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Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 1 Disciplina Sinais e Sistemas Tópico: Serie de Fourier Referência: Páginas 528 a 584 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS 1 Serie de Fourier O Analise espectral de sinais periódicos. Sinais periódicos podem ser representado como uma soma de senóides de varias freqüências. No lugar de senóides, podemos utilizar exponenciais. 2 São sinais que se repetem em intervalos de tempo chamados de período do sinal Por exemplo o sinal senoidal tem freqüência angular ω [rad/s] e período T= ω / 2π [s] Logicamente o sinal x(t) = t não é periódico, mas x(t) = t definido no intervalo -1< T< +1 e com período de repetição T=2s é periódico. Descrição matemática: x(t) = x(t+T ) para todo t Pode ser gerado pela extensão periódica de qualquer segmento de x(t) com duração T. Por definição é um sinal de duração infinita que existe em todo intervalo -∞ < t < +∞. )()( tasentx Sinais periódicos 3 Condição de periodicidade Período fundamental de x(t) É o menor valor de T0 que satisfaz a condição de periodicidade. t todopara )()( 0Ttxtx Sinais periódicos 0 00 )()()( T Tb b Ta a dttxdttxdttx 4 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 2 Toda a freqüência de um sinal periódico é um múltiplo inteiro da freqüência fundamental. Portanto a freqüência fundamental é o maior numero no qual todas as freqüências presentes no sinal são múltiplos inteiros. Quando a razão entre duas freqüências é um numero racional, as freqüências são ditas serem harmonicamente relacionadas. Deste conceito surge o termo harmônicas da freqüência fundamental do sinal. Como identificar se uma soma de senóides é periódica 5 Exemplo de soma de senóides que é um sinal periódico: Frequência fundamental: 1/6 pois Frequências harmônicas: Terceira harmônica: 1/2 pois 3(1/6) Quarta harmônica: 2/3 pois 4(1/6) Sétima harmônica: 7/6 pois 7(1/6) Como identificar se uma soma de senóides é periódica 321 6 7 cos5 3 2 cos3 2 1 cos72)( ttttx 6 6 7 6 4 6 3 6 7 3 2 2 1 Exemplo de soma de senóides que não é um sinal periódico: Pois a razão entre as duas freqüências é 2/ π, que não é um numero racional. Mas é um sinal periódico pois: Como identificar se uma soma de senóides é periódica 21 32cos2)( tsenttx ttsentx 26cos7233)( 23226 7 Determine para o sinal abaixo: i) Comprove que esse sinal é periódico: i) Determine a freqüência e o período fundamental: ii) Quais as harmônicas estão presentes neste sinal: quinta e sexta harmônicas Exercício E6.2 00 45 5 4 330 3 2 cos)( tsenttx 8 15 12 15 10 5 4 3 2 segundos 15 2 15 12 15 2 6 e 15 10 15 2 5 pois rad/s 15 2 0 0 0 T Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 3 Serie de Fourier Qualquer sinal periódico pode ser reconstruído por um somatório de sinais senóidais. tnsenbtnaatx n n n 00 1 0 cos)( 9 Serie de Fourier Independentemente dos valores das amplitudes an e bn ,x(t) é um sinal periódico com período fundamental T0 = 2π/ωo, se n for um numero inteiro. tnsenbtnaatx n n n 00 1 0 cos)( 10 Calculo dos Coeficientes da Serie de Fourier a0 :Valor médio do sinal x(t) ou componente DC 1 000 0 000 cos)( n T T nn TT dttnsenbdttnadtadttx nula é inteiro periodo um sobre cos esen funções das integral a pois , )( 00 0 TT dtadttx 0 )( 1 0 0 T dttx T a 11 Calculo dos Coeficientes da Serie de Fourier an 0)cos( e 0mn para 2 mn para 0 )cos(cos :como )cos()cos(cos)cos()()cos( : temosigualdade, da lados ambos em t)cos(mω termoo se-multiplica 00 0 000 00000 1 0000000 0 TT n T T nn TT dttmtnsenTdttmtn dttmtnsenbdttmtnadttmadttxtm 0 )cos()( 2 0 0 T n dttntx T a 12 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 4 Calculo dos Coeficientes da Serie de Fourier bn 0)sen(cos e 0mn para 2 mn para 0 )sen( :como )sen()sen(cos)sen()()sen( : temosigualdade, da lados ambos em t)sen(mω termoo se-multiplica 00 0 000 00000 1 0000000 0 TT n T T nn TT dttmtnTdttmtnsen dttmtnsenbdttmtnadttmadttxtm 0 )()( 2 0 0 T n dttnsentx T b 13 Calculo dos Coeficientes da Serie de Fourier 0 )()( 2 0 0 T n dttnsentx T b 0 )( 1 0 0 T dttx T a 0 )cos()( 2 0 0 T n dttntx T a tnsenbtnaatx n n n 00 1 0 cos)( 14 Serie de Fourier Forma trigonométrica: Forma Compacta: Forma Exponencial: tnsenbtnaatx n n n 00 1 0 cos)( tnCCtx n n 0 1 0 cos)( 1 0)( n tjn neDtx 15 Serie de Fourier 16 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 5 Serie de Fourier de sinais com simetria par 0 )( 1 0 0 T dttx T a 0 )cos()( 2 0 0 T n dttntx T a 0 )()( 2 0 0 T n dttnsentx T b 2 00 0 0 )( 2 T dttx T a dttntx T a T n )cos()( 4 2 0 0 0 0 0nb Para sinais em geral Para sinais com simetria par 17 Serie de Fourier de sinais com simetriaimpar 0 )( 1 0 0 T dttx T a 0 )cos()( 2 0 0 T n dttntx T a 0 )()( 2 0 0 T n dttnsentx T b 00 a dttnsentx T b T n )()( 4 2 0 0 0 0 0na Para sinais em geral Para sinais com simetria impar 18 Serie de Fourier de sinais com simetria de meia-onda )( 2 0 tx T tx nulas são pares harmôicas as todas Um sinal tem simetria de meia onda quando possuir a informação em meio período, equivalente, mas com sinal invertido em relação ao outro meio período. Exemplo: 19 Série Exponencial de Fourier Usando a igualdade de Euler, temos que: logo pode ser rescrita como onde jxjxjxjx ee j senxeex 2 1 e 2 1 cos jsenxcosx jxe tnsenbtnaatx n n n 00 1 0 cos)( n tjn neDtx 0)( 0 0)( 1 0 T tjn n dtetx T D 20 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 6 Integrais uteis para o calculo dos coeficientes da Serie de Fourier 21 Mais Integrais uteis para o calculo dos coeficientes da Serie de Fourier 22 Relações trigonométricas uteis cos(nπ/2) = +1 para n = 0,4,8,12... cos(nπ/2) = -1 para n = 2,6,10,14... cos(nπ/2) = 0 para n =1,3,5,7,... sen(nπ/2) = +1 para n = 1,5,9,13... sen(nπ/2) = -1 para n = 3,7,11,15... sen(nπ/2) = 0 para n =2,4,6,8... sen(θ) = cos(θ-90) 23 a b babasen 122 tancos)cos()( Modulo Fase Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier Onde triangular Dados do gráfico: Sinal periódico: x(t) = t/2π período T = 2 π seg. Logo: frequência ω= 2π/T= 1 rad/s 24 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 7 Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier Calculo do valor médio: 25 2 1 2 4 4 1 24 1 22 1 )( 1 2 20 2 0 2 2 2 0 0 a t dt t dttx T a T Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier Calculo dos termos an: Pois o sinal tem simetria impar 26 0)cos( 22 2 )cos()( 2 2 0 00 dttn t dttntx T a T n Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier Calculo dos termos bn: 27 n sennnnsen n b ntntntsen n b dtnttsenb dtntsen t dttnsentx T b n n n T n 1 )0)0()2cos(22( )(2 1 )cos()( 1 2 1 partespor integração usando )( 2 1 )( 22 2 )()( 2 2 2 0 22 2 0 2 2 0 0 Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier 28 o n o n n nt n tx nt n tx ntsen n tx 90cos 1 2 1 )( 180 insere 1- como 90cos 1 2 1 )( cosenos termosem compacta Forma 1 2 1 )( cosenos e senos de termosem geral Forma 1 0 1 1 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 8 Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier - Desenho dos espectros: 29 0.5 0.32 0.16 0.11 1 2 3 nω Modulo Fase 1 2 3 nω 90º Valor médio não tem fase Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier exponencial Calculo de Dn: 30 0 2 22 2 2 22 2 2 2 0 22 2 0 2 2 0 90 :fase e 2 1 :modulo logo 2 1 como )1( )( 1 12 )()2( 1 )1( )( 1 12 )()2( 1 1 )()2( 1 partespor integração usando )2( 1 22 1 )( 1 0 nn j D e n nj n e D n nj n e D jnt jn e D dtteD dte t dtetx T D n nj nj n nj n jnt n jnt n jnt T tjn n T dttx T a )( 1 D portanto 0,nD para 2 1 D parte a calculadoser deve e medio valor o é D esqueça Não 0 0 00 0 Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier exponencial 31 n jnt n tjn n e n j eDtx 2 )( 0 Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier exponencial - Desenho dos espectros: 32 0.5 0.16 0.08 0.05 -3 -2 -1 1 2 3 nω Modulo Fase 90º 0.16 0.08 0.05 1 2 3 nω -3 -2 -1 -90º Valor médio não tem fase Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 9 Exemplo resolvido: Calculo da serie de Fourier 33 Relações entre os espectros nn j n j jDDjb n j n j DDa nnn nnn 1 )(22 0 )(22 Sinal no tempo: Espectro do sinal em freqüência Exemplo 6.1 34 Sinal no tempo: Espectro do sinal em freqüência Exemplo 6.2 35 Sinal no tempo: Espectro do sinal em freqüência Exemplo 6.3 )1507cos()303(2242cos32)( 00 ttsentsenttx 36 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 10 Sinal no tempo: Espectro do sinal em freqüência Exemplo 6.4 37 Exercício E6.1 38 Sinal no tempo: Exemplo 6.5: Usando a serie de FourierExponencial nj D nj dtdteD eTT n tnj tnjntj n ntj 41 504.0 2 2 1 e1 e 1 e 1 D x(t)e 2/2, 0 )2(1/2- 0 )2(1/2-2 0 t/2- -n 2 n000 39 Sinal no tempo: Observe: Dn e D-n são termos complexos conjugados Exemplo 6.5 40 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 11 Para calcular o espectro: É lógico que para n negativos os valores de D são conjugados e somente altera o sinal da fase. Exemplo 6.5 0 000 0 000 000 83D e 0625.0D logo 81 504.0 2 76D e 122.0D logo 41 504.0 1 0D e 504.0D logo 504.00 41 504.0 j Dn j Dn Dn nj Dn 41 Espectro do sinal em freqüência Serie exponencial Serie compacta 42 Conclusões sobre o espectro exponencial: O espectro de modulo é uma função par e o espectro de fase é uma função impar. Por uma questão de representação exponencial, surge artificialmente a idéia de freqüência negativa. C0 = D0 |Cn|=|D+n|+|D-n| para n > 0 A fase de Cn é igual a fase de Dn para n>0 Exemplo 6.5 43 A largura de faixa de um sinal é a diferença entre a mais alta componente e a mais alta componente. É lógico que as freqüências negativas não são consideradas para avaliar a largura de faixa de um sinal. Largura de faixa de um sinal 44 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 12 1) Determinar o sinal no tempo em termos de cosenos 2) Determinar o sinal no tempo em termos de exponenciais. Exemplo 6.6 45 Como um sinal descontinuo pode ser representado por uma soma de sinais senóidais que são sinais suaves? Papel do espectro na Forma de onda 46 As freqüências baixas contribuem para a formação do sinal enquanto as freqüências mais altas fazem o ajuste fino. Mudanças buscas do sinal requer altas freqüências presentes no espectro. Portanto sinais suaves tem a taxa de decaimento em amplitude mais rápida que sinais que alteram bruscamente. Papel do espectro na Forma de onda 47 Espectro do sinal em freqüência Sinal com variações buscas Sinal mais suave 48 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 13 Portanto sinais suaves tem a taxa de decaimento em amplitude mais rápida que sinais que alteram bruscamente. Alterações bruscas no sinal exigem componentes em alta freqüência. O papel das amplitudes dos harmônicos é evidente na formação do sinal, mas o papel da fase é igualmente importante. O ajuste da fase entre os harmônicos é fundamental para obtermos sinais com saltos de descontinuidade. 1 Papel do espectro na Forma de onda 49 Papel do espectro na Forma de onda 50 51 Para garantir a existência da serie de Fourier os coeficientes da serie de Fourier devem serem finitos. Para tal é necessário que: x(t) seja absolutamente integrável , ou seja: Mas como converge a serie de Fourier? Condições de convergência da serie de Fourier 0 )( T dttx 52 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 14 Um numero finitos de termos pode garantir uma boa aproximação do sinal, com um erro arbitrário pequeno para todo tempo? Se sim, essa serie é chamada uniformemente convergente. Se para garantir esse erro pequeno para todo t, for necessário utilizar um numero de termos distintos para diferentes tempos, então a serie converge no ponto. Se a serie se recusa a convergir em um ou mais pontos do sinal independentemente dos numero de termos considerados, mas converge na media ou seja, a energia do erro tende a zero quando utilizado grande numero de termos Condições de convergência da serie de Fourier 53 Uma serie que converge na media não precisa convergir para todo o valor de tempo. A serie de Fourier converge na média se x(t) possuir energia finita em um período, ou seja: Condições de Dirichlet: A função x(t) deve ser absolutamente integrável. A função x(t) deve ter um numero finito de descontinuidades finitas em um período. A função deve conter apenas um numero finitos de máximos e mínimos em um período. Condições de convergência da serie de Fourier 0 2 )( T dttx 54 Independentemente do grande numero de termos utilizados para realizar a aproximação da onda quadrada em torno dos pontos de descontinuidade surgem uma oscilação com sobre-sinal constante em torno da descontinuidade: Fenômeno Gibbs O Fenômeno Gibbs 55 O fenômeno Gibbs está presente quando existe saltos de descontinuidade no sinal x(t). Quando um sinal continuo x(t) é sintetizado usando apenas os primeiros termos N da seria de Fourier, o sinal sintetizado aproxima-se de x(t) para todo t. Nesse caso não existe o fenome O Fenômeno Gibbs 56 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 15 A potencia de um sinal periódico é igual a soma das potencias de suas componentes de Fourier Cada termo da serie de Fourier é um sinal de potencia, portanto: Teorema de Parseval – serie trigonométrica tnCCtx n n 0 1 0 cos)( 1 22 0 2 1 n ns CCP 57 A potencia de um sinal periódico é igual a soma das potencias de suas componentes de Fourier Cada termo da serie de Fourier é um sinal de potencia, portanto: se x(t) é real-> Teorema de Parseval – serie exponencial n ns DP 2 n tjn neDtx 0)( 1 22 0 2 n ns DDP 58 Um amplificador de áudio ceifa todas as amplitudes de um sinal acima de um patamar Exemplo 6.8 59 Sinal de distorção: diferença entre o sinal não distorcido e o sinal efetivo. Exemplo 6.8 60 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 16 Sinal de distorção: diferença entre o sinal não distorcido e o sinal efetivo. Esse sinal é par é seu valor médio é zero, portantoExemplo 6.8 nn aCCa 0b e 0 n00 61 Sinal de distorção: diferença entre o sinal não distorcido e o sinal efetivo. Logo, podemos escrever Exemplo 6.8 ttttyd 000 5cos311.03cos733.0cos04.1)( tnCty n nd 0 1 cos)( 62 Calculo da distorção harmônica. Potencia do sinal desejado: Potencia da distorção harmônica Exemplo 6.8 5010 2 1 2 1 2 1 22 0 n ns CCP 63 Calculo da distorção harmônica. Potencia do sinal desejado usando o teorema: Distorção total: Exemplo 6.8 857.0311.0733.004.1 2 1 2 1 222 1 22 0 n ns CCP %73.1100 50 865.0 100 s sd total P P D %5372.0100 50 2 733.0 100 2 3 3 s d P P D 64 Tópico: Serie de Fourier Referência: Capitulo 6 do livro Sinais e Sistemas Lineares, B. P. Lathi Professor José Felipe Haffner PUCRS: Essa apresentação contem figuras extraídas do livro. 17 A resposta de um sistema com função de transferência H(s) a uma entrada exponencial de duração infinita é a exponencial de duração infinita Usando o conceito de linearidade Resposta temporal a entradas periódicas tje tjejH )( 65 Exemplo B1 66
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