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Note per Studenti Esercizio 18 · spettro, campionamento e filtraggio di sinc quadro più coseno (tema d'esame gennaio 2024)

Esercizio 18spettro, campionamento e filtraggio di sinc quadro più coseno (tema d'esame gennaio 2024)

Esame
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Testo (tema d'esame gennaio 2024, esercizio 2, 7 punti). Sia x(t)=sinc⁡2(tT)+cos⁡(3πTt)x(t)=\operatorname{sinc}^2\left(\frac tT\right)+\cos\left(\frac{3\pi}Tt\right).

  1. Calcolare e tracciare la trasformata di Fourier di x(t)x(t). (Suggerimento: può essere comodo usare la notazione ω0=πT\omega_0=\frac\pi T.)
  2. Calcolare e tracciare la trasformata di Fourier di y(t)=cos⁡(4πTt)x(t)y(t)=\cos\left(\frac{4\pi}Tt\right)x(t).
  3. Determinare le minime frequenze di campionamento per i segnali xx e yy, in modo che sia rispettato il criterio di Nyquist.
  4. Dato h(t)=32Tsinc⁡(32Tt)h(t)=\frac3{2T}\operatorname{sinc}\left(\frac3{2T}t\right), calcolare z(t)=h∗y(t)z(t)=h*y(t).

Teoria usata: Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzatiCon le delta di Dirac in frequenza si trasformano anche segnali non integrabili: $1\leftrightarrow2\pi\delta(\omega)$, $e^{j\omega_0t}\leftrightarrow2\pi\delta(\omega-\omega_0)$, $\cos\omega_0t\leftrightarrow\pi[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)]$, $u(t)\leftrightarrow\pi\delta(\omega)+\frac1{j\omega}$. Un segnale periodico con coefficienti $a_k$ ha spettro a righe $2\pi\sum a_k\delta(\omega-k\omega_0)$: la periodizzazione nel tempo è un campionamento in frequenza.Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzati →, 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 →, 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 →, 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 →.

(1) Lo spettro di xx

Il segnale è la somma di due componenti con trasformate note, per linearità.

X(ω)=TΛ(ω2ω0)+π δ(ω−3ω0)+π δ(ω+3ω0).X(\omega)=T\Lambda\left(\frac\omega{2\omega_0}\right)+\pi\,\delta(\omega-3\omega_0)+\pi\,\delta(\omega+3\omega_0). Il grafico è un triangolo centrato nell'origine (altezza TT, da −2ω0-2\omega_0 a 2ω02\omega_0) più due impulsi di Dirac di area π\pi in ±3ω0\pm3\omega_0, fuori dal triangolo (3ω0>2ω03\omega_0>2\omega_0). Il segnale ha banda limitata, con massima pulsazione 3ω03\omega_0.

(2) Lo spettro di y(t)=cos⁡(4ω0t) x(t)y(t)=\cos(4\omega_0t)\,x(t)

Modulazione: Y(ω)=12[X(ω−4ω0)+X(ω+4ω0)]Y(\omega)=\frac12\left[X(\omega-4\omega_0)+X(\omega+4\omega_0)\right]. Trasla di ±4ω0\pm4\omega_0 ogni componente di XX dimezzandola: Y(ω)=T2[Λ(ω−4ω02ω0)+Λ(ω+4ω02ω0)]+π2[δ(ω−7ω0)+δ(ω−ω0)+δ(ω+7ω0)+δ(ω+ω0)].Y(\omega)=\frac T2\left[\Lambda\left(\frac{\omega-4\omega_0}{2\omega_0}\right)+\Lambda\left(\frac{\omega+4\omega_0}{2\omega_0}\right)\right]+\frac\pi2\left[\delta(\omega-7\omega_0)+\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+7\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)\right]. Gli impulsi: da δ(ω∓3ω0)\delta(\omega\mp3\omega_0) traslati di +4ω0+4\omega_0 si ottengono ω=7ω0\omega=7\omega_0 (3ω0+4ω03\omega_0+4\omega_0) e ω=ω0\omega=\omega_0 (−3ω0+4ω0-3\omega_0+4\omega_0); traslati di −4ω0-4\omega_0: ω=−ω0\omega=-\omega_0 e −7ω0-7\omega_0. Ciascuno ha area π2\frac\pi2. I due triangoli (altezza T2\frac T2) occupano [2ω0,6ω0][2\omega_0,6\omega_0] e [−6ω0,−2ω0][-6\omega_0,-2\omega_0]: gli impulsi in ±ω0\pm\omega_0 stanno tra i due triangoli (in ∣ω∣<2ω0|\omega|<2\omega_0, che è libero) e quelli in ±7ω0\pm7\omega_0 fuori (oltre 6ω06\omega_0). Nessuna sovrapposizione. (Controllo numerico: con T=1T=1 le righe a ω0\omega_0 e 7ω07\omega_0 hanno coefficiente esponenziale 14\frac14, cioè impulsi di area 2π⋅14=π22\pi\cdot\frac14=\frac\pi2; quella a 3ω03\omega_0 è nulla.)

(3) Frequenze minime di campionamento

Il criterio di Nyquist richiede Fc≥ωmax⁡π=2fmax⁡F_c\ge\frac{\omega_{\max}}\pi=2f_{\max} (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 →).

  • xx: ωmax⁡=3ω0=3πT\omega_{\max}=3\omega_0=\frac{3\pi}T, quindi Fc≥3π/Tπ=3TF_c\ge\frac{3\pi/T}{\pi}=\frac3T. (Il sinc quadro ha banda 2ω02\omega_0, ma la sinusoide a 3ω03\omega_0 è il punto più alto dello spettro: conta il massimo.)
  • yy: ωmax⁡=7ω0\omega_{\max}=7\omega_0, quindi Fc≥7ω0π=7TF_c\ge\frac{7\omega_0}{\pi}=\frac7T. La modulazione ha alzato la massima pulsazione, e con essa la frequenza di campionamento necessaria: più del doppio.

(Per la sinusoide pura a 3ω03\omega_0 che si trova esattamente al limite, il rigore richiederebbe la disuguaglianza stretta; il testo usa ≥\ge.)

(4) Il filtraggio z=h∗yz=h*y

La risposta in frequenza di h(t)=32Tsinc⁡(32Tt)h(t)=\frac3{2T}\operatorname{sinc}\left(\frac3{2T}t\right) si ottiene da sinc⁡(tτ)↔τrect⁡(τω2π)\operatorname{sinc}\left(\frac t\tau\right)\leftrightarrow\tau\operatorname{rect}\left(\frac{\tau\omega}{2\pi}\right) con 1τ=32T\frac1\tau=\frac3{2T}, τ=2T3\tau=\frac{2T}3: H(ω)=32T⋅2T3rect⁡(2T3ω2π)=rect⁡(Tω3π)=rect⁡(ω3ω0)H(\omega)=\frac3{2T}\cdot\frac{2T}3\operatorname{rect}\left(\frac{\frac{2T}3\omega}{2\pi}\right)=\operatorname{rect}\left(\frac{T\omega}{3\pi}\right)=\operatorname{rect}\left(\frac{\omega}{3\omega_0}\right) (perché T3π=13ω0\frac{T}{3\pi}=\frac1{3\omega_0}). Vale 11 per ∣ω∣<32ω0|\omega|<\frac32\omega_0 e 00 fuori: un passa-basso ideale con taglio 32ω0\frac32\omega_0 e guadagno unitario (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 →).

Il prodotto Z(ω)=H(ω)Y(ω)Z(\omega)=H(\omega)Y(\omega) tiene solo ciò che sta in ∣ω∣<32ω0|\omega|<\frac32\omega_0: dello spettro di YY restano soltanto gli impulsi in ±ω0\pm\omega_0 (ora ω0<32ω0\omega_0<\frac32\omega_0 ✓); i triangoli (da 2ω02\omega_0) e gli impulsi in ±7ω0\pm7\omega_0 sono fuori banda e eliminati: Z(ω)=π2[δ(ω−ω0)+δ(ω+ω0)]⟹z(t)=12cos⁡(ω0t)=12cos⁡(πtT).Z(\omega)=\frac\pi2\left[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)\right]\quad\Longrightarrow\quad z(t)=\frac12\cos(\omega_0t)=\frac12\cos\left(\frac{\pi t}T\right). (Controllato numericamente filtrando in frequenza il segnale con T=1T=1: la differenza con 12cos⁡(πt)\frac12\cos(\pi t) è dell'ordine di 10−1210^{-12}.)

Osservazione. Lo schema y→h→y\to h\to campionatore è quello tipico di un convertitore A/D: il filtro passa-basso riduce la banda di zz a 32ω0\frac32\omega_0, per cui bastano Fc>ω0π=1TF_c>\frac{\omega_0}{\pi}=\frac1T campioni al secondo per ricostruire zz, molto meno dei 7T\frac7T necessari per yy.

Errori comuni

  • Dimenticare di moltiplicare per 12\frac12 le componenti modulate (triangoli ad altezza T2\frac T2, impulsi di area π2\frac\pi2).
  • Calcolare gli impulsi di YY come 3ω0±4ω03\omega_0\pm4\omega_0 e dimenticare quelli di −3ω0-3\omega_0 (sono quattro in tutto: ±ω0\pm\omega_0, ±7ω0\pm7\omega_0).
  • Prendere la banda del triangolo (2ω02\omega_0) come ωmax⁡\omega_{\max} di xx ignorando la sinusoide a 3ω03\omega_0.
  • Calcolare la banda di HH con il fattore sbagliato: rect⁡(ω3ω0)\operatorname{rect}\left(\frac{\omega}{3\omega_0}\right) ha semilarghezza 32ω0\frac32\omega_0, non 3ω03\omega_0.

Versione ripasso

Testo. x=sinc⁡2tT+cos⁡3πtTx=\operatorname{sinc}^2\frac tT+\cos\frac{3\pi t}T (ω0=πT\omega_0=\frac\pi T): XX; YY di y=cos⁡(4ω0t)xy=\cos(4\omega_0t)x; frequenze di Nyquist; z=h∗yz=h*y con h=32Tsinc⁡3t2Th=\frac3{2T}\operatorname{sinc}\frac{3t}{2T} (gennaio 2024).

Teoria collegata