Séries e transformada de Fourier

Harmónicos, coeficientes complexos, transformada contínua e propriedades do espectro.

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Para prever o que um filtro conserva, descrevemos o sinal por frequências. Um sinal periódico tem harmónicos separados pela frequência fundamental. Um sinal aperiódico pode precisar de um contínuo de frequências.

Série complexa de Fourier

Para período fundamental T0T_0 e ω0=2π/T0\omega_0=2\pi/T_0,

x(t)=∑k=−∞∞akejkω0t,ak=1T0∫t0t0+T0x(t)e−jkω0tdt.x(t)=\sum_{k=-\infty}^{\infty}a_ke^{jk\omega_0t}, \qquad a_k=\frac1{T_0}\int_{t_0}^{t_0+T_0}x(t)e^{-jk\omega_0t}dt.

Integra qualquer período completo. a0a_0 é o valor médio. Para sinais reais, a−k=ak∗a_{-k}=a_k^*. Sob condições usuais de regularidade, a série converge para o sinal nos pontos contínuos e para a média dos limites laterais nos saltos. Não promete reproduzir o valor escolhido arbitrariamente no ponto de descontinuidade.

Por Euler, Acos⁡(ω0t+ϕ)A\cos(\omega_0t+\phi) tem a1=(A/2)ejϕa_1=(A/2)e^{j\phi}, a−1=(A/2)e−jϕa_{-1}=(A/2)e^{-j\phi} e restantes zero. A amplitude AA divide-se entre frequências positiva e negativa. Não confundas esses coeficientes com o fasor de pico AejϕAe^{j\phi}.

Simetria e harmónicos

Para um sinal real e par, os coeficientes são reais e a forma trigonométrica só tem cossenos. Para um sinal real e ímpar, aparecem senos. Se x(t+T0/2)=−x(t)x(t+T_0/2)=-x(t), não há componente contínua nem harmónicos pares.

Exemplo: onda quadrada

Uma onda de amplitude ±A\pm A é positiva em 0<t<T0/20<t<T_0/2 e negativa em −T0/2<t<0-T_0/2<t<0. É ímpar e tem simetria de meia onda. Assim, a0=0a_0=0 e os harmónicos pares desaparecem.

Para obter os coeficientes dos senos, somamos as duas metades do período. Como x(t)x(t) e sin⁡(kω0t)\sin(k\omega_0t) são ímpares, o produto é par:

bk=4AT0∫0T0/2sin⁡(kω0t)dt=2Akπ[1−(−1)k].b_k=\frac{4A}{T_0}\int_0^{T_0/2}\sin(k\omega_0t)dt =\frac{2A}{k\pi}[1-(-1)^k].

Para kk par, o resultado é zero. Para kk ímpar positivo, bk=4A/(kπ)b_k=4A/(k\pi). Pela identidade de Euler, ak=bk/(2j)=2A/(jkπ)a_k=b_k/(2j)=2A/(jk\pi), e a−k=ak∗a_{-k}=a_k^*. A série fica

x(t)=4Aπ[sin⁡(ω0t)+13sin⁡(3ω0t)+15sin⁡(5ω0t)+⋯ ].x(t)=\frac{4A}{\pi}\left[ \sin(\omega_0t)+\frac13\sin(3\omega_0t)+\frac15\sin(5\omega_0t)+\cdots\right].

O primeiro harmónico tem amplitude 4A/π4A/\pi, maior que AA. Os restantes corrigem a forma; não se somam todos como valores máximos simultâneos.

A soma truncada oscila junto dos saltos. Ao acrescentar termos, a região dessas oscilações estreita, mas a ultrapassagem de Gibbs não desaparece em amplitude relativa.

A demo usa A=1A=1 num período normalizado. Compara uma soma de um termo com uma de quinze: a zona de oscilação junto do salto fica mais estreita, mas o máximo ainda ultrapassa 11. O controlo conta termos ímpares; três termos correspondem aos harmónicos 11, 33 e 55.

Harmónicos 1, 3 e 5.

1−1t / T₀0,5

Parseval dá Px=∑k∣ak∣2P_x=\sum_k|a_k|^2 para um sinal periódico com a convenção acima. Na onda quadrada, Px=A2P_x=A^2, consistente com ∣x∣2=A2|x|^2=A^2 quase em todo o período.

Transformada contínua

Fixamos a convenção angular

X(ω)=∫−∞∞x(t)e−jωtdt,x(t)=12π∫−∞∞X(ω)ejωtdω.X(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}x(t)e^{-j\omega t}dt, \qquad x(t)=\frac1{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)e^{j\omega t}d\omega.

O fator 1/(2π)1/(2\pi) pertence à inversa. Se mudares para frequência em hertz, mudam os fatores no exponencial. Para xx absolutamente integrável, a integral direta está definida; sinais de energia finita admitem a transformada no sentido de quadrado integrável. Sinais periódicos e impulsos exigem distribuições.

Para x(t)=Ae−atu(t)x(t)=Ae^{-at}u(t), a>0a>0,

X(ω)=A∫0∞e−(a+jω)tdt=Aa+jω.X(\omega)=A\int_0^\infty e^{-(a+j\omega)t}dt =\frac A{a+j\omega}.

Para um pulso retangular de altura AA, centrado em zero e duração TT,

X(ω)=AT sinc⁡(ωT/2),sinc⁡(z)=sin⁡zz,sinc⁡(0)=1.X(\omega)=AT\,\operatorname{sinc}(\omega T/2), \qquad\operatorname{sinc}(z)=\frac{\sin z}{z},\quad\operatorname{sinc}(0)=1.

Em ω=0\omega=0, a transformada vale ATAT, a área do pulso. Para ω≠0\omega\ne0, o integral que produz a sinc é

A∫−T/2T/2e−jωtdt=A−jω(e−jωT/2−ejωT/2)=2Aωsin⁡(ωT/2).A\int_{-T/2}^{T/2}e^{-j\omega t}dt =\frac A{-j\omega}(e^{-j\omega T/2}-e^{j\omega T/2}) =\frac{2A}{\omega}\sin(\omega T/2).

Os primeiros zeros ocorrem em ω=±2π/T\omega=\pm2\pi/T. Encurtar o pulso alarga o espectro. Esta definição de sinc usa radianos no argumento; outras convenções incluem π\pi.

Propriedades úteis

Com as integrais definidas, ou na interpretação apropriada de distribuições:

  • Linearidade: ax1+bx2ax_1+bx_2 transforma-se em aX1+bX2aX_1+bX_2.
  • Atraso: x(t−t0)x(t-t_0) transforma-se em e−jωt0X(ω)e^{-j\omega t_0}X(\omega). Altera fase, não módulo.
  • Escala: x(at)x(at) transforma-se em X(ω/a)/∣a∣X(\omega/a)/|a| para a≠0a\ne0.
  • Derivada: x′(t)x'(t) transforma-se em jωX(ω)j\omega X(\omega), com as condições de fronteira adequadas.
  • Convolução: x∗hx*h transforma-se em XHXH, um produto.
  • Produto temporal: xhxh transforma-se em (X∗H)/(2π)(X*H)/(2\pi), uma convolução em frequência.

Para sinais reais, X(−ω)=X(ω)∗X(-\omega)=X(\omega)^*, logo o módulo é par. A energia satisfaz Ex=(1/2π)∫∣X(ω)∣2dωE_x=(1/2\pi)\int|X(\omega)|^2d\omega. A representação espectral não cria nem elimina energia; muda a forma de a calcular.

Um impulso tem transformada um. Uma constante unitária tem transformada 2πδ(ω)2\pi\delta(\omega). Uma sinusoide de frequência ω0\omega_0 tem impulsos em ±ω0\pm\omega_0, não um espectro contínuo ordinário.

Exercícios

Coeficientes, fasor e potência de um sinal periódico

O sinal é x(t)=2+6cos⁡(ω0t+π/3) Vx(t)=2+6\cos(\omega_0t+\pi/3)\,\mathrm V, com ω0>0\omega_0>0.

Determina todos os coeficientes não nulos da série complexa de Fourier. Escreve também o fasor de pico da componente sinusoidal e calcula a potência média do sinal por dois métodos.

Pista

Começa por Euler e mantém a componente contínua ao elevar o sinal ao quadrado.

Solução

Euler separa o cosseno em duas frequências:

x(t)=2+3ejπ/3ejω0t+3e−jπ/3e−jω0t.x(t)=2+3e^{j\pi/3}e^{j\omega_0t}+3e^{-j\pi/3}e^{-j\omega_0t}.

Assim, a0=2 Va_0=2\,\mathrm V, a1=3ejπ/3 Va_1=3e^{j\pi/3}\,\mathrm V e a−1=3e−jπ/3 Va_{-1}=3e^{-j\pi/3}\,\mathrm V; os restantes são zero. O fasor de pico da componente sinusoidal é 6ejπ/3 V6e^{j\pi/3}\,\mathrm V, duas vezes a1a_1.

No tempo, x2=4+24cos⁡(ω0t+π/3)+36cos⁡2(ω0t+π/3)x^2=4+24\cos(\omega_0t+\pi/3)+36\cos^2(\omega_0t+\pi/3). As médias do cosseno e do seu quadrado são 00 e 1/21/2, logo Px=4+18=22 V2P_x=4+18=22\,\mathrm{V^2}.

Parseval confirma ∑k∣ak∣2=22+32+32=22 V2\sum_k|a_k|^2=2^2+3^2+3^2=22\,\mathrm{V^2}. Para potência elétrica numa resistência de RR ohms, divide por RR.

Confere a tua resposta:

  • Obtém a0 = 2 e a±1 = 3 exp(±jπ/3).
  • Distingue fasor de pico 6 exp(jπ/3) do coeficiente a1.
  • Verifica potência 22 V² no tempo e por Parseval.
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Espectro de um pulso deslocado

Um pulso de altura 2 V2\,\mathrm V e duração 2 ms2\,\mathrm{ms} está centrado em t=3 mst=3\,\mathrm{ms}. Usa X(ω)=∫x(t)e−jωtdtX(\omega)=\int x(t)e^{-j\omega t}dt e sinc⁡(z)=sin⁡(z)/z\operatorname{sinc}(z)=\sin(z)/z.

Obtém a transformada a partir da do pulso centrado em zero. O atraso muda a posição do primeiro zero positivo do espectro?

Pista

Identifica separadamente a duração do pulso e o instante do seu centro.

Solução

O pulso centrado em zero tem X0(ω)=ATsinc⁡(ωT/2)=0,004sinc⁡(0,001ω)X_0(\omega)=AT\operatorname{sinc}(\omega T/2)=0{,}004\operatorname{sinc}(0{,}001\omega), em V s\mathrm{V\,s}. O pulso pedido é x(t)=x0(t−0,003)x(t)=x_0(t-0{,}003), logo

X(ω)=0,004sinc⁡(0,001ω)e−j0,003ω.X(\omega)=0{,}004\operatorname{sinc}(0{,}001\omega)e^{-j0{,}003\omega}.

O fator exponencial tem módulo um. Acrescenta fase −0,003ω-0{,}003\omega onde X0≠0X_0\ne0, mas mantém o módulo e os zeros. O primeiro zero continua em ω=1000π rad/s\omega=1000\pi\,\mathrm{rad/s}, ou f=500 Hzf=500\,\mathrm{Hz}. O sinal mudou de posição no tempo, não de duração.

Confere a tua resposta:

  • Obtém 0,004 sinc(0,001ω) exp(−j0,003ω).
  • Mantém os zeros, com primeiro zero em 500 Hz.
  • Explica o atraso pela fase adicional.
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Primeiro harmónico da onda quadrada

Uma onda quadrada ±1\pm1 de período T0T_0 é positiva em 0<t<T0/20<t<T_0/2 e negativa em −T0/2<t<0-T_0/2<t<0. Integra aka_k num período para obter a amplitude do primeiro seno e indica esse valor com quatro casas decimais.

Pista

A simetria de meia onda anula pares e contínuo.

Solução

A simetria ímpar elimina cossenos. Para ω0=2π/T0\omega_0=2\pi/T_0, o coeficiente do primeiro seno é

b1=4T0∫0T0/2sin⁡(ω0t)dt=4T01−cos⁡πω0=4π.b_1=\frac4{T_0}\int_0^{T_0/2}\sin(\omega_0t)dt =\frac4{T_0}\frac{1-\cos\pi}{\omega_0}=\frac4\pi.

Por Euler, a1=b1/(2j)=2/(jπ)a_1=b_1/(2j)=2/(j\pi) e a amplitude do seno é 2∣a1∣=4/π≃1,27322|a_1|=4/\pi\simeq1{,}2732. É maior que 11: os restantes harmónicos corrigem a forma e não atingem todos o máximo no mesmo instante.

Erros frequentes

Esperar que o primeiro harmónico seja menor que a amplitude confunde soma de máximos com soma de formas.

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