Convoluzione
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La convoluzione è l'operazione fondamentale della teoria dei segnali e dei sistemi lineari: il suo ruolo principale è il filtraggio. Può sembrare astrusa finché non la si usa; qui si parte dalla definizione, poi si vedono le regole di calcolo, gli esempi e infine l'interpretazione.
Definizione e interpretazione
Definizione (convoluzione). La convoluzione di due segnali continui e è il segnale Con il cambio di variabile si ottiene l'espressione equivalente , che dice che .
Esempio. e (vale su ). Per : vale su e il prodotto è su quell'intervallo, quindi .
Si scrive e non : quest'ultima scrittura farebbe pensare che il valore in dipenda solo dai valori dei segnali in , mentre dipende da tutti.
Come si legge, in quattro passi. Per ottenere in un istante fissato:
- si disegnano e in funzione di una variabile ;
- si ribalta il secondo: ;
- lo si trasla di : (a destra se );
- si moltiplica e si prende l'area del prodotto: questo è il numero .
Al variare di la copia ribaltata scorre lungo l'asse e l'area del prodotto cambia. Si può tenere fisso il primo segnale (come sopra) oppure il secondo, scorrendo il primo ribaltato: il risultato è lo stesso. Conviene tenere fisso il segnale più lungo e far scorrere il più corto.
Grafico interattivo: Convoluzione di x(u) = e^(−u)·1(u) con y(u) = rect(u − 1/2), nell'istante t = 3/2: x(u) e y(t − u) = rect(1 − u) (la copia ribaltata e traslata); l'area colorata del prodotto, u tra 1/2 e 3/2, vale e^(−1/2) − e^(−3/2) ≈ 0,383
Estensione e durata
Se e hanno estensione limitata ed , l'integrando è non nullo solo per (qui è l'estensione di , come funzione di ). Se l'intersezione è vuota, : i due intervalli sono disgiunti quando o .
Regola (estensione della convoluzione). : gli estremi si sommano, e la durata della convoluzione è la somma delle durate, . Vale anche con estremi infiniti.
Esempio. (estensione ) e (estensione ) danno una convoluzione con estensione (durata ).
Questa regola dice in anticipo dove cercare il risultato e fa risparmiare il calcolo dei casi fuori dal supporto.
Proprietà
Proprietà. Per segnali (per cui gli integrali esistono) e costanti :
- linearità e distributività: ;
- commutativa: ; associativa: ;
- area: ;
- traslazione: , cioè ;
- elemento neutro: ;
- derivata: se e sono derivabili, ;
- parità: la convoluzione di due segnali pari (o di due dispari) è pari; di un pari e un dispari è dispari.
Esempio. (area ) e (area ) producono un trapezio di area (con le ampiezze e dell'esempio più sotto l'area è , confermata dalla convoluzione discretizzata).
Perché valgono. L'area: si integra in e si scambia l'ordine dei due integrali, . L'elemento neutro: per la proprietà rivelatrice (Impulso ideale (delta di Dirac)L'impulso ideale $\delta(t)$ è il segnale "nullo fuori dall'origine e di area $1$" definito dalla proprietà rivelatrice $\int s(t)\delta(t-t_0),dt=s(t_0)$: è il limite (in senso operativo) di impulsi rettangolari sempre più stretti e alti di area $1$. Serve per scrivere derivate dei segnali con salti (la derivata del gradino è $\delta$, il salto diventa un impulso di area pari al salto), come elemento neutro della convoluzione e come risposta impulsiva dei filtri. Non ha senso parlare di energia o potenza di $\delta$.Impulso ideale (delta di Dirac) →); in particolare (la convoluzione con un impulso traslato trasla). La derivata e l'associatività seguono dallo scambio di derivata (o integrale) e integrale.
Un caso che si usa molto: convolvere con il gradino integra, perché per .
Come si calcola: il metodo dell'intersezione
Per ogni si scrive con , e si distinguono gli intervalli di valori di per cui ha forma diversa (il confronto degli estremi). Il primo e l'ultimo intervallo sono quelli dove la convoluzione è nulla.
Esempio 1 - due impulsi rettangolari
Siano (estensione ) e (estensione ). La convoluzione ha estensione . Il secondo è più corto, quindi si tiene fisso e si fa scorrere , la cui estensione in è . Il prodotto vale nell'intersezione e :
| intersezione | lunghezza | ||
|---|---|---|---|
| o | vuota | ||
Il risultato è un trapezio isoscele: sale linearmente da a , resta costante a fino a , poi scende fino a . È continuo (i valori nei punti di raccordo coincidono). Con , , : altezza , zeri in , area . Se i due rect avessero la stessa durata il plateau si ridurrebbe a un punto e si otterrebbe un triangolo ().
Grafico interattivo: x(t) = 2·rect(t/4) e y(t) = 3·rect(t/2) (D = 1) e la loro convoluzione: un trapezio isoscele con estensione [−3, 3], altezza 12 (plateau tra −1 e 1) e area 48 = 8·6
Esempio 2 - rect con gradino, con coseno, con esponenziale
- Rect e gradino. è l'integrale del rect: per , la rampa per , poi la costante (l'area del rect): un gradino con "raccordo lineare" tra e .
- Rect e coseno. Con e (durata infinita, quindi anche l'uscita), tenendo fisso : La convoluzione con un coseno è ancora un coseno della stessa frequenza, con ampiezza cambiata: questo è il fatto fondamentale alla base del filtraggio (si veda Risposta in frequenza e filtriLa risposta in frequenza G(f) = F[g] di un filtro LTI dà Y = G·X. Gli esponenziali complessi sono autofunzioni (autovalore G(f)), quindi un ingresso sinusoidale esce sinusoidale con ampiezza moltiplicata per |G(f0)| e fase aumentata di arg G(f0). Il filtro è reale se G è hermitiana, invertibile se G non si annulla. I filtri ideali sono rect in frequenza; non distorsione secondo Heaviside: |G| costante e fase lineare.Risposta in frequenza e filtri →). Con , : ; in il calcolo numerico dell'integrale dà .
- Due esponenziali causali. : per l'intersezione è e , cioè Per , , : ; per , : . Nel caso uguale l'integrando è costante in , da cui il fattore .
- Gradino con sé stesso. , la rampa.
Esempio 3 - due gaussiane
Per e (), completando il quadrato nell'esponente dell'integrale: La convoluzione di due gaussiane è una gaussiana. Con , , : (confermato dall'integrale numerico). Lo stesso risultato si ottiene molto più in fretta passando in frequenza (Proprietà della trasformata di FourierLe regole della trasformata di Fourier trasformano operazioni sui segnali in operazioni sulle trasformate: linearità, ribaltamento, coniugio, traslazione nel tempo ($\times e^{-i2\pi ft_0}$) e in frequenza, convoluzione $\leftrightarrow$ prodotto, cambio di scala $s(at)\to\frac1{|a|}S(f/a)$, derivazione ($\times i2\pi f$), integrazione, regola di simmetria ($S(t)\to s(-f)$). Area $S(0)=\int s$, teorema di Parseval $\int|s|^2=\int|S|^2$. Durata e banda sono inversamente legati e un segnale non può avere durata e banda entrambe limitate; la banda del prodotto è la somma delle bande. Con queste regole si ricavano quasi tutte le trasformate senza integrare.Proprietà della trasformata di Fourier →).
Esempio 4 - convoluzione con impulsi
Per le proprietà dell'impulso, : la somma di due copie di , la seconda ritardata di e moltiplicata per .
Convoluzione di segnali periodici
La definizione con l'integrale su va usata di norma per segnali aperiodici. Se uno solo dei due è periodico, l'integrale esiste e il risultato è periodico con lo stesso periodo. Se entrambi sono periodici con lo stesso periodo , l'integrale su non esiste e si definisce la convoluzione ciclica (o periodica): Il risultato non dipende da ed è periodico di periodo . La convoluzione di segnali non periodici si dice per contrasto aciclica. Le proprietà precedenti valgono ancora (con l'area intesa su un periodo), e l'elemento neutro è l'impulso periodico : infatti perché un solo multiplo cade nell'intervallo.
Esempio. convoluto con sé stesso: le copie non si sovrappongono (larghezza ) e il risultato è la ripetizione periodica del triangolo ; con i valori in sono (calcolati con la FFT, si veda Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFTUn segnale discreto periodico di periodo $NT$ ha una trasformata discreta e periodica, la DFT: $S(kF)=\sum_{n=0}^{N-1}T,s(nT)e^{-i2\pi kn/N}$, con $F=1/(NT)$, e $s(nT)=\sum_{k=0}^{N-1}F,S(kF)e^{i2\pi kn/N}$. Dipende da soli $N$ numeri, si calcola senza approssimazioni e con la FFT costa $N\log_2N$ invece di $N^2$. I coefficienti di Fourier del segnale periodico sono $S_k=F,S(kF)$. La DFT dà anche campioni della trasformata di un segnale discreto o continuo a durata limitata (con zero-padding), ma la scalatura $T$ e l'asse delle frequenze vanno gestiti con cura.Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFT → per il legame tra convoluzione ciclica e prodotto delle DFT).
Un segnale aperiodico e uno periodico
Quando solo uno dei due segnali è periodico si usa la definizione ordinaria, con l'integrale su tutto . Sia aperiodico (per esempio a durata limitata) e periodico. Si porta la somma fuori dall'integrale (linearità) e per ogni si usa la regola della traslazione, : Il risultato è la ripetizione periodica della convoluzione di con un solo periodo di : è periodico con lo stesso periodo (basta traslare di per ritrovare la stessa somma) e non serve la convoluzione ciclica, che richiede entrambi i segnali periodici. Se le copie di non si sovrappongono (cioè se la durata di , che è , non supera ) si calcola una volta sola e lo si ripete; altrimenti si sommano le copie.
Due conseguenze utili. L'area di su un periodo è , quindi il valor medio del risultato è l'uscita ha il valor medio dell'ingresso periodico moltiplicato per l'area di (la stessa regola del filtraggio, ). E i coefficienti di Fourier di sono , con e trasformata di (Serie di FourierUn segnale periodico di periodo $T_p$ si scrive come somma di esponenziali alle frequenze multiple della fondamentale $F=1/T_p$: $s(t)=\sum_nS_ne^{i2\pi nFt}$, con $S_n=\frac1{T_p}\int_{T_p}s(t)e^{-i2\pi nFt}dt$. Si basa sull'ortogonalità degli esponenziali su un periodo. $S_0$ è il valor medio; per segnali reali $S_{-n}=S_n^*$ e si passa alla forma con coseni e seni; vale il teorema di Parseval $P=\sum|S_n|^2$. La convoluzione ciclica diventa il prodotto $T_pX_nY_n$ dei coefficienti. Le somme troncate presentano il fenomeno di Gibbs vicino ai salti.Serie di Fourier →, Proprietà della trasformata di FourierLe regole della trasformata di Fourier trasformano operazioni sui segnali in operazioni sulle trasformate: linearità, ribaltamento, coniugio, traslazione nel tempo ($\times e^{-i2\pi ft_0}$) e in frequenza, convoluzione $\leftrightarrow$ prodotto, cambio di scala $s(at)\to\frac1{|a|}S(f/a)$, derivazione ($\times i2\pi f$), integrazione, regola di simmetria ($S(t)\to s(-f)$). Area $S(0)=\int s$, teorema di Parseval $\int|s|^2=\int|S|^2$. Durata e banda sono inversamente legati e un segnale non può avere durata e banda entrambe limitate; la banda del prodotto è la somma delle bande. Con queste regole si ricavano quasi tutte le trasformate senza integrare.Proprietà della trasformata di Fourier →): la convoluzione con un segnale aperiodico moltiplica ogni armonica per un numero, senza mescolarle.
Esempio. Siano (durata , area ) e , cioè impulsi unitari larghi ripetuti ogni . Il periodo di centrato in è e (a si integra su e si trova ; a resta solo ). La durata è : le copie non si sovrappongono e è la ripetizione di questo "triangolo smussato" ogni , con valore in (a metà tra due copie). Il valor medio è . Verificato numericamente con calcolata su una griglia fitta: nei tre punti, in e , valor medio , e i coefficienti di Fourier ( per , per , per ) coincidono con .
Grafico interattivo: Convoluzione del triangolo tri(t) con il treno di rect di periodo 4: ripetizione periodica di tri*rect (altezza 3/4 in t = 0, 4, 8; nulla tra |t − 4k| = 3/2 e 5/2; valor medio 1/4)
Convoluzione e filtraggio
Nella pratica i due segnali non hanno lo stesso ruolo. Si scrive come modello di un dispositivo: è il segnale di ingresso, l'uscita e la risposta impulsiva. Il nome è giustificato: con si ottiene . Un dispositivo con lascia il segnale inalterato (trasformazione identica). Un tale dispositivo si chiama filtro e l'operazione filtraggio. L'uscita in è una media pesata di tutti i valori dell'ingresso, con pesi : per esempio con si ha la media mobile sugli ultimi secondi, e per un ingresso a gradino l'uscita è una rampa di durata . I filtri, la risposta in frequenza e le proprietà come causalità e stabilità sono in Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsivaUna tf lineare e tempo-invariante (LTI, filtro) ha nucleo h(t,u) = g(t-u): l'uscita è la convoluzione y = gx con la risposta impulsiva g (uscita all'impulso ideale nell'origine). Causale se e solo se g è causale; stabile BIBO se e solo se g è assolutamente integrabile (sommabile); reale se e solo se g è reale. Cascata: g = g2g1; parallelo: g1+g2; retroazione: Ge = G/(1+HG) in frequenza.Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsiva → e Risposta in frequenza e filtriLa risposta in frequenza G(f) = F[g] di un filtro LTI dà Y = G·X. Gli esponenziali complessi sono autofunzioni (autovalore G(f)), quindi un ingresso sinusoidale esce sinusoidale con ampiezza moltiplicata per |G(f0)| e fase aumentata di arg G(f0). Il filtro è reale se G è hermitiana, invertibile se G non si annulla. I filtri ideali sono rect in frequenza; non distorsione secondo Heaviside: |G| costante e fase lineare.Risposta in frequenza e filtri →; nel dominio della frequenza la convoluzione diventa un prodotto (Proprietà della trasformata di FourierLe regole della trasformata di Fourier trasformano operazioni sui segnali in operazioni sulle trasformate: linearità, ribaltamento, coniugio, traslazione nel tempo ($\times e^{-i2\pi ft_0}$) e in frequenza, convoluzione $\leftrightarrow$ prodotto, cambio di scala $s(at)\to\frac1{|a|}S(f/a)$, derivazione ($\times i2\pi f$), integrazione, regola di simmetria ($S(t)\to s(-f)$). Area $S(0)=\int s$, teorema di Parseval $\int|s|^2=\int|S|^2$. Durata e banda sono inversamente legati e un segnale non può avere durata e banda entrambe limitate; la banda del prodotto è la somma delle bande. Con queste regole si ricavano quasi tutte le trasformate senza integrare.Proprietà della trasformata di Fourier →).
Per segnali a tempo discreto la convoluzione è una somma (Segnali a tempo discretoUn segnale a tempo discreto è una funzione complessa $s(nT)$ definita sui multipli interi del quanto temporale $T$ (insieme $\mathbb Z(T)$, velocità $F_p=1/T$). Le definizioni sono quelle dei segnali continui con la somma al posto dell'integrale e il quanto $T$ al posto di $dt$: area $\sum T,s(nT)$, energia $\sum T|s(nT)|^2$, convoluzione $\sum T,x(kT)y(nT-kT)$. L'impulso ideale discreto vale $1/T$ nell'origine. Esponenziali e sinusoidi discreti sono periodici solo se $f_0/F_p$ è razionale e hanno frequenza ambigua a meno di multipli di $F_p$. I segnali periodici con periodo $NT$ sono descritti da $N$ valori e si trattano al calcolatore.Segnali a tempo discreto →); la sua versione numerica è in Esercizio - laboratorio 2, convoluzione numerica.
Esercizi collegati
Versione ripasso
- Definizione: , quindi . Per calcolare si fissa , si ribalta (), si trasla di (), si moltiplica per e si integra. Esempio: , , .
- Estensione: se ed , allora : la durata è la somma delle durate. Esempio: ha estensione .
- Proprietà: linearità; commutatività; associatività; ; ; elemento neutro ; ; parità: paripari e disparidispari sono pari, paridispari è dispari.
- Convoluzione con il gradino: (integrazione). Esempio: .
- Metodo dell'intersezione: per ogni si integra su , distinguendo gli intervalli di in cui cambia forma.
- Rectrect: con e il risultato è un trapezio isoscele: per , per , per . Esempio: , , danno altezza e area . Con rect di uguale durata si ottiene un triangolo.
- Rectcoseno: : un coseno della stessa frequenza, con ampiezza cambiata (Risposta in frequenza e filtriLa risposta in frequenza G(f) = F[g] di un filtro LTI dà Y = G·X. Gli esponenziali complessi sono autofunzioni (autovalore G(f)), quindi un ingresso sinusoidale esce sinusoidale con ampiezza moltiplicata per |G(f0)| e fase aumentata di arg G(f0). Il filtro è reale se G è hermitiana, invertibile se G non si annulla. I filtri ideali sono rect in frequenza; non distorsione secondo Heaviside: |G| costante e fase lineare.Risposta in frequenza e filtri →). Esempio: , dà .
- Esponenziali causali: se , e se . Esempio: , , dà .
- Gaussiane: . Esempio: , , dà . Il calcolo più rapido passa dalla frequenza (Proprietà della trasformata di FourierLe regole della trasformata di Fourier trasformano operazioni sui segnali in operazioni sulle trasformate: linearità, ribaltamento, coniugio, traslazione nel tempo ($\times e^{-i2\pi ft_0}$) e in frequenza, convoluzione $\leftrightarrow$ prodotto, cambio di scala $s(at)\to\frac1{|a|}S(f/a)$, derivazione ($\times i2\pi f$), integrazione, regola di simmetria ($S(t)\to s(-f)$). Area $S(0)=\int s$, teorema di Parseval $\int|s|^2=\int|S|^2$. Durata e banda sono inversamente legati e un segnale non può avere durata e banda entrambe limitate; la banda del prodotto è la somma delle bande. Con queste regole si ricavano quasi tutte le trasformate senza integrare.Proprietà della trasformata di Fourier →).
- Impulsi: , somma di copie di .
- Segnali periodici: se uno solo è periodico il risultato è periodico con lo stesso periodo: , con valor medio . Se entrambi hanno periodo si usa la convoluzione ciclica , con neutro . Esempio: convoluto con sé stesso dà ripetuto, con valori , , in per .
- Filtraggio: , con risposta impulsiva; con si ottiene . Esempio: è una media mobile sugli ultimi secondi (Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsivaUna tf lineare e tempo-invariante (LTI, filtro) ha nucleo h(t,u) = g(t-u): l'uscita è la convoluzione y = gx con la risposta impulsiva g (uscita all'impulso ideale nell'origine). Causale se e solo se g è causale; stabile BIBO se e solo se g è assolutamente integrabile (sommabile); reale se e solo se g è reale. Cascata: g = g2g1; parallelo: g1+g2; retroazione: Ge = G/(1+HG) in frequenza.Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsiva →). Nel dominio della frequenza la convoluzione diventa un prodotto. Per segnali discreti la convoluzione è una somma (Segnali a tempo discretoUn segnale a tempo discreto è una funzione complessa $s(nT)$ definita sui multipli interi del quanto temporale $T$ (insieme $\mathbb Z(T)$, velocità $F_p=1/T$). Le definizioni sono quelle dei segnali continui con la somma al posto dell'integrale e il quanto $T$ al posto di $dt$: area $\sum T,s(nT)$, energia $\sum T|s(nT)|^2$, convoluzione $\sum T,x(kT)y(nT-kT)$. L'impulso ideale discreto vale $1/T$ nell'origine. Esponenziali e sinusoidi discreti sono periodici solo se $f_0/F_p$ è razionale e hanno frequenza ambigua a meno di multipli di $F_p$. I segnali periodici con periodo $NT$ sono descritti da $N$ valori e si trattano al calcolatore.Segnali a tempo discreto →).
- Convoluzione ciclica e DFT: il legame con il prodotto delle DFT è in Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFTUn segnale discreto periodico di periodo $NT$ ha una trasformata discreta e periodica, la DFT: $S(kF)=\sum_{n=0}^{N-1}T,s(nT)e^{-i2\pi kn/N}$, con $F=1/(NT)$, e $s(nT)=\sum_{k=0}^{N-1}F,S(kF)e^{i2\pi kn/N}$. Dipende da soli $N$ numeri, si calcola senza approssimazioni e con la FFT costa $N\log_2N$ invece di $N^2$. I coefficienti di Fourier del segnale periodico sono $S_k=F,S(kF)$. La DFT dà anche campioni della trasformata di un segnale discreto o continuo a durata limitata (con zero-padding), ma la scalatura $T$ e l'asse delle frequenze vanno gestiti con cura.Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFT →.
Errori tipici:
- Scrivere invece di : il valore in dipende da tutto il segnale, non solo dai valori in .
- Dimenticare il ribaltamento: si usa , non .
- Sommare le estensioni invece dei loro estremi, o sommare le durate in modo sbagliato.
- Scambiare il caso con la formula generale del quoziente (si divide per zero).
- Usare l'integrale su per due segnali periodici di uguale periodo: serve la convoluzione ciclica.
Esercizi su questo argomento
- Esercizio - banda di un prodotto e convoluzione di sinc
- Esercizio - cascata di filtri discreti con decimazione (prova scritta del 17 settembre 2025)
- Esercizio - cascata filtro con due impulsi, campionatore e finestra (prova scritta dell'11 luglio 2025)
- Esercizio - cascata interpolatore, filtro triangolare e campionatore (prova scritta del 6 febbraio 2026)
- Esercizio - connessioni in cascata e in parallelo di trasformazioni LTI
- Esercizio - convoluzione ciclica di impulsi rettangolari periodici
- Esercizio - convoluzione di gradino ed esponenziali causali
- Esercizio - convoluzione di impulsi rettangolari
- Esercizio - convoluzione di impulsi rettangolari discreti
- Esercizio - decimazione, interpolazione esponenziale e convoluzione di segnali discreti (prova scritta del 19 giugno 2025)
- Esercizio - equazione alle differenze del secondo ordine - evoluzione libera, risposta impulsiva e risposta forzata
- Esercizio - filtraggio di un impulso rettangolare con convoluzione e trasformate in Python (laboratorio 5)
- Esercizio - interpolatori in cascata e interpolazione parabolica a tratti
- Esercizio - inversa di un filtro e verifica di g convoluta con g_i uguale a delta
- Esercizio - laboratorio 2, convoluzione numerica
- Esercizio - laboratorio 3, segnali discreti
- Esercizio - parte pari e dispari di un segnale reale e convoluzione di gaussiane
- Esercizio - proprietà della convoluzione
- Esercizio - segnale discreto esponenziale, finestra triangolare e campionamento (prova scritta del 3 settembre 2025)
- Esercizio - sinc modulato, estensione spettrale e campionamento a massima efficienza (prova scritta del 3 settembre 2025)
- Esercizio - trasformata del gradino modulato e del triangolo
Teoria collegata
- Sistemi LTI e convoluzione discreta
- Impulso ideale (delta di Dirac)
- Processi aleatori attraverso sistemi LTI
- Proprietà della trasformata di Fourier
- Segnali a tempo continuo - definizioni e trasformazioni
- Segnali a tempo discreto
- Segnali notevoli - gradino, rect, tri, sinc ed esponenziali
- Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsiva
- Trasformata di Fourier
- Trasformazioni e sistemi - proprietà