10

Сигналы и линейные системы

Signals and linear systems

Тема 3. Динамическая форма отображения сигналов

Вовсе не безразлично, каким образом следует разрезать курицу или зайца.

Децим Юний Ювенал. Сатиры. Римский поэт, I-II в.

Римлянин с высшим образованием не мог себе позволить без соответствующего философского обоснования потрошить курицу, а тем более зайца. Но лично меня всегда больше интересует, что я с этого буду иметь.

Владимир Бакаев. Комментарии. Уральский геофизик, XX-XXI в.

Содержание

1. Разложение сигналов по единичным импульсам. Единичные импульсы. Разложение сигнала. Импульсный отклик линейной системы.

2. Интеграл Дюамеля.

3. Свертка (конволюция) сигналов. Интеграл свертки. Техника выполнения свертки. Свойства свертки. Системы свертки. Начальные условия свертки.

Введение

Можно выделить два основных метода анализа переходных процессов, возникающих при прохождения сигналов через линейные инвариантные во времени системы (ЛИВС):

1. Спектральный метод (преобразование Фурье или Лапласа), использующий частотную форму представления сигналов.

2. Суперпозиционный метод, основанный на динамическом представлении сигнала как суперпозиции элементарных импульсов некоторой «стандартной» формы.

Динамическая форма представления сигналов соответствует естественному и привычному для нас математическому описанию в виде функций независимых переменных (аргументов) в реальном (текущем) масштабе времени. Динамические модели сигналов позволяют определять текущие значения сигналов в любых системах по заданным априори математическим функциям описания физических процессов в реальных физических системах или системных операций в программных системах. Достоинством динамических моделей является их универсальность. Основные математические инструменты реализации - дифференциальные уравнения и интеграл Дюамеля, для цифровых сигналов - разностные уравнения и операция свертки.

Основной задачей динамической модели является математическое описание реакции системы (выходного сигнала системы) на определенное входное воздействие (входной сигнал). Моделирование и анализ линейных стационарных систем обработки сигналов произвольной формы в динамическом представлении базируется на разложении сигналов по единичным импульсам простейшей формы.

3.1. Разложение сигналов по единичным импульсам [1, 11].

Единичные импульсы. В качестве математической модели единичного импульса при анализе аналоговых сигналов используют дельта-функцию.

Дельта-функция или функция Дирака. По определению, дельта-функция описывается следующими математическими выражениями (в совокупности):

(t-) = 0 при t  , (t-) dt = 1.

Функция (t-) не является дифференцируемой, и имеет размерность, обратную размерности ее аргумента, что непосредственно следует из безразмерности результата интегрирования. Значение дельта-функции равно нулю везде за исключением точки , где она представляет собой бесконечно короткий импульс с бесконечно большой амплитудой, при этом площадь импульса равна 1.

Дельта-функция является полезной математической абстракцией. На практике такие функции не могут быть реализованы с абсолютной точностью, так как невозможно реализовать значение, равное бесконечности, в точке t =  на аналоговой временной шкале, определенной по времени также с бесконечной точностью. Но во всех случаях, когда площадь импульса равна 1, длительность импульса достаточно мала, а за время его действия на входе какой-либо системы сигнал на ее выходе практически не изменяется (реакция системы на импульс во много раз больше длительности самого импульса), входной сигнал можно считать единичной импульсной функцией со свойствами дельта - функции.

Функция Кронекера. Для дискретных и цифровых систем в качестве единичного импульса используется дискретный интегральный аналог дельта-функции - функция единичного отсчета (kt-nt), которая равна 1 в координатной точке k = n и нулю во всех остальных точках, при этом функция (kt-nt) определена только для целых значений координат k и n.

Математические выражения (t-) и (kt-nt) называют также импульсами Дирака и Кронекера. Однако, применяя такую терминологию, не следует забывать, что это не просто единичные импульсы в координатных точках  и nt, а импульсные функции, определяющие как значения импульсов в определенных координатных точках, так и нулевые значения по всем остальным координатам, в пределе от - до .

Разложение сигнала по единичным импульсам. Импульсы Дирака и Кронекера используются для разложения, соответственно, произвольных аналоговых сигналов s(t) и дискретных сигналов s(kt) в непрерывную последовательность неперекрывающихся (ортогональных) импульсов:

Рис. 3.1.1.

s(t) =s()(t-) d. (3.1.1)

s(kt) =s(nt)(kt-nt). (3.1.1')

Для аналоговых сигналов разложение (3.1.1) в физическом представлении эквивалентно сканированию значений сигнала s(t) в моменты времени t =  бесконечно узкой щелью, бегущей вдоль оси t. Для цифровых сигналов эта щель равна одному отсчету. Пример разложения дискретного сигнала приведен на рис. 3.1.1.

Другими словами, единичные импульсные функции (t-), -<, и (kt-nt), -<n<, образуют в бесконечномерных пространствах системы координатных базисов {(t-)} и {(kt-nt)}, т.к. они не перекрываются и, соответственно, взаимно ортогональны. По этим координатным системам и производится разложение сигналов s(t) и s(kt).

Так, например, простейшая система базисных векторов в N-мерном пространстве задается единичной матрицей порядка N, т. е. диагональной матрицей размера N x N с единичными диагональными элементами. Каждая строка этой матрицы соответствует единичному импульсу, смещенному на k позиций:

Любые две строки матрицы ортогональны

,

а норма базисной функции равна 1:

.

Выражения (3.1.1) представляют собой совокупности проекций сигналов на координатные базисы систем единичных импульсов и являются векторными описаниями сигналов в динамической форме.

Импульсный отклик линейной системы. Если на вход линейной системы в момент времени t = 0 подать единичный импульс (Дирака или Кронекера, в зависимости от типа системы), то на выходе мы получим реакцию системы на единичный входной сигнал. Эта реакция называется функцией импульсного отклика системы или импульсной характеристикой. Она однозначно определяется оператором преобразования h(..):

y(t) = T[(t-0)] = h(t). (3.1.2)

y(kt) = T[(kt-0)] = h(kt). (3.1.2')

Импульсный отклик аналоговой системы на входную дельта-функцию также в определенной степени представляет собой математическую абстракцию идеального преобразования. С практической точки зрения под импульсным откликом можно понимать отображение реакции системы на импульсный входной сигнал произвольной формы с единичной площадью, если длительность этого сигнала пренебрежимо мала по сравнению с временной (координатной) разрешающей способностью системы. Для цифровых систем импульсный отклик однозначно определяется реакцией системы на импульс Кронекера. Функцию импульсного отклика называют также весовой функцией системы.

Очевидно, что в линейных и инвариантных к сдвигу системах форма импульсного отклика не зависит от времени прихода входного сигнала и определяет только его положение на временной оси. Так, если входной импульс задержан (относительно 0) на время t_o, то соответствующий выходной сигнал будет определяться выражением:

y(t) = T[(t-t_o)] = h(t-t_o).

В любой системе, работающей в реальном масштабе времени, сигнала на выходе системы не может быть, если нет сигнала на ее входе. Отсюда следует односторонность импульсного отклика физических систем:

h(t-) = 0 при t<.

Для программных систем, работающих с зарегистрированными массивами цифровых данных, импульсный отклик может быть и двусторонним, так как при обработке сигналов в любой текущей точке kt системе доступны как "прошлые" отсчеты kt-nt, так и "будущие" отсчеты kt+nt. Это резко расширяет возможности программной обработки сигналов по сравнению с физическими системами.

На рисунке 3.1.2 приведен пример импульсного отклика h(t) элементарной физической системы преобразования электрических сигналов – интегрирующей RC-цепи. Подобные схемы часто применяются в полевых геофизических приборах (например, в радиометрах) в качестве интенсиметров - измерителей средней скорости счета импульсных потоков сигналов.

Рис. 3.1.2.

При подаче на вход RC-цепи единичного и очень короткого (t << RC) импульса заряда q емкость С заряжается до напряжения V_о = q/C, и начинает разряжаться через сопротивление R, при этом напряжение на емкости изменяется по закону v(t) = V_oexp(-t/RC) = (q/C)exp(-t/RC). Отсюда, импульсный отклик RC-цепи на единичный входной сигнал с единичным значением заряда q = 1 равен: h(t) = (1/C)exp(-t/RC), где форма отклика определяется функцией экспоненты, а множитель (1/С) является масштабным преобразователем сигнала (заряда в напряжение). По существу, импульсным откликом системы определяется доля входного сигнала, которая действует на выходе системы по истечении времени t после поступления сигнала на вход (запаздывающая реакция системы).

Если функция импульсного отклика системы известна, то, с учетом принципа суперпозиции сигналов в линейной системе, можно выполнить расчет реакции системы в любой произвольный момент времени на любое количество входных сигналов в любые моменты времени их прихода путем суммирования запаздывающих реакций системы на эти входные сигналы. На рис. 3.1.2 приведен пример входного сигнала s(t) для RC-цепи в виде последовательности импульсов и реакция системы y(t) на такой входной сигнал, образованная суммированием реакций системы на каждый импульс.

Допустим, что на вход RC-цепи в моменты времени t₁=1 и t₂=2 поступили короткие (по сравнению со значением RC) импульсы заряда величиной A и В. Математически это можно отобразить сигналом s(t) = q₁(t)+q₂(t), где q₁(t) = At-t₁) и q₂ = B(t-t₂). Выходной сигнал системы при известном импульсном отклике h(t) отобразится формулой:

y(t)=T[q₁(t)+q₂(t)]=T[A(t-t₁)]+T[B(t-t₂)]=AT[(t-t₁)]+BT[(t-t₂)]=Ah(t-t₁)+Bh(t-t₂).

При расчете значений выходного сигнала в произвольный момент времени t после прихода на вход системы сигналов q₁ и q₂, например, для t = 5, для каждого из сигналов вычисляются значения их запаздывающих реакций: y1 = Ah(5-1) = Ah(4) и y2 = Bh(5-2) = Bh(3), после чего значения запаздывающих реакций суммируются у = у1+у2. Пример этой операции можно видеть на рис. 3.1.3, где приняты значения А=1 и В=1. Сущность операции не изменяется при любых значениях А и В, а в общем случае и для любого количества импульсов.

Рис. 3.1.3.

Однако эту же операцию можно рассматривать и с другой позиции. Развернем импульсный отклик h(t) системы на 180⁰ и поместим его начало h(0) непосредственно в точку, для которой нужно выполнить расчет выходного сигнала, т.е. в точку t=5 для нашего примера. Если теперь отсчет координат для функции h(t) повести назад от точки расчета по аргументу т.е. перейти на вычисление h(), где значение  изменяется от 0 и далее (в пределе до ), то нетрудно убедиться, что функция h() пересечет входные импульсы на тех же значениях у1 и у2. Для этих точек пересечения первого и второго импульсов соответственно имеет место ₁ = t-t₁ и ₂ = t-t₂, как и при прямом методе расчета запаздывающих реакций при расчете значений h(t-t₁) и h(t-t₂). После умножения полученных значений h(₁) и h(₂) на значения входного сигнала А и В, получаем полную аналогию: y1 = Ah(₁) = Ah(t-t₁) и y2 = Bh(₂) = Bh(t-t₂), и соответственно суммарный сигнал у = у1+у2.

Такое математическое представление расчета удобно для составления математических алгоритмов вычислений. Условно этот процесс для коротких входных импульсных сигналов может быть представлен в следующем виде. Для любой точки расчета t_i выходного сигнала инвертированная по координатному направлению функция импульсного отклика h() помещается в эту точку t_i и просматривается по своей координате с одновременным синхронным просмотром входного сигнала s(t) назад от точки расчета (прошлые значения входного сигнала) по координатам t_i-. Значения всех встреченных при просмотре импульсов s(t_i-) перемножаются со значениями h() и суммируются. Тем самым, для каждой текущей точки расчета t_i в аналоговой системе выполняется операция:

y(t_i) =h()s(t_i-) d

Соответственно в цифровых системах для произвольной точки k:

y(kt) =h(nt)s(kt-nt). (3.1.3')

Результат выражений (3.1.3) и будет представлять собой запаздывающую реакцию системы на все импульсы, поступившие на вход системы до текущей точки расчета выходного сигнала.

Таким образом, для линейных и стационарных систем легко определить их реакцию на любой входной сигнал, если известен импульсный отклик систем на единичный входной сигнал.