Raccolta di tutte le formule del corso con le convenzioni usate nelle note. Per le dimostrazioni e gli esempi vedi le note collegate. Convenzioni: ω=2πf è la pulsazione (rad/s); rect(t)=1 per ∣t∣<21; Λ(t)=(1−∣t∣)rect(2t); sinc(t)=πtsinπt; u gradino; combT=∑kδ(t−kT).
| Segnale |
Trasformata |
Spettro |
| continuo periodico |
serie di Fourier (Serie di Fourier - analisi e sintesiUn segnale periodico di periodo $T$ si scrive come somma di esponenziali in relazione armonica, $x(t)=\sum_ka_ke^{jk\omega_0t}$ con $\omega_0=2\pi/T$, e i coefficienti si ottengono per proiezione, $a_k=\frac1T\int_Tx(t)e^{-jk\omega_0t}dt$. L'ortogonalità degli esponenziali dà la formula; la convergenza è in media quadratica (Riesz-Fischer), con il fenomeno di Gibbs nei salti.Serie di Fourier - analisi e sintesi →) |
discreto, aperiodico (ak) |
| continuo aperiodico |
TF (Trasformata di Fourier - definizione, inversione ed esempiLa trasformata di Fourier $X(\omega)=\int x(t)e^{-j\omega t}dt$ estende la serie ai segnali aperiodici; si inverte con $x(t)=\frac1{2\pi}\int X(\omega)e^{j\omega t}d\omega$. Esiste per $x\in L^1$ (e per $x\in L^2$ in senso quadratico). Coppie fondamentali: $e^{-at}u\leftrightarrow\frac1{a+j\omega}$, $e^{-a |
t |
| discreto periodico (periodo N) |
TFD (Trasformata di Fourier discreta (TFD)La TFD è la serie di Fourier dei segnali discreti periodici di periodo $N$: servono solo $N$ armoniche, $X(k)=\frac1N\sum_{n=0}^{N-1}x(n)e^{-j2\pi kn/N}$ e $x(n)=\sum_{k=0}^{N-1}X(k)e^{j2\pi kn/N}$. È un prodotto matrice-vettore in $\mathbb{C}^N$ (la matrice di Fourier); la convoluzione circolare diventa prodotto, $N X(k)Y(k)$. La FFT la calcola in $O(N\log N)$.Trasformata di Fourier discreta (TFD) →) |
discreto, periodico (N) |
| discreto aperiodico |
TFtd (Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd)La TFtd di una sequenza è $X(\omega)=\sum_nx(n)e^{-j\omega n}$, funzione continua e periodica di periodo $2\pi$; si inverte con $x(n)=\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(\omega)e^{j\omega n}d\omega$. Ha le stesse proprietà della TF continua (la convoluzione diventa prodotto, $n,x(n)\leftrightarrow jX'$). È la risposta in frequenza dei sistemi discreti; con la TFD e lo zero-padding se ne ottengono campioni arbitrariamente fitti.Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd) →) |
continuo, periodico (2π) |
Regola: periodico nel tempo ↔ discreto in frequenza; discreto nel tempo ↔ periodico in frequenza.
Serie di Fourier (T, ω0=T2π)
ak=T1∫Tx(t)e−jkω0tdt, x=∑kakejkω0t. Parseval: P=∑∣ak∣2. Reali: a−k=ak∗. LTI: bk=H(kω0)ak.
| Segnale |
ak |
| Acos(ω0t+φ) |
a±1=2Ae±jφ |
| combT |
T1 |
| repTrect2at |
T2asincT2ak |
| ∣cosπt∣ (T=1) |
π(4k2−1)2(−1)k+1 |
| dente di sega t su ∣t∣<1 (T=2) |
kπj(−1)k |
| triangolare repTΛT2t |
21sinc22k |
Proprietà: ritardo →ake−jkω0t1; xejmω0t→ak−m; x′→jkω0ak; xy→∑ambk−m; convoluzione periodica →Takbk (Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodicoLe proprietà della serie di Fourier (linearità, ribaltamento, coniugio, ritardo $\to$ fattore $e^{-jk\omega_0t_1}$, modulazione $\to$ traslazione dei coefficienti, derivata $\to$ fattore $jk\omega_0$, Parseval $P=\sum|a_k|^2$, convoluzione periodica $\to$ prodotto) permettono di calcolare i coefficienti senza integrare. Un LTI stabile con ingresso periodico produce uscita periodica con coefficienti $b_k=H(k\omega_0)a_k$.Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodico →).
X(ω)=∫x(t)e−jωtdt, x(t)=2π1∫X(ω)ejωtdω.
| x(t) |
X(ω) |
| δ(t) |
1 |
| 1 |
2πδ(ω) |
| δ(t−t0) |
e−jωt0 |
| ejω0t |
2πδ(ω−ω0) |
| cosω0t |
π[δ(ω−ω0)+δ(ω+ω0)] |
| sinω0t |
jπ[δ(ω−ω0)−δ(ω+ω0)] |
| u(t) |
πδ(ω)+jω1 |
| sgn(t) |
jω2 |
| rect(Tt) |
Tsinc(2πωT) |
| sinc(Tt) |
Trect(2πωT) |
| Λ(Tt) |
Tsinc2(2πωT) |
| sinc2(Tt) |
TΛ(2πωT) |
| e−atu(t), a>0 |
a+jω1 |
| te−atu(t) |
(a+jω)21 |
| e−a∣t∣ |
a2+ω22a |
| combT |
T2π∑kδ(ω−T2πk) |
| periodico ∑akejkω0t |
2π∑akδ(ω−kω0) |
Proprietà. Linearità; x(−t)→X(−ω); x∗→X∗(−ω); x(t−t0)→Xe−jωt0; xejω0t→X(ω−ω0); xcosω0t→21[X(ω−ω0)+X(ω+ω0)]; x(at)→∣a∣1X(aω); dualità X(t)→2πx(−ω); x∗y→XY; xy→2π1X∗Y; x′→jωX; tx→jX′; ∫−∞tx→jωX+πX(0)δ; area X(0); E=2π1∫∣X∣2. Reale ⇒X(−ω)=X∗(ω) (Proprietà della trasformata di FourierCon le proprietà (linearità, simmetrie, ritardo $\leftrightarrow e^{-j\omega t_0}$, modulazione $\leftrightarrow$ traslazione in frequenza, scala, dualità, convoluzione $\leftrightarrow$ prodotto, Parseval $E=\frac1{2\pi}\int|X|^2$, derivata $\leftrightarrow j\omega$, moltiplicazione per $t\leftrightarrow j,d/d\omega$, integrazione) quasi tutte le trasformate si ottengono da poche coppie base senza integrare.Proprietà della trasformata di Fourier →).
TFD (N campioni, periodo N)
X(k)=N1∑n=0N−1x(n)e−jN2πkn, x(n)=∑kX(k)ejN2πkn (fft =NX). Parseval N1∑∣x∣2=∑∣X∣2. Convoluzione circolare →NX(k)Y(k). δ→N1.
TFtd
X(ω)=∑x(n)e−jωn (periodica 2π), x(n)=2π1∫−ππXejωndω.
| x(n) |
X(ω) |
| δ(n) |
1 |
| δ(n−n0) |
e−jωn0 |
| anu(n), ∣a∣<1 |
1−ae−jω1 |
| nanu(n) |
(1−ae−jω)2ae−jω |
| wN(n)=1 per ∣n∣≤N |
sin2ωsin22N+1ω |
| 1 |
2π∑kδ(ω−2πk) |
Proprietà: ritardo e−jωn0; x∗y→XY; nx→jX′; Parseval ∑∣x∣2=2π1∫−ππ∣X∣2; decimazione x(Mn)→M1∑mX(Mω−2πm); espansione →X(Lω).
Risposta in frequenza e filtri
H(ω)=F[h] (esiste se h∈L1). Sinusoide: Acos(ω0t+φ)→A∣H(ω0)∣cos(ω0t+φ+argH(ω0)) (Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidaleGli esponenziali complessi $e^{j\omega t}$ sono autofunzioni dei sistemi LTI stabili: escono moltiplicati per la risposta in frequenza $H(\omega)=\int h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau$. Per un sistema reale, $A\cos(\omega_0t+\varphi)$ esce come $A|H(\omega_0)|\cos(\omega_0t+\varphi+\arg H(\omega_0))$: la frequenza non cambia, cambiano ampiezza e fase.Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale →). Serie H1H2; parallelo H1+H2; retroazione 1+H1H2H1. Passa-basso ideale: h=πtsinωct. RC: H=1+jωRC1, taglio RC1 (Filtri, modulazione e trasmissione AMIn frequenza un filtro LTI moltiplica: $Y(\omega)=H(\omega)X(\omega)$ (serie, parallelo, retroazione diventano $H_1H_2$, $H_1+H_2$, $\frac{H_1}{1+H_1H_2}$). I filtri ideali (passa-basso, passa-alto, passa-banda) hanno $h$ non causale e instabile; il filtro RC è il passa-basso reale. La modulazione $x(t)\cos\omega_0t$ trasla lo spettro in $\pm\omega_0$ e si demodula con la stessa portante e un passa-basso di guadagno 2.Filtri, modulazione e trasmissione AM →). Non distorcente: H=Ae−jωt0.
Campionamento
W^(ω)=Tc1∑kX(Tcω+2πk) (Campionamento e formula di PoissonCampionare un segnale continuo $x(t)$ con passo $T_c$ dà la sequenza $x(nT_c)$. La formula di Poisson lega gli spettri: $\hat W(\omega)=\frac1{T_c}\sum_kX\left(\frac{\omega+2\pi k}{T_c}\right)$, cioè lo spettro del segnale campionato è la ripetizione periodica (di periodo $2\pi/T_c$ in pulsazione analogica) dello spettro originale, riscalata. Se le repliche si sovrappongono si ha aliasing.Campionamento e formula di Poisson →). Shannon: Tc<ωMπ, Fc>2fmax; x(t)=∑x(nTc)sincTct−nTc (Teorema del campionamento, interpolazione e aliasingTeorema di Shannon: un segnale a banda limitata $\omega_M$ si ricostruisce esattamente dai campioni se $T_c<\pi/\omega_M$ (frequenza di campionamento maggiore di quella di Nyquist $2f_{\max}$), con la formula di interpolazione ideale $x(t)=\sum_nx(nT_c)\operatorname{sinc}\left(\frac{t-nT_c}{T_c}\right)$. Sotto Nyquist c'è aliasing: le frequenze alte si confondono con quelle basse e l'informazione è persa.Teorema del campionamento, interpolazione e aliasing →). Segnale modulato xcosω0t: banda ω0+ωM. SNR quantizzazione ≈6,02B+1,76 dB. FFT: X(ωk)≈Tcfft(x,M)[k], ωk=MTc2πk (FFT e zero-padding - TF, TFtd e asse delle pulsazioniLa FFT dei campioni di un segnale a durata finita, moltiplicata per il passo $T_c$, approssima la trasformata di Fourier: $X(\omega_k)\approx T_c,\mathtt{fft}(x,M)[k]$ con $\omega_k=\frac{2\pi k}{MT_c}$ (e fattore di fase $e^{-j\omega t_0}$ se l'asse parte da $t_0$). Lo zero-padding ($M>N$) infittisce i punti della stessa TFtd senza aggiungere informazione; la risoluzione dipende dalla durata osservata. Per un segnale reale $|X|$ è simmetrico: il picco in $k$ ha un gemello in $M-k$.FFT e zero-padding - TF, TFtd e asse delle pulsazioni →).
Laplace
X(s)=∫x(t)e−stdt; unilatera da 0−. Con ROC: causale → semipiano destro.
| x(t) |
X(s) |
| δ(t), δ′(t) |
1, s |
| u(t) |
s1 |
| es0tu(t) |
s−s01 |
| tes0tu, k!tkes0tu |
(s−s0)21, (s−s0)k+11 |
| cosω0tu, sinω0tu |
s2+ω02s, s2+ω02ω0 |
| eσt[Acosωt+Bsinωt]u |
(s−σ)2+ω2A(s−σ)+Bω |
Proprietà: ritardo e−st0X; es0tx→X(s−s0); tx→−X′; x′→sX−x(0−); x′′→s2X−sx(0−)−x′(0−); x∗y→XY; ∫x→sX (Proprietà della trasformata di LaplaceLe proprietà della trasformata di Laplace ricalcano quelle di Fourier: linearità, ritardo $\to e^{-st_0}$, modulazione esponenziale $e^{s_0t}x\to X(s-s_0)$, derivata nel tempo $\to sX$, moltiplicazione per $t\to-X'(s)$, integrazione $\to X/s$, convoluzione $\to$ prodotto. Ogni regola dice anche come cambia la ROC.Proprietà della trasformata di Laplace →). H(s)=a(s)b(s); BIBO stabile (causale) ⟺m≤n e Rep<0 (Laplace unilatera, funzione di trasferimento e stabilitàCon la trasformata unilatera $X(s)=\int_{0^-}^\infty x(t)e^{-st}dt$ le derivate diventano $\mathcal L[y']=sY-y(0^-)$: un problema di Cauchy causale si riduce a un'equazione algebrica, $Y=\frac{b}{a}X+\frac{\text{termini iniziali}}{a}$ (forzata + libera). La funzione di trasferimento è $H(s)=b(s)/a(s)$; il sistema causale è BIBO stabile se e solo se $H$ è propria e tutti i poli hanno parte reale negativa.Laplace unilatera, funzione di trasferimento e stabilità →). Poli semplici: Ai=lim(s−pi)X(s) (Antitrasformata di Laplace di funzioni razionaliPer antitrasformare una funzione razionale $X(s)=b(s)/a(s)$ si porta in forma propria con la divisione tra polinomi (resto $\to$ $\delta$ e derivate), si scompone in fratti semplici con il metodo dei limiti (poli semplici), con i termini in $1/(s-p)^k$ (poli multipli) o con $\frac{A(s-\sigma)+B\omega}{(s-\sigma)^2+\omega^2}$ (coppie complesse), e si antitrasforma termine a termine scegliendo causale o anticausale secondo la ROC.Antitrasformata di Laplace di funzioni razionali →).
X(z)=∑x(n)z−n (Trasformata Z ed equazioni alle differenzeLa trasformata Z, $X(z)=\sum x(n)z^{-n}$, è la versione discreta di Laplace (la TFtd è $X(e^{j\omega})$). Un sistema descritto da un'equazione alle differenze $\sum a_ky(n-k)=\sum b_kx(n-k)$ ha $H(z)=\frac{\sum b_kz^{-k}}{\sum a_kz^{-k}}$ ed è BIBO stabile (se causale) quando tutti i poli stanno dentro il cerchio unitario, $|p|<1$. Cenni.Trasformata Z ed equazioni alle differenze →): pnu(n)→1−pz−11 (∣z∣>∣p∣); δ→1; u→1−z−11; ritardo z−n0X; x∗y→XY. H(z)=∑akz−k∑bkz−k; stabile (causale) ⟺∣p∣<1.