2.9 и 2.10 приведены временное и спектральное представления периодического сигнала сложной формы sΣ(t).

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

s(t)

A1 cos(ω1t +ϕ1 )

{An}

A1

A

 

 

ω

2t

+ϕ

2 )

 

 

 

A2 cos(

 

 

 

 

 

2

 

 

A cos(ω t +ϕ

3

)

 

 

 

A3

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

ω1

2ω1

3ω1

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

{ϕn}

 

ϕ

ϕ3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

ω1

2ω1

3ω1

ω

Рисунок 2.9 − Сложение гармоник

 

 

 

 

Рисунок 2.10 − Спектральное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

представление

 

Амплитудным спектром называется совокупность амплитуд {An} гар-

монических колебаний, изображенная в виде отрезков прямых вдоль частотной оси в точках, кратных частоте первой гармоники.

Сложение гармоник только в том случае не приведет к получению периодической функции основного периода первой гармоники T , если частоты высших гармоник находятся на иррациональном отношении (несоизмеримы).

2.5 Энергетические характеристики гармонических колебаний

Если гармоническое колебание sn (t) представляет собой ток или на-

пряжение, то квадрат сигнала sn2 (t) численно равен мгновенной мощности pn (t), выделяющейся на сопротивлении 1 Ом:

pn (t) = sn2(t) .

Энергия n-го гармонического колебания на периоде T = 2π ω1 равна:

 

t1

+T

t1

+T

 

 

 

Эn =

 

∫

sn2 (t )dt =

∫An2 cos2 (nω1t +ϕn )dt =

 

 

 

t1

 

 

t1

 

 

 

t1 +T A2

[1 + cos 2(nω1t +ϕn )]dt =

A2

 

= ∫

 

n

n

 

 

 

T.

(2.15)

2

2

t1

 

 

 

 

 

 

 

 

В выражении

 

(2.15)

интеграл от

гармонической

функции

cos(2nω1t + 2ϕn ), согласно (2.5), равен нулю, т.к. в интервале интегрирования