Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний
Для теории сигналов и их обработки важное значение разложение заданной функции по различным ортогональным системам функций .
Бесконечная система действительных функций:
(1.3)
называется ортогональной на отрезке ,
если: ,при
(1.4)
При этом предполагается, что:
(1.5)
т.е. что никакая из функций рассматриваемой системы (1.3) не равна тождественно нулю.
Условие (1.4) выражает попарную ортогональность функций системы (1.3). Величина
(1.6)
называется нормой функции .
Функция , для которой выполняется условие:
,
(1.7)
называется нормированной функцией, а система нормированных функций , в которой каждые две различные функции взаимно ортогональны, называется ортонормированной системой.
Если функции непрерывны, тогда произвольная кусочно-непрерывная функция , для которой выполняется условие:
, может быть представлена в виде суммы ряда:
(1.8)
Умножим обе части выражения (1.8) на и проинтегрируем в пределах :
Все слагаемые вида при обращаются в нуль в силу ортогональности функций и . В правой части остается одно слагаемое:
, что позволяет написать
Откуда следует важное выражение:
(1.9)
Ряд (1.8), в котором координаты определяются по формуле (1.9), называется обобщенным рядом Фурье. По данной системе . Совокупность коэффициентов называется спектром сигнала. в ортогональной системе и полностью определяет етот сигнал.
Для системы функций принимающих комплексные значения, приведенные выше определения обобщаются следующим образом:
- условие ортогональности: , при ;
- квадрат нормы функции: ;
- коэффициенты Фурье: .
В этих выражениях обозначает функцию, комплексно-сопряженную функции .
Применительно к сигналам , являющимся функциями времени выражение (1.8) будет записываться в форме:
Квадрат нормы функции :
Таким образом, энергия сигнала:
а при использовании ортонормированной системы функции :
Очевидно, что средняя за время мощность сигнала:
Наибольшее распространение получила ортогональная система основных тригонометрических функций-синусов и косинусов, Во-первых, гармонические функций (гармонические колебания) являются единственной функцией времени сохраняющей свою форму при прохождении через любую линейную цеп. Во-вторых, разложение сложного сигнала по синусам и косинусам позволяет использовать символический метод, разработанный для анализа передачи гармонических колебаний через линейные цепи.