- •Вопрос 1
- •Вопрос 2 Ряд Фурье в комплексной форме.
- •Вопрос 3 Спектр непериодического сигнала
- •Вопрос 6 Спектр произведения сигналов
- •Вопрос7Равенство Парсеваля
- •Вопрос 8 Гильбертово пространство
- •Вопрос 9 акф
- •Вопрос 10 Узкополосный сигнал
- •Вопрос 12 дпф
- •Вопрос 11 Аналитический сигнал
- •Вопрос 13 бпф
- •Вопрос 14 z-преобразование
- •Вопрос 15 Случайные процессы.
- •Вопрос16 Моментные функции случайных процессов
- •Вопрос17 Стационарные и эргодические случ.Процессы.
- •Вопрос 18
- •Вопрос 19 Узкополосные случайные сигналы
- •Вопрос 20 Закон Рэлея
- •Вопрос 21 Закон Райса
- •Вопрос 24 Функции Уолша
Вопрос 3 Спектр непериодического сигнала
Для спектрального представления непериодических сигналов вводится понятие спектральной плотности.
Спектральная плотность – это комплексно-значная функция частоты, одновременно несущая информацию, как об амплитуде, так и о фазе элементарных синусоид.
Спектральная плотность и сигнал связаны между собой парой преобразований Фурье:
![]()

(2.9)


(2.10Поскольку для представления спектров непериодических сигналов используются интегральные преобразования Фурье, эти спектры сплошные.
Спектральная плотность может быть представлена в виде:
![]()
Вещественная часть спектральной плотности есть чётная функция частоты:
![]()
Мнимая часть спектральной плотности есть нечётная функция частоты:
![]()
Если записать спектральную плотность в показательной форме, то можно выделить её модуль и аргумент:
![]()
Модуль спектральной плотности называется амплитудным спектром сигнала:
![]()
а аргумент спектральной плотности – фазовым спектром сигнала.
![]()
Пара преобразований Фурье имеет фундаментальное значение в теории электросвязи, так как многие характеристики сигналов связаны между собой этими преобразованиями.
Все свойства спектральной плотности объединены в основных теоремах о спектрах.
Вопрос 6 Спектр произведения сигналов
Теорема о свёртке.
Как известно, при суммировании сигналов их спектры складываются. Однако спектр произведения сигналов не равен произведению спектров, а выражается некоторым специальным интегральным соотношением между спектрами сомножителей.
Пусть
и
-
два сигнала, для которых известны
соответствия
,
.Образуем
произведение этих сигналов:
и вычислим его спектральную плотность.
По общему правилу:
(2.18)
Применив
обратное преобразование Фурье, выразим
сигнал
через его спектральную плотность и
подставим результат в (2.18):
![]()
![]()
Изменив порядок интегрирования, будем иметь:
откуда:
(2.19)
Интеграл, стоящий в правой части называют свёрткой функций V и U. Символически операция свёртки обозначается как *
![]()
Таким образом, спектральная плотность произведения двух сигналов с точностью до постоянного числового множителя равна свёртке спектральных плотностей сомножителей:
(2.20)
Операция свёртки коммутативна, т.е. допускает изменения порядка следования преобразуемых функций:
![]()
Теорема
о свёртке может быть обращена: если
спектральная плотность некоторого
сигнала представляется в виде произведения
,
причём
и
,
то сигнал
является свёрткой сигналов
и
,
но уже не в частной , а во временной
области:
![]()
(2.21)
Вопрос7Равенство Парсеваля
Пусть
имеется два вещественных сигнала U(t) и
V(t).
Назовём взаимным энергетическим спектром
двух вещественных сигналов функцию
(4.1)
такую что:
(4.2)
причём:
(4.3)
Взаимный
энергетический спектр
- функция, принимающая в общем случае,
комплексные значения:
(4.4)
где
- чётная, а
нечётная функция частоты. Вклад в
интеграл даёт только вещественная
часть, поэтому:
(4.5)
Последняя формула даёт возможность проанализировать взаимосвязь сигналов. Более того формула (4.5) указывает путь, позволяющий уменьшить связи между двумя сигналами, добившись в пределе их ортогональности. Для этого один из сигналов нужно подвергнуть обработке частотным фильтром. К этому фильтру предъявляется требование не пропускать на выход спектральные составляющие, находящиеся в пределах частотного интервала, где вещественная часть взаимного энергетического спектра велика. Частотная зависимость к-та передачи такого сигнала ортогонализирующего фильтра будет обладать резко выраженным минимумом в пределах указанной области частот.

Если в формуле (4.1) сигналы U(t) и V(t) считать одинаковыми то эта формула приобретает вид:
![]()
(4.6)
Величина
носит название спектральной плотности
энергии сигналаU(t)
или, короче, его энергетического спектра.
Формула равенства Парсеваля при этом
запишется так:
(4.7)
Подход, основанный на спектральном представлении энергии сигнала, выгодно отличается относительной простотой. Энергии, отвечающие различным областям частотной оси, складываются так же, как вещественные числа. Однако, изучая сигнал с помощью его энергетического спектра, мы неизбежно теряем информацию, которая заключается в фазовом спектре сигнала, поскольку в соответствии с формулой (4.6) энергетический спектр есть квадрат модуля спектральной плотности и не зависит от её фазы. Однако понятие энергетического спектра широко применяется для инженерных оценок, устанавливающих ширину спектра сигнала и копи:
Рассмотрим
некоторый сигнал,
,
разложенный в ряд по ортонормированной
базисной системе и вычислим его энергию,
непосредственно подставив этот ряд в
соответствующий интеграл:
(1.13)
Поскольку
базисная система функций ортонормирована,
в сумме (1.13) отличными от нуля окажутся
только члены с номерами
.
Отсюда получается замечательный
результат, который называется равенством
Парсеваля:
(1.14)
Смысл этой формулы: энергия сигнала есть сумма энергий всех компонент, из которых складывается обобщённый ряд Фурье.
Для
того чтобы выяснить физический смысл
дисперсии, положим в (6.24)
Тогда поскольку
,
получаем
(6.26)
Следует
подчеркнуть различие между энергетическим
спектром
детерминированного импульсного сигналаu(t)
и спектральной плотностью мощности
стационарного случайного процессаX(t).
Функция
характеризует меру энергии, приходящуюся
на единичную полосу частот. В отличие
от этого функция
характеризует удельную меру мощности.
Этот факт находит отражение и в разных
физических размерностях данных функций.
Свойства спектральной плотности мощности
1)
По своему физическому смыслу спектр
мощности вещественен и неотрицателен:
![]()
Необходимо указать, что спектральная плотность мощности стационарного случайного процесса, будучи всегда вещественной, не содержит никакой информации о фазовых соотношениях между отдельными спектральными составляющими. Поэтому по спектру мощности принципиально невозможно восстановить какую либо отдельно взятую реализацию случайного процесса.
2)
Поскольку
чётная функция аргумента
,
то соответствующий спектр мощности
представляет собой чётную функцию
частоты
.
Отсюда следует, что пару преобразований
Фурье (6.25), (6.26) можно записать, используя
лишь интегралы в полубесконечных
пределах:
(6.27)
(6.28)
