Luento 2. S Signaalit ja järjestelmät 5 op TKK Tietoliikenne Laboratorio 1. Jean Baptiste Joseph Fourier ( )

Samankaltaiset tiedostot
Luento 2. Jaksolliset signaalit

Luento 4 Jaksollisten signaalien Fourier-sarjaesitys 4.1 Fourier-sarja 4.2 Viivaspektri, tehospektri

2. Fourier-sarjoista. Aaltoliikkeen ja lämmöjohtumisen matemaattinen tarkastelu

z z 0 (m 1)! g(m 1) (z0) k=0 Siksi kun funktioon f(z) sovelletaan Cauchyn integraalilausetta, on voimassa: sin(z 2 dz = (z i) n+1 k=0

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 1

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

funktiojono. Funktiosarja f k a k (x x 0 ) k

2 Taylor-polynomit ja -sarjat

Kompleksianalyysi, viikko 6

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

Tietoliikennesignaalit & spektri

M 2 M = sup E M 2 t. E X t = lim. niin martingaalikonvergenssilauseen oletukset ovat voimassa, eli löydämme satunnaismuuttujan M, joka toteuttaa ehdon

Luento 7. LTI-järjestelmät

Kompleksianalyysi, viikko 4

Jaksollisen signaalin spektri

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

2 b 1 + b 1 x. = b 1 (x 4) (x 2) b 1 (x 2)

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

Numeeriset menetelmät

HARMONINEN VÄRÄHTELIJÄ

Luento 9. Epälineaarisuus

Ylioppilastutkintolautakunta S tudentexamensnämnden

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Luento 4 Fourier muunnos

u = 2 u (9.1) x + 2 u

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

Luento 4. Fourier-muunnos

u(0, t) = 0 kaikille t > 0: lämpötila pidetään vakiona pisteessä x = 0;

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 1. viikolle /

BINÄÄRISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 11 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

A B = 100, A = B = 0. D = 1.2. Ce (1.2 D. C (t D) 0, t < 0. t D. )} = Ae πjf D F{Π( t D )} = ADe πjf D sinc(df)

Osa VI. Fourier analyysi. A.Rasila, J.v.Pfaler () Mat Matematiikan peruskurssi KP3-i 12. lokakuuta / 246

5. Potenssisarjat 5.1. Määritelmä ja suppeneminen

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

termit on luontevaa kirjoittaa summamuodossa. Tällöin päädymme lukusarjojen teoriaan: a k = s.

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

3.3 Funktion raja-arvo

Riemannin sarjateoreema

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

1. Normi ja sisätulo

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

J1 (II.6.9) J2 (X.5.5) MATRIISILASKENTA(TFM) MALLIT AV 6

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Scanned by CamScanner

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

S Signaalit ja järjestelmät Tentti

TRIGONOMETRISTEN FUNKTIOIDEN KUVAAJAT

Insinöörimatematiikka D

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

F {f(t)} ˆf(ω) = 1. F { f (n)} = (iω) n F {f}. (11) BM20A INTEGRAALIMUUNNOKSET Harjoitus 10, viikko 46/2015. Fourier-integraali:

Sinin muotoinen signaali

III. SARJATEORIAN ALKEITA. III.1. Sarjan suppeneminen. x k = x 1 + x 2 + x ,

1 Analyyttiset funktiot

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

spektri taajuus f c f c W f c f c + W

JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 1, MALLIRATKAISUT

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

Pyramidi 3 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 139 Päivitetty a) 402 Suplementtikulmille on voimassa

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

6 Lineaarisen ennustuksen sovelluksia

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

u 2 dx, u A f siten, että D(u) = inf D(U). Tarkemmin: Tarkoitus on osoittaa seuraavat minimointitehtävä ja Dirichlet n tehtävä u A f ja

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Fourier-sarjat ja -muunnos

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

Harjoitus 1, tehtävä 1

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

Kotitehtävät 1-6: Vastauksia

Luento 11. Stationaariset prosessit

4. Fourier-analyysin sovelletuksia. Funktion (signaalin) f(t) näytteistäminen tapahtuu kertomalla funktio näytteenottosignaalilla

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Transkriptio:

Luento Jasollisten signaalien Fourier-sarjat Viivaspetri S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio Jean Baptiste Joseph Fourier (768-83) Ransalainen matemaatio ja fyysio. Esitti Fourier-sarjat teosessaan héorie analytique de la chaleur (Analyyttinen lämpöteoria) 8. http://br.geocities.com/saladefisica3/fotos/fourier.jpg S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio

Jasollinen (periodinen) Jasolliset signaalit Jasonaia - / / Perusjaso Amplitudi t Ominaistaajuus f =/ Signaalin ominaisuusien tarastelemisesi riittää un esitytään yhden jason pituiseen aiaväliin. Valitaan ysinertaisuuden vuosi tarasteluvälisi / t / S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 3 Jasolliset signaalit Kahden jasollisen signaalin sisätulo, un molempien signaalien jasonaia on (tai on niiden jasonaiojen monierta) Kesimääräinen teho (indusoitu normi) S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 4

Ortonormaali anta arastellaan osoitin signaaleja iπ φ () t = exp t =...,,,,,,... Osoittimen φ (t) pyörimistaajuus =: Hz asavirtaomponentti (DC) =: / Perustaajuus (. harmoninen taajuus) >: /. Harmoninen taajuus Osoittimet muodostavat ortonormaalin annan ( φ() t φl() t ) = = l l Im φ () t Re S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 5 Ortonormaali anta Osoitetaan, että = l ( φ() t φl() t ) = l arastellaan ensin tapausta =l ( φ φl ) iπ iπl () t () t = exp t exp t dt, l iπ ( l) i π = exp t dt = exp t dt = dt = S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 6 3

Ortonormaali anta arastellaan nyt tapausta l ( φ φl ) iπ iπl () t () t = exp t exp t dt, l ( ) ( exp( iπ ( l) ) exp( iπ ( l) )) ( ) ( π ( l) ) sinc( l) π ( l) ( ) iπ l iπ l = exp t dt exp t = iπ ( l) = iπ l sin = = = S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 7 sin i ix ix ( x) = ( e e ) sinc ( x) = sin ( π x) π x sinc( x) = sin ( π x) π x Nollaohdat Raja-arvo sin ( π x) sinc( x) = = π x x =±, ±, ±, 3, SINC-funtio.8.6.4. -. -.4 - -8-6 -4-4 6 8 sin ( πx sin ) ( π x) cos( ) limx lim x π πx π = x = lim x = = πx π x π π x Hôpital s rule S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 8 4

i) ii) Ortonormaali anta arastellaan jasollista funtiota v(t)=v(t+m ), m=,-,,, joa täyttää ehdot P= v() t dt < ε vt ε vt ε lim ( + ) ( ) (Neliöintegroituva/ehosignaali) äärellisessä määrässä pisteitä välillä / t / jälimmäinen ehto rajoittaa signaalin epäjatuvuusohtien määrän. t S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 9 Ortonormaali anta Signaali, joa täyttää ehdot i) ja ii) voidaan esittää ortogonaalisen annan avulla Exponentiaalinen Fourier-sarja π vt () = vφ() t = v exp i t = = Fourier-ertoimet * = ( () φ() ) = () () ()exp φ = π v v t t v t t dt v t i t dt S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 5

Esponentiaalinen Fourier-sarja On periodinen π vt () = v exp i t = vt ( + m ), m = ästä seuraa, että jasollisen signaalin perusjasolle lasettu Fourier sarja on voimassa aiilla t:n arvoilla. π π π vt ( + m) = v exp i ( t+ m) = v exp i t exp i m = = π = v exp i t = v( t) = Im π exp i m = exp( iπ m) = π Re S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio Exponentiaalinen Fourier sarja Fourier-ertoimet ovat omplesisia suureita: vastaavat perustaajuuden f =/ harmoonisia taajuusia asavirtaomponentti = vastaa signaalin esimääräistä amplitudia { v } { v } Im arg{ v} = arctan Re S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 6

rigonometrinen Fourier sarja Reaaliselle signaalille Hermiittinen symmetria Käytetään tätä ominaisuutta hyväsi: {v } {v } (>) (<) rigonometrinen Fourier-sarja S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 3 Fourier osini- ja sinisarja Fourier-ertoimet π v = v()exp t i t dt π π = vt () cos t isin t α iβ = π α = vt () cos t dt π β = vt () sin t dt ( ) sin ( ) ix e = cos x i x S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 4 7

Fourier osini- ja sinisarja Fourier sini- ja osinisarja Kun v(t) on reaalinen: v = α * v = v = α + iβ ( ) Nyt voidaan irjoittaa v,v, π vt () = v exp i t = = π π = α + ( α iβ) exp i t + ( α + iβ) exp i t = π π = α + α cos t + β sin t = v -,v -, ( ) iexp ix + iexp( ix) = exp i exp( ) = sin( x) ( ( ix) ix ) S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 5 Fourier osini- ja sinisarja arastellaan reaalista signaalia v(t) Jos pinta-ala signaalin yli on nolla, α = (β = reaaliselle signaalille) Parillinen signaali v(-t)=v(t) => β = sini-sarja häviää - - + ++ + - - Pariton signaali v(-t)=-v(t) => α = osini-sarja häviää Puoliaalto symmetrinen: v(-t)=-v( /-t) Parilliset harmoniset häviävät α n =, β n =, n=,,, S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 6 8

Esimeri Oloon Fourier-sarjan ertoimet Huomataan, että v(t) Joten ertoimet voidaan irjoittaa muotoon S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 7 Rataistaan ensin integraali Esimeri sin(π l) Yllä olevaa hyödyntäen saadaan A exp( iφ ) = A = exp( iφ ) = otherwise Amplitudispetri: v Vaihespetri: arg{v } S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 8 9

Viivaspetri Reaalinen jasollinen signaali voidaan esittää summana osinisignaaleja π π vt ( ) = vexp i t = v + v cos t+ arg{ v} = = Viiva spetri: Amplitudi spetri: v Vaihespetri: arg{v } v v v v v arg{ v } arg{ v } f f f f arg{ v } f f f f arg{ v } S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 9 Parsevalin teoreema Signaalin esimääräinen teho / P= v() t dt = v / = - - S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio

Viivaspetri ehospetri v v v ehospetrin ertoimet, määrittävät miten signaalin esimääräinen teho on jaautunut eri taajuusille. S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio Esimeri Signaali, jossa on DC-omponentti Kesimääräinen teho Huomaa, että Joten tehon lausee voidaan viedä muotoon Osoittautuu, että S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio

Esimeri Rataistaan signaalin Fourier-sarjan ertoimet: Vaion viivaspetri =± ± ± sinc( ) = = Huomaa, että,,,3, S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 3 Esimeri Sinisignaalin viivaspetri johdettiin aiemmin Signaalin v(t) viivaspetri saadaan summana Amplitudispetri: v Vaihespetri: arg{v } V V exp( iφ ) = V exp( iφ ) muutoin = = S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 4

Esimeri Rataistaan signaalin teho Parsevalin teoreeman muaan / P= v() t dt v = / = joten, nyt P= v = v, + v, + v, = V + V + V = V + V = 4 4 ulos on sama uin suoraan tehon määritelmästä johdettu. S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 5 Kellosignaali + - Esimeri 3 Signaalin DC-omponentti on (α =) Signaali on pariton, joten osinisarja häviää (α = =,,3 ) v =iβ Signaali on myös puoliaaltosymmetrinen, joten parilliset harmoniset atoavat β n =, n =,,,3,... S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 6 3

Esimeri 3 Lasetaan sinisarjan ertoimet π β = vt ()sin t dt π π = sin tdt sin tdt + π π π = cos cos π + π sin( ax) dx = cos( ax) a parillinen cos( π ) = ( + cos( π )) = = π π pariton π Esponentti Fourier sarjan ertoimisi tulee tällöin v+ = iβ+ = i, v = π S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 7 Esimeri 3 ehospetri 4/π v v 3 v 5 Vaihespetri π/ -π/ S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 8 4

Esimeri 4 Pulssijono Α τ τ< Signaalilla on DC-omponentti (pulssin pinta-ala on Aτ) Signaali on parillinen (sinisarja häviää) v =α τ π π v = v()exp t t dt Acos t dt = τ S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 9 Esimeri 4 Integroimalla saadaan τ π π v = v()exp t i t dt Acos t dt = τ A π τ π τ = sin sin π πτ πτ sin sin τ τ τ = A = A = A sinc π τ π cos( ax) dx = sin( ax) a ( x) sin =sin( x) S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 3 5

Amplitudispetri Esimeri 4. τ/=. =-:; x=.; %x=au/ < A=;.5. for n=:length() v(n)=a*x*sinc((n)*x); end; v.5 bar(,v,.) xlabel('') ylabel('v_') title(['\tau/=' numstr(x)]) hold on t=-:.:; plot(t,a*x*sinc(x*t)) axis([ - -x/4 x]) hold off v -.5 - -8-6 -4-4 6 8 τ/=.9.8.7.6.5.4.3.. -. -. - -8-6 -4-4 6 8 S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 3 Kataistu fourier-sarja arastellaan approximaatiota Jos v(t) täyttää ehdot i) ja ii) i) P= v() t dt < äärellisessä määrässä pisteitä t välillä / t / ii) lim ε vt ( + ε) vt ( ε) niin erosignaalin esimääräinen teho menee nollaan S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 3 6

Gibbsin Ilmiö Jos signaali on epäjatuva amplitudinen, niin aselmaisessa muutosohdassa on noin 9% ylitys riippumatta N:n suuruudesta..5.5 N= -.5 N= - -.5 - -.8 -.6 -.4 -...4.6.8 ime S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 33 Esimeri 5 Pulssijono Α τ τ< π τ τ v = v()exp t i t dt A sinc = vt () = vt ˆ( ) = iπ t ve = K iπ t ve K = S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 34 7

Esimeri 5 Approsimaatio. τ/=. K= K=; =-K/:K/; =; x=.; %x=au/ < A=; v(t).8.6.4. for n=:length() v(n)=a*x*sinc((n)*x); end; -. - -.5 - -.5.5.5 t t=-*:.:*; vhat=; for n=:length() vhat=vhat+v(n)*exp(i**pi*(n)/*t); end; plot(t,vhat) xlabel('t') ylabel('v(t)') title(['\tau/=' numstr(x) ' K=' numstr(k)]) v(t)..8.6.4. τ/=. K=4 -. - -.5 - -.5.5.5 t S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 35 http://www.jhu.edu/%7esignals/fourier/index.html S-.7. Signaalit ja järjestelmät 5 op KK ietoliienne Laboratorio 36 8