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 è periodico di periodo (con ) se Se vale per vale anche per ogni multiplo . Il periodo minimo (o fondamentale) è il più piccolo per cui la relazione vale. La frequenza fondamentale è (in Hz) e la pulsazione fondamentale (in rad/s). Un segnale costante è periodico con qualsiasi periodo (non ha periodo minimo).
Esponenziale immaginario puro. . Vale e il fattore è se e solo se è intero. Il più piccolo è dunque Proprietà: su un periodo ha area (l'integrale di 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 (se ), e poiché la potenza è .
Sinusoide : stesso periodo , valor medio , potenza .
Somme di segnali periodici
Siano periodico di periodo e di periodo . Si vuole sapere se è periodico. Occorre trovare che sia multiplo comune: con interi positivi. Questo è possibile se e solo se Allora la somma è periodica, con periodo il minimo comune multiplo (si prendono primi tra loro).
Esempio 1 (rapporto razionale). . I periodi sono e . Rapporto razionale. Si cerca : la più piccola soluzione è , , quindi . Controllo: in il primo coseno compie 3 giri, il secondo 4 ✓.
Esempio 2 (rapporto irrazionale). ha ; periodico di periodo . Il rapporto è . 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 ). . Con il secondo termine è : una costante più una sinusoide di periodo . Il primo termine ha periodo . Rapporto : con dà . Il segnale è periodico di periodo (non quello di nessuno dei due termini presi da soli).
Potenza e valor medio di una somma di esponenziali. Se con frequenze tutte diverse e tutte non nulle, allora e : 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 (intero ) se per ogni . Il periodo è sempre un intero.
Consideriamo con , scrivendo dove è la frequenza numerica (in cicli per campione). Si ha , quindi serve :
è periodico se e solo se è razionale. Se con primi tra loro, il periodo minimo è .
Esempio 4. : , : periodo minimo .
Grafico interattivo: x(n) = cos(πn/6): ν = 1/12, periodo minimo N = 12 (il pattern si ripete dopo 12 campioni)
Esempio 5. : , irrazionale: non periodico, anche se il coseno continuo è periodico! Il campionamento con passo s trasforma in un segnale non periodico perché s non è un multiplo del passo.
Esempio 6 (somma). . Il primo ha , periodo . Il secondo ha , , periodo . La somma ha periodo .
Sinusoidi campionate. Se viene campionato con passo , si ottiene con (frequenza divisa per la frequenza di campionamento ). È periodico se è razionale. Ad esempio con Hz e s: , campioni = s: lo stesso periodo del segnale continuo. Con s: , 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 e sono segnali diversi se . Nel discreto, essendo intero, perché . Pulsazioni che differiscono per un multiplo di danno lo stesso segnale. Quindi basta considerare , e per le sinusoidi reali, poiché , basta . Le pulsazioni "alte" sono quelle vicine a (la sinusoide a è , la più veloce possibile); coincide con .
Forma canonica discreta. Una sinusoide , con , si dice in forma canonica se e . Per ridurre un'espressione qualunque:
- si toglie dall'argomento ogni multiplo di (il coefficiente di si riduce modulo );
- se il risultato ha pulsazione in si usa e si riporta la pulsazione a cambiando segno alla fase;
- si riduce la fase modulo a .
Esempio 7 (tema d'esame febbraio 2024). .
- Primo termine: , e è multiplo di . Quindi .
- Secondo termine: e è multiplo di (vale ). La fase si riduce togliendo : . Quindi .
Risultato: , con pulsazioni e entrambe in . 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 e (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 è periodico per ogni : serve razionale.
- Non ridurre le pulsazioni modulo : è la costante , non una sinusoide veloce.
- Dimenticare che in forma canonica l'ampiezza è non negativa: .
Versione ripasso
- Continuo: periodico di periodo se ; periodo minimo = più piccolo ; . : , , . : .
- Somma: periodica ; periodo = mcm (, primi tra loro). Es.: ha ; (periodo ) periodico di periodo : rapporto , non periodica. Con : ha .
- Somma di esponenziali a frequenze diverse e non nulle: , .
- Discreto: periodico (irriducibile), . Es.: : ; : non periodico; : . Sinusoide campionata: .
- Ambiguità: . Forma canonica: , , , (ridurre mod ; se in usare ). Es.: ; (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; non ridotta mod .
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 2 · proprietà, risposta impulsiva e risposta in frequenza di un sistema discreto (tema d'esame giugno 2023)
- Esercizio 7 · cascata di due sistemi discreti e ingresso sinusoidale (tema d'esame febbraio 2024)
- Esercizio 10 · ingressi periodici e zeri della risposta in frequenza (tema d'esame gennaio 2024)
- Esercizio 12 · serie di Fourier del coseno rettificato e filtro passa-basso ideale (tema d'esame febbraio 2023)
Teoria collegata
- Domande di teoria ricorrenti - enunciati e dimostrazioni
- Numeri complessi, formula di Eulero ed esponenziali complessi
- Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale
- Segnali - supporto, area, valor medio, energia e potenza
- Serie di Fourier - coefficienti di segnali notevoli
- Teorema del campionamento, interpolazione e aliasing
- Trasformata di Fourier a tempo discreto (TFtd)
- Trasformata di Fourier discreta (TFD)