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Note per Studenti Segnali periodici, sinusoidi ed esponenziali immaginari puri

Segnali periodici, sinusoidi ed esponenziali immaginari puri

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I segnali periodici sono i mattoni della serie di Fourier, e le sinusoidi sono i segnali con cui si "sonda" un sistema. Questa nota raccoglie tutte le regole su periodo e frequenza, sia nel continuo sia nel discreto. Per i parametri riassuntivi di un segnale periodico (valor medio, potenza su un periodo) vedi Segnali - supporto, area, valor medio, energia e potenzaUn segnale è una funzione del tempo (continuo $t$ o discreto $n$). Si descrive con pochi numeri: estensione, area, valor medio, energia $\int|x|^2$ e potenza (energia media). Energia finita implica potenza nulla; potenza finita non nulla implica energia infinita; per i segnali periodici tutto si calcola su un periodo.Segnali - supporto, area, valor medio, energia e potenza →.

Segnali periodici continui

Un segnale x(t)x(t) è periodico di periodo TpT_p (con Tp>0T_p>0) se x(t)=x(t+Tp)per ogni t.x(t) = x(t + T_p)\quad\text{per ogni } t. Se vale per TpT_p vale anche per ogni multiplo kTpkT_p. Il periodo minimo (o fondamentale) è il più piccolo Tp>0T_p>0 per cui la relazione vale. La frequenza fondamentale è F=1/TpF = 1/T_p (in Hz) e la pulsazione fondamentale ω0=2π/Tp\omega_0 = 2\pi/T_p (in rad/s). Un segnale costante è periodico con qualsiasi periodo (non ha periodo minimo).

Esponenziale immaginario puro. x(t)=Aej(2πf0t+φ0)x(t) = Ae^{j(2\pi f_0t+\varphi_0)}. Vale ej2πf0(t+T)=ej2πf0t ej2πf0Te^{j2\pi f_0(t+T)} = e^{j2\pi f_0t}\,e^{j2\pi f_0T} e il fattore ej2πf0Te^{j2\pi f_0T} è 11 se e solo se f0Tf_0T è intero. Il più piccolo T>0T>0 è dunque Tp=1∣f0∣.T_p = \frac1{|f_0|}. Proprietà: su un periodo ha area 00 (l'integrale di ejωte^{j\omega t} su un numero intero di giri è nullo, vedi Numeri complessi, formula di Eulero ed esponenziali complessiUn numero complesso si scrive in forma cartesiana a+jb o polare |x|e^{jφ}; il prodotto moltiplica i moduli e somma le fasi. La formula di Eulero e^{jα}=cos α + j sin α lega esponenziali e sinusoidi e permette di trattare tutti i segnali del corso come somme di esponenziali complessi e^{(σ+jω)t}.Numeri complessi, formula di Eulero ed esponenziali complessi →), valor medio 00 (se f0≠0f_0\ne0), e poiché ∣x∣2=A2|x|^2 = A^2 la potenza è Px=A2P_x = A^2.

Sinusoide Acos⁡(2πf0t+φ0)A\cos(2\pi f_0t+\varphi_0): stesso periodo Tp=1/f0T_p = 1/f_0, valor medio 00, potenza P=A2/2P = A^2/2.

Somme di segnali periodici

Siano x1x_1 periodico di periodo T1T_1 e x2x_2 di periodo T2T_2. Si vuole sapere se x1+x2x_1+x_2 è periodico. Occorre trovare TT che sia multiplo comune: T=mT1=kT2T = mT_1 = kT_2 con m,km,k interi positivi. Questo è possibile se e solo se T1T2=km∈Q.\frac{T_1}{T_2} = \frac{k}{m} \in \mathbb{Q}. Allora la somma è periodica, con periodo il minimo comune multiplo (si prendono m,km,k primi tra loro).

Esempio 1 (rapporto razionale). x(t)=cos⁡(2π⋅3t)+cos⁡(2π⋅4t)x(t) = \cos(2\pi\cdot3t) + \cos(2\pi\cdot4t). I periodi sono T1=13T_1 = \frac13 e T2=14T_2=\frac14. Rapporto T1T2=43\frac{T_1}{T_2} = \frac43 razionale. Si cerca m13=k14m\frac13 = k\frac14: la più piccola soluzione è m=3m=3, k=4k=4, quindi T=1T = 1. Controllo: in T=1T=1 il primo coseno compie 3 giri, il secondo 4 ✓.

Esempio 2 (rapporto irrazionale). s(t)=cos⁡(3t)s(t)=\cos(3t) ha Ts=2π3T_s = \frac{2\pi}{3}; w(t)w(t) periodico di periodo 22. Il rapporto è TsTw=2π3⋅12=π3∉Q\frac{T_s}{T_w} = \frac{2\pi}{3}\cdot\frac12 = \frac\pi3\notin\mathbb{Q}. Nessun multiplo del primo coincide con un multiplo del secondo: la somma non è periodica. È la tipica trappola dei temi d'esame (gennaio 2024, Esercizio 10 · ingressi periodici e zeri della risposta in frequenza (tema d'esame gennaio 2024)).

Esempio 3 (con cos⁡2\cos^2). x(t)=Asin⁡(πtΔ)+Acos⁡2(2πt3Δ)x(t) = A\sin\left(\frac{\pi t}{\Delta}\right) + A\cos^2\left(\frac{2\pi t}{3\Delta}\right). Con cos⁡2α=12+12cos⁡2α\cos^2\alpha = \frac12+\frac12\cos2\alpha il secondo termine è A2+A2cos⁡(4πt3Δ)\frac A2 + \frac A2\cos\left(\frac{4\pi t}{3\Delta}\right): una costante più una sinusoide di periodo 2π4π/(3Δ)=3Δ2\frac{2\pi}{4\pi/(3\Delta)} = \frac{3\Delta}2. Il primo termine ha periodo 2Δ2\Delta. Rapporto 2Δ3Δ/2=43\frac{2\Delta}{3\Delta/2} = \frac43: m⋅2Δ=k⋅3Δ2m\cdot2\Delta = k\cdot\frac{3\Delta}2 con m=3,k=4m=3,k=4 dà T=6ΔT=6\Delta. Il segnale è periodico di periodo 6Δ6\Delta (non quello di nessuno dei due termini presi da soli).

Potenza e valor medio di una somma di esponenziali. Se x=∑iAiej(2πfit+φi)x = \sum_i A_ie^{j(2\pi f_it+\varphi_i)} con frequenze tutte diverse e tutte non nulle, allora mx=0m_x = 0 e Px=∑iAi2P_x = \sum_iA_i^2: le potenze si sommano perché i termini misti (prodotti di esponenziali a frequenze diverse) hanno media nulla, come mostra l'ortogonalità (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 →). Se una delle frequenze è zero, il valor medio è proprio quel termine costante.

Esponenziali e sinusoidi a tempo discreto

Nel discreto un segnale è periodico di periodo NN (intero >0>0) se x(n)=x(n+N)x(n) = x(n+N) per ogni nn. Il periodo è sempre un intero.

Consideriamo x(n)=ejωnx(n) = e^{j\omega n} con ω∈R\omega\in\mathbb{R}, scrivendo ω=2πν\omega = 2\pi\nu dove ν\nu è la frequenza numerica (in cicli per campione). Si ha x(n+N)=ej2πνn ej2πνNx(n+N) = e^{j2\pi\nu n}\,e^{j2\pi\nu N}, quindi serve νN∈Z\nu N\in\mathbb{Z}:

ej2πνne^{j2\pi\nu n} è periodico se e solo se ν\nu è razionale. Se ν=pq\nu = \frac pq con p,qp,q primi tra loro, il periodo minimo è N=qN=q.

Esempio 4. cos⁡(πn6)\cos\left(\frac{\pi n}{6}\right): ω=π6\omega = \frac\pi6, ν=ω2π=112\nu = \frac{\omega}{2\pi} = \frac1{12}: periodo minimo N=12N=12.

Grafico interattivo: x(n) = cos(πn/6): ν = 1/12, periodo minimo N = 12 (il pattern si ripete dopo 12 campioni)

Esempio 5. cos⁡(n6)\cos\left(\frac n6\right): ω=16\omega = \frac16, ν=112π\nu = \frac1{12\pi} irrazionale: non periodico, anche se il coseno continuo cos⁡(t/6)\cos(t/6) è periodico! Il campionamento con passo 11 s trasforma cos⁡(t/6)\cos(t/6) in un segnale non periodico perché Tcont=12πT_{\text{cont}} = 12\pi s non è un multiplo del passo.

Esempio 6 (somma). x(n)=ej2πn/3+ej3πn/4x(n) = e^{j2\pi n/3} + e^{j3\pi n/4}. Il primo ha ν=13\nu = \frac13, periodo 33. Il secondo ha ω=3π4\omega=\frac{3\pi}4, ν=38\nu = \frac38, periodo 88. La somma ha periodo mcm⁡(3,8)=24\operatorname{mcm}(3,8) = 24.

Sinusoidi campionate. Se x(t)=cos⁡(2πf0t)x(t) = \cos(2\pi f_0t) viene campionato con passo TcT_c, si ottiene x(n)=cos⁡(2πf0Tc n)x(n) = \cos(2\pi f_0T_c\,n) con ν=f0Tc\nu = f_0T_c (frequenza f0f_0 divisa per la frequenza di campionamento Fc=1/TcF_c=1/T_c). È periodico se f0Tcf_0T_c è razionale. Ad esempio con f0=1f_0 = 1 Hz e Tc=18T_c = \frac18 s: ν=18\nu = \frac18, N=8N = 8 campioni = 11 s: lo stesso periodo del segnale continuo. Con Tc=38T_c = \frac{3}{8} s: ν=38\nu = \frac38, N=8N=8 campioni = 3 s che sono 3 periodi del continuo: il periodo discreto è diverso.

L'ambiguità della frequenza nel discreto

Una differenza importante: nel continuo ejωte^{j\omega t} e ejω′te^{j\omega' t} sono segnali diversi se ω≠ω′\omega\ne\omega'. Nel discreto, essendo nn intero, ej(ω+2πk)n=ejωn ej2πkn=ejωn(k∈Z),e^{j(\omega+2\pi k)n} = e^{j\omega n}\,e^{j2\pi kn} = e^{j\omega n}\quad(k\in\mathbb{Z}), perché ej2πkn=1e^{j2\pi kn} = 1. Pulsazioni che differiscono per un multiplo di 2π2\pi danno lo stesso segnale. Quindi basta considerare ω∈[−π,π)\omega\in[-\pi,\pi), e per le sinusoidi reali, poiché cos⁡(−ωn)=cos⁡(ωn)\cos(-\omega n) = \cos(\omega n), basta ω∈[0,π]\omega\in[0,\pi]. Le pulsazioni "alte" sono quelle vicine a π\pi (la sinusoide a ω=π\omega=\pi è cos⁡(πn)=(−1)n\cos(\pi n) = (-1)^n, la più veloce possibile); ω=2π\omega=2\pi coincide con ω=0\omega=0.

Forma canonica discreta. Una sinusoide Acos⁡(ωn+φ)A\cos(\omega n+\varphi), con A>0A>0, si dice in forma canonica se ω∈[0,π]\omega\in[0,\pi] e φ∈(−π,π]\varphi\in(-\pi,\pi]. Per ridurre un'espressione qualunque:

  1. si toglie dall'argomento ogni multiplo di 2πn2\pi n (il coefficiente di nn si riduce modulo 2π2\pi);
  2. se il risultato ha pulsazione in (π,2π)(\pi,2\pi) si usa cos⁡(ωn+φ)=cos⁡(−ωn−φ)\cos(\omega n+\varphi) = \cos(-\omega n-\varphi) e si riporta la pulsazione a 2π−ω2\pi-\omega cambiando segno alla fase;
  3. si riduce la fase modulo 2π2\pi a (−π,π](-\pi,\pi].

Esempio 7 (tema d'esame febbraio 2024). x(n)=cos⁡(199,7πn)+cos⁡(54,1πn+255,5π)x(n) = \cos(199{,}7\pi n)+\cos(54{,}1\pi n+255{,}5\pi).

  • Primo termine: 199,7π=200π−0,3π199{,}7\pi = 200\pi - 0{,}3\pi, e 200πn200\pi n è multiplo di 2πn2\pi n. Quindi cos⁡(199,7πn)=cos⁡(−0,3πn)=cos⁡(3π10n)\cos(199{,}7\pi n) = \cos(-0{,}3\pi n) = \cos\left(\frac{3\pi}{10}n\right).
  • Secondo termine: 54,1πn=54πn+0,1πn54{,}1\pi n = 54\pi n + 0{,}1\pi n e 54πn54\pi n è multiplo di 2πn2\pi n (vale 27⋅2πn27\cdot2\pi n). La fase 255,5π255{,}5\pi si riduce togliendo 254π=127⋅2π254\pi=127\cdot2\pi: 255,5π−254π=1,5π=3π2≡−π2255{,}5\pi-254\pi = 1{,}5\pi = \frac{3\pi}2\equiv-\frac\pi2. Quindi cos⁡(π10n−π2)\cos\left(\frac{\pi}{10}n-\frac\pi2\right).

Risultato: x(n)=cos⁡(3π10n)+cos⁡(π10n−π2)x(n) = \cos\left(\frac{3\pi}{10}n\right) + \cos\left(\frac\pi{10}n-\frac\pi2\right), con pulsazioni 0,3π0{,}3\pi e 0,1π0{,}1\pi entrambe in [0,π][0,\pi]. Il vantaggio della forma canonica si vede subito con un sistema LTI: per sapere cosa succede al segnale basta valutare la risposta in frequenza in ω=0,3π\omega=0{,}3\pi e 0,1π0{,}1\pi (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 →).

Errori comuni

  • Dire che la somma di due segnali periodici è sempre periodica: serve il rapporto razionale tra i periodi.
  • Prendere come periodo il prodotto dei periodi invece del minimo comune multiplo.
  • Nel discreto, dire che cos⁡(ωn)\cos(\omega n) è periodico per ogni ω\omega: serve ω/2π\omega/2\pi razionale.
  • Non ridurre le pulsazioni modulo 2π2\pi: cos⁡(54πn)\cos(54\pi n) è la costante 11, non una sinusoide veloce.
  • Dimenticare che in forma canonica l'ampiezza è non negativa: −cos⁡(x)=cos⁡(x+π)-\cos(x)=\cos(x+\pi).

Versione ripasso

  • Continuo: periodico di periodo TpT_p se x(t)=x(t+Tp)x(t)=x(t+T_p); periodo minimo = più piccolo Tp>0T_p>0; ω0=2πTp\omega_0=\frac{2\pi}{T_p}. Aej(2πf0t+φ)Ae^{j(2\pi f_0t+\varphi)}: Tp=1∣f0∣T_p=\frac1{|f_0|}, m=0m=0, P=A2P=A^2. Acos⁡(2πf0t+φ)A\cos(2\pi f_0t+\varphi): P=A22P=\frac{A^2}2.
  • Somma: periodica   ⟺  T1T2∈Q\iff\frac{T_1}{T_2}\in\mathbb Q; periodo = mcm (mT1=kT2mT_1=kT_2, m,km,k primi tra loro). Es.: cos⁡(6πt)+cos⁡(8πt)\cos(6\pi t)+\cos(8\pi t) ha T=1T=1; cos⁡3t\cos3t (periodo 2π3\frac{2\pi}3) ++ periodico di periodo 22: rapporto π3\frac\pi3, non periodica. Con cos⁡2α=12+12cos⁡2α\cos^2\alpha=\frac12+\frac12\cos2\alpha: Asin⁡πtΔ+Acos⁡22πt3ΔA\sin\frac{\pi t}{\Delta}+A\cos^2\frac{2\pi t}{3\Delta} ha T=6ΔT=6\Delta.
  • Somma di esponenziali a frequenze diverse e non nulle: m=0m=0, P=∑Ai2P=\sum A_i^2.
  • Discreto: ej2πνne^{j2\pi\nu n} periodico   ⟺  ν=pq∈Q\iff\nu=\frac pq\in\mathbb Q (irriducibile), Nmin⁡=qN_{\min}=q. Es.: cos⁡πn6\cos\frac{\pi n}6: N=12N=12; cos⁡n6\cos\frac n6: non periodico; ej2πn/3+ej3πn/4e^{j2\pi n/3}+e^{j3\pi n/4}: N=mcm⁡(3,8)=24N=\operatorname{mcm}(3,8)=24. Sinusoide campionata: ν=f0Tc\nu=f_0T_c.
  • Ambiguità: ej(ω+2πk)n=ejωne^{j(\omega+2\pi k)n}=e^{j\omega n}. Forma canonica: Acos⁡(ωn+φ)A\cos(\omega n+\varphi), A>0A>0, ω∈[0,π]\omega\in[0,\pi], φ∈(−π,π]\varphi\in(-\pi,\pi] (ridurre ω\omega mod 2π2\pi; se in (π,2π)(\pi,2\pi) usare cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x)=\cos x). Es.: cos⁡(199,7πn)=cos⁡3π10n\cos(199{,}7\pi n)=\cos\frac{3\pi}{10}n; cos⁡(54,1πn+255,5π)=cos⁡(π10n−π2)\cos(54{,}1\pi n+255{,}5\pi)=\cos(\frac\pi{10}n-\frac\pi2) (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 →).
  • Errori: somma sempre periodica; prodotto dei periodi invece del mcm; ω\omega non ridotta mod 2π2\pi.

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