Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний

Для теории сигналов и их обработки важное значение разложение заданной функции Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru по различным ортогональным системам функций Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru .

Бесконечная система действительных функций:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

(1.3)

называется ортогональной на отрезке Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru ,

если: Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru ,при Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

(1.4)

При этом предполагается, что: Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

(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

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

(1.6)

называется нормой функции Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru .

Функция Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , для которой выполняется условие:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru ,

(1.7)

называется нормированной функцией, а система нормированных функций Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , в которой каждые две различные функции взаимно ортогональны, называется ортонормированной системой.

Если функции Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru непрерывны, тогда произвольная кусочно-непрерывная функция Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , для которой выполняется условие:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , может быть представлена в виде суммы ряда:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

(1.8)

Умножим обе части выражения (1.8) на Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru и проинтегрируем в пределах Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru :

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Все слагаемые вида Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru при Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru обращаются в нуль в силу ортогональности функций Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru и Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru . В правой части остается одно слагаемое:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , что позволяет написать

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Откуда следует важное выражение:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

(1.9)

Ряд (1.8), в котором координаты Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru определяются по формуле (1.9), называется обобщенным рядом Фурье. По данной системе Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru . Совокупность коэффициентов Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru называется спектром сигнала. Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru в ортогональной системе Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru и полностью определяет етот сигнал.

Для системы функций Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru принимающих комплексные значения, приведенные выше определения обобщаются следующим образом:

- условие ортогональности: Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , при Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru ;

- квадрат нормы функции: Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru ;

- коэффициенты Фурье: Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru .

В этих выражениях Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru обозначает функцию, комплексно-сопряженную функции Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru .

Применительно к сигналам Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru , являющимся функциями времени выражение (1.8) будет записываться в форме:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Квадрат нормы функции Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru :

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Таким образом, энергия сигнала:

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

а при использовании ортонормированной системы функции Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru :

Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

Очевидно, что средняя за время Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru мощность сигнала: Представление произвольного сигнала в виде суммы элементарных колебаний - student2.ru

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.

Наши рекомендации