Esercizio 18spettro, campionamento e filtraggio di sinc quadro più coseno (tema d'esame gennaio 2024)
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Testo (tema d'esame gennaio 2024, esercizio 2, 7 punti). Sia .
- Calcolare e tracciare la trasformata di Fourier di . (Suggerimento: può essere comodo usare la notazione .)
- Calcolare e tracciare la trasformata di Fourier di .
- Determinare le minime frequenze di campionamento per i segnali e , in modo che sia rispettato il criterio di Nyquist.
- Dato , calcolare .
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
Il segnale è la somma di due componenti con trasformate note, per linearità.
- Primo termine: (regola di scala da , 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 →). Con si ha , quindi : un triangolo di altezza e semibase (supporto ).
- Secondo termine: (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 →).
Il grafico è un triangolo centrato nell'origine (altezza , da a ) più due impulsi di Dirac di area in , fuori dal triangolo (). Il segnale ha banda limitata, con massima pulsazione .
(2) Lo spettro di
Modulazione: . Trasla di ogni componente di dimezzandola: Gli impulsi: da traslati di si ottengono () e (); traslati di : e . Ciascuno ha area . I due triangoli (altezza ) occupano e : gli impulsi in stanno tra i due triangoli (in , che è libero) e quelli in fuori (oltre ). Nessuna sovrapposizione. (Controllo numerico: con le righe a e hanno coefficiente esponenziale , cioè impulsi di area ; quella a è nulla.)
(3) Frequenze minime di campionamento
- : , quindi . (Il sinc quadro ha banda , ma la sinusoide a è il punto più alto dello spettro: conta il massimo.)
- : , quindi . La modulazione ha alzato la massima pulsazione, e con essa la frequenza di campionamento necessaria: più del doppio.
(Per la sinusoide pura a che si trova esattamente al limite, il rigore richiederebbe la disuguaglianza stretta; il testo usa .)
(4) Il filtraggio
La risposta in frequenza di si ottiene da con , : (perché ). Vale per e fuori: un passa-basso ideale con taglio 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 tiene solo ciò che sta in : dello spettro di restano soltanto gli impulsi in (ora ✓); i triangoli (da ) e gli impulsi in sono fuori banda e eliminati: (Controllato numericamente filtrando in frequenza il segnale con : la differenza con è dell'ordine di .)
Osservazione. Lo schema campionatore è quello tipico di un convertitore A/D: il filtro passa-basso riduce la banda di a , per cui bastano campioni al secondo per ricostruire , molto meno dei necessari per .
Errori comuni
- Dimenticare di moltiplicare per le componenti modulate (triangoli ad altezza , impulsi di area ).
- Calcolare gli impulsi di come e dimenticare quelli di (sono quattro in tutto: , ).
- Prendere la banda del triangolo () come di ignorando la sinusoide a .
- Calcolare la banda di con il fattore sbagliato: ha semilarghezza , non .
Versione ripasso
Testo. (): ; di ; frequenze di Nyquist; con (gennaio 2024).
- (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 →): ; .
- : : triangoli (altezza ) in (supporto ) e impulsi di area in , .
- Nyquist (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 →): : ; : .
- Filtro: (passa-basso, taglio , guadagno ) , (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 →).
- Errori: della modulazione; solo due impulsi in ; dal triangolo; semilarghezza di .