- •Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В.И. Ульянова (Ленина) (сПбГэту)
- •Реферат
- •Введение
- •Представление детерминированных и случайных сигналов в частотной области
- •Системы базисных функций
- •Комплексные экспоненциальные функции
- •Дискретное преобразование Фурье
- •Быстрое преобразование Фурье
- •Литература
Комплексные экспоненциальные функции
Многие формулы гармонического анализа записываются значительно проще и некоторые задачи решаются легче, если использовать в качестве элементарных функций не обычные действительные синусоиды, а экспоненциальные функции мнимого аргумента. Действительно, по формуле Эйлора:
Этой записи можно дать геометрическую трактовку, пользуясь представлением комплексных чисел в виде точек или векторов на плоскости.
Выражение представляет в данном случае вектор единичной длины, проведенный под углом к действительной оси.
При изменении времени t этот вектор, единичной длины, меняет положение, вращаясь в положительном направлении с угловой скоростью .
Изобразить синусоиду в форме, это значит представить ее суммой двух векторов, длина каждого из которых равна 1/2, расположенных в любой момент времени симметрично относительно действительной оси и вращающихся в разных направлениях с угловыми скоростями .
В момент t=0 они занимают положения под углами относительно действительной оси. Геометрическая сумма векторов всегда совпадает по направлению с действительной осью и представляет действительную функцию времени
При представлении косинусоиды в виде можно ограничиться одним вращающимся в положительном направлении вектором и представить косинусоиду его проекцией на действительную ось. В этом случае нет необходимости вводить отрицательные частоты. Длина вектора представляет амплитуду косинусоиды, а угол, образуемый им в данный момент с действительной осью, - полную фазу . Проекция этого вектора на мнимую ось равна , т.е. представляет ту же косинусоиду, сдвинутую по фазе на .
Многие сигналы в системах электросвязи можно представлять в виде: , т.е. как «квазигармоническую» функцию с переменными «амплитудой» и «начальной фазой». Такой сигнал можно интерпретировать геометрически как проекцию на действительную ось вращающегося вектора, но при этом изменяющего свою длину и угловую скорость.
Рассмотрим отрезок сигнала на некотором интервале времени 0<t<T.
Его можно представить на этом интервале рядом Фурье в экспоненциальной форме:
. |
|
Пользуясь геометрическим представлением синусоиды, можно представить сигнал S(t) в виде суммы вращающихся векторов, каждый из которых имеет вид:
. |
|
Векторы с индексами k>0 вращаются в положительном направлении, а с k<0 в отрицательном. Пара таких векторов с индексами k и –k образует одну действительную косинусоиду.
Поэтому предполагая среднее состояние сигнала нулевым (S0=0), косинусоида может быть представлена проекцией на действительную ось одного вектора, вращающегося в положительном направлении. В результате можно взять действительную часть суммы векторов, вращающихся только в положительном направлении, увеличив их величину вдвое:
. |
|
Ряд в правой части представляет собой комплексную функцию времени, которую обозначим и будем называть комплексным или аналитическим сигналом:
Его геометрическим представлением является вектор, образующийся при суммировании элементарных векторов Sk, k=1,2,… Так как элементарные векторы вращаются с разными угловыми скоростями , то их взаимная конфигурация со временем изменяется. Поэтому их векторная сумма представляет собой вектор с переменной длиной, вращающийся с переменной угловой скоростью.
Исходный сигнал является действительной частью аналитического сигнала.
В результате получим обычное разложение сигнала в ряд Фурье в тригонометрической форме.
Мнимая часть аналитического сигнала представляет собой некоторую функцию времени, однозначно определяемую исходным сигналом S(t).
Ее обозначают и называют сигналом, сопряженным по Гильберту с S(t):
Отсюда видно, что сопряженный сигнал можно получить из исходного, повернув начальные фазы всех его составляющих на –π/2 или, другими словами, заменив в ряде Фурье cos на sin, а sin на –cos.
Аналитический сигнал может быть выражен через реальный и сопряженный сигналы следующим образом:
. |
Исходя из этого, аналитический сигнал в момент времени t может быть представлен точкой на комплексной плоскости, если по оси абсцисс откладывать значения реального сигнала S(t), а по оси ординат - сопряженного с ним сигнала .