Sistemas e Sinais. Universidade Federal do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica
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- Simone Valverde Minho
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1 Propriedades das Representações de Fourier Sinais periódicos de tempo contínuo ou discreto têm uma representação por série de Fourier, dada pela soma ponderada de senoides complexas com frequências múltiplas inteiras da frequência fundamental. Desta forma, um conjunto discreto de frequências está envolvido em sua representação. Propriedades das Representações de Fourier 1
2 Periodicidade Sistemas e Sinais Propriedades das Representações de Fourier 2
3 3
4 4
5 Periodicidade Sistemas e Sinais Sinais não-periódicos de tempo contínuo ou de tempo discreto envolvem a ponderação de senoides complexas de um continuum de frequências, resultando em uma representação contínua de sinais no domínio frequência. Propriedades das Representações de Fourier 5
6 Periodicidade Sistemas e Sinais Propriedades das Representações de Fourier 6
7 7
8 8
9 9
10 Adicionalmente, as representações de Fourier para sinais de tempo discreto (DTFS e DTFT), são periódicas devido à natureza N-periódica das senoides complexas de tempo discreto. A tabela abaixo apresenta um sumário das propriedades de periodicidade das representações de Fourier. 10
11 Linearidade Todas as quatro representações de Fourier satisfazem as propriedades de linearidade: Linearidade 11
12 Linearidade Nas representações anteriores, supõe-se que as variáveis em maiúsculas denotem a representação por Fourier das variáveis em minúsculas correspondentes. Nos casos da FS e da DTFS admite-se que os sinais que estão sendo somados possuem o mesmo período fundamental. Propriedades das Representações de Fourier 12
13 Exemplo 3.19: Sistemas e Sinais Considerando o sinal periódico apresentado a seguir, obter sua representação no domínio frequência: Propriedades das Representações de Fourier 13
14 Linearidade A propriedade da linearidade também é base do método das frações parciais, empregado para a obtenção da transformada de Fourier inversa das representações do domínio frequência, dada pela razão de polinômios em, na forma. Propriedades das Representações de Fourier 14
15 Linearidade Apenas para ilustrar o procedimento empregado no método das frações parciais, será considerado M<N, admitindo que as raízes do polinômio do denominador em, representadas, sejam todas distintas. A função racional pode então ser representada na forma: Propriedades das Representações de Fourier 15
16 Linearidade Uma vez que Propriedades das Representações de Fourier 16
17 Exemplo 3.20: Sistemas e Sinais Determinar a transformada de Fourier inversa de. Propriedades das Representações de Fourier 17
18 Exercício 3.11: Sistemas e Sinais Utilize a expansão em frações parciais e a linearidade para determinar a transformada de Fourier inversa de. Propriedades das Representações de Fourier 18
19 Linearidade A expansão em frações parciais também é empregada para determinar a DTFT inversa de representações em domínio frequência dada como funções racionais de polinômios em, escritos na forma. Propriedades das Representações de Fourier 19
20 Representações desta forma ocorrem frequentemente no estudo de sistemas descritos por meio de equações lineares de diferenças com coeficientes constantes. Conforme realizado no caso da obtenção da transformada de Fourier inversa, a função pode ser representada como em que nominador de, são as raízes do polinômio do de-, supostamente distintas. Propriedades das Representações de Fourier 20
21 Linearidade Sendo assim, uma vez que empregando a propriedade da linearidade, implica. Propriedades das Representações de Fourier 21
22 Exemplo 3.21: Sistemas e Sinais Determinar a DTFT inversa de. Propriedades das Representações de Fourier 22
23 Simetria A propriedade da simetria será desenvolvida para a FT, sendo que para outras três representações, é obtida de maneira análoga. Supõe-se que, considera-se então. Propriedades das Representações de Fourier 23
24 Simetria Sistemas e Sinais Portanto, se x(t) for real, a parte real da transformada apresentará simetria par, enquanto a parte imaginária apresentará simetria ímpar. Isto também implica que o espectro de magnitude é uma função par, enquanto o espectro de fase é uma função ímpar. Propriedades das Representações de Fourier 24
25 Simetria Supõe-se agora que x(t) seja um sinal puramente imaginário, de forma que. Propriedades das Representações de Fourier 25
26 Simetria Examinando as partes real e imaginária da relação, conclui-se que se o sinal x(t) for puramente imaginário, a parte real da FT apresentará simetria ímpar, enquanto a parte imaginária apresentará simetria par. Propriedades das Representações de Fourier 26
27 Deslocamento no Tempo seja uma versão deslo-. Sendo assim, Admite-se que cada no tempo do sinal. Propriedades das Representações de Fourier 27
28 Deslocamento no Tempo Realiza-se então uma mudança de variável, onde. e assim Propriedades das Representações de Fourier 28
29 Deslocamento no Tempo Resultando na seguinte conclusão: Propriedades das Representações de Fourier 29
30 Propriedades das Representações de Fourier 30
31 Exemplo 3.22: Sistemas e Sinais Determinar a FT do pulso retangular deslocado no tempo, representado por na figura abaixo. 1 1 Propriedades das Representações de Fourier 31
32 Exercício 3.12: Sistemas e Sinais Determinar, com base na DTFS da onda quadrada do sinal, a DTFS do sinal. Propriedades das Representações de Fourier 32
33 Deslocamento em Frequência Análogo ao caso do deslocamento no tempo, supõe-se agora um sinal deslocado em frequência tal que logo Propriedades das Representações de Fourier 33
34 Deslocamento em Frequência Admitindo-se tem-se. Propriedades das Representações de Fourier 34
35 Deslocamento em Frequência Consequentemente, um deslocamento de no domínio frequência corresponde a multiplicar o sinal no domínio tempo por uma senóide complexa de frequência igual a. Observa-se que o deslocamento em frequência deve ter um valor inteiro em ambos os casos da série de Fourier. Propriedades das Representações de Fourier 35
36 Propriedades das Representações de Fourier 36
37 Exemplo 3.23: Sistemas e Sinais Determinar a FT do pulso senoidal complexo dado por. Propriedades das Representações de Fourier 37
38 Mudança de Escala Sistemas e Sinais Avalia-se inicialmente o efeito da mudança de escala na variável transformada para o domínio frequência. Assim, seja : Propriedades das Representações de Fourier 38
39 Admite-se então a variável auxiliar, logo: Portanto, a mudança de escala do sinal no domínio tempo introduz uma mudança de escala inversa na representação no domínio frequência, em conjunto com uma alteração na escala de amplitude. Propriedades das Representações de Fourier 39
40 Exemplo 3.24: Admita que seja um pulso retangular Use a propriedade de mudança de escala para obter a FT do pulso retangular alterado na forma. Propriedades das Representações de Fourier 40
41 1 1 41
42 Diferenciação e Integração As operações de diferenciação e integração aplicam-se a funções contínuas, e serão definidas para a classe de sinais contínuos no tempo ou em frequência, neste último caso com respeito apenas à FT e à DTFT. Propriedades das Representações de Fourier 42
43 Diferenciação no Tempo Considera-se a diferenciação no tempo de um sinal contínuo e não-periódico, Diferenciando ambos os lados da equação anterior com relação ao tempo obtém-se. Propriedades das Representações de Fourier 43.
44 Diferenciação no Tempo Propriedades das Representações de Fourier 44
45 Exemplo 3.25: Sistemas e Sinais Obter a representação em frequência do sinal Propriedades das Representações de Fourier 45
46 Diferenciação no Tempo Se for um sinal periódico, tem-se a representação por FS Diferenciando esta última equação em ambos os lados resulta em. Propriedades das Representações de Fourier 46
47 Diferenciação no Tempo Sendo assim, tem-se a representação por série de Fourier da derivada temporal de um sinal periódico dada por. Propriedades das Representações de Fourier 47
48 Exemplo 3.26: Sistemas e Sinais Determine a representação por FS da onda triangular apresentada a seguir: Propriedades das Representações de Fourier 48
49 Diferenciação em Frequência Considera-se agora a operação de diferenciação no domínio da frequência de um sinal: Resultando em Propriedades das Representações de Fourier 49
50 Exercício 3.15: Sistemas e Sinais Use a propriedade da diferenciação em frequência para determinar a Transformada de Fourier do sinal Propriedades das Representações de Fourier 50
51 Integração e Somatório: Sistemas e Sinais A operação de integração aplica-se somente a variáveis independentes contínuas. Consequentemente, para o domínio tempo, esta operação seria aplicável à Transformada de Fourier - FT ou à Série de Fourier FS. Propriedades das Representações de Fourier 51
52 Integração: Considera-se então o sinal não-periódico, tal que Propriedades das Representações de Fourier 52
53 Integração: Uma vez que e resultaria em Propriedades das Representações de Fourier 53
54 Integração e Somatório: Desta forma Sistemas e Sinais O análogo em tempo discreto da integração é o somatório, ou seja Propriedades das Representações de Fourier 54..
55 Somatório O análogo em tempo discreto da diferenciação é a diferença. A operação de diferença recupera de, ou seja. Isto resulta na propriedade da diferença. Supondo sinal não-periódico. um Propriedades das Representações de Fourier 55
56 56
57 Exemplo 3.28: Sistemas e Sinais Determinar dado: Propriedades das Representações de Fourier 57
58 Exercício 3.16: Sistemas e Sinais Mostrar que a DTFT de é dada por. Propriedades das Representações de Fourier 58
59 Convolução e Modulação Duas das propriedades mais importantes de representações de Fourier são a Convolução e a Modulação. Uma forma de Modulação refere-se à multiplicação de dois sinais: um destes sinais muda, ou modula, a amplitude do outro sinal. Será apresentado que a Convolução no domínio tempo será transformada em Modulação no domínio frequência, e vice-versa. Propriedades das Representações de Fourier 59
60 Convolução Não-Periódica Considere a convolução de dois sinais de tempo contínuo não-periódicos e. Admitindo como o sinal resultante da operação de convolução entre estes sinais, ou seja: Propriedades das Representações de Fourier 60
61 Convolução Não-Periódica Reescrevendo na forma e substituindo esta expressão na integral de convolução anterior obtém-se: Propriedades das Representações de Fourier 61
62 Convolução Não-Periódica Propriedades das Representações de Fourier 62
63 Convolução Não-Periódica Sendo tem-se. Propriedades das Representações de Fourier 63
64 Convolução Não-Periódica Logo, é a transformada de Fourier inversa de ou seja resultando em Propriedades das Representações de Fourier 64.
65 Convolução Não-Periódica Exemplo 3.29: Admitindo e, determinar. Exemplo 3.30: Use a propriedade da convolução para determinar, em Propriedades das Representações de Fourier 65.
66 Convolução Não-Periódica Exercício 3.17: Dada a resposta ao impulso de um sistema com entrada, determinar a saída. Exemplo 3.31:Considere um sinal um sinal, mais uma distorção na forma, como sendo Determinar um sistema inverso que recupere o sinal original. Propriedades das Representações de Fourier 66
67 Convolução Não-Periódica Exercício 3.18: Considere um sistema discreto cuja resposta ao impulso é Determinar a saída às entradas:. a) e b). Propriedades das Representações de Fourier 67
68 Modulação Não-Periódica Se e forem sinais não-periódicos, a transformada de Fourier do sinal, produto dos sinais no tempo, será obtida admitindo que Propriedades das Representações de Fourier 68
69 Modulação Não-Periódica Sendo assim, o produto forma: pode ser escrito na Realiza-se então a seguinte mudança de variáveis,. Reescrevendo a equação anterior, obtém-se Propriedades das Representações de Fourier 69
70 Modulação Não-Periódica A integral interna de representa a convolução de e, enquanto a integral externa está na forma da representação de Fourier para, ou seja. Propriedades das Representações de Fourier 70
71 Modulação Não-Periódica Similaramente, se e forem sinais não periódicos de tempo discreto, a DTFT do produto será dada pela convolução de e, levando-se em conta a periodicidade dos sinais, portanto Propriedades das Representações de Fourier 71
72 Modulação Não-Periódica onde o símbolo denota convolução periódica, que deve ser realizada ao longo de um único período do sinal, isto é: Uma aplicação da propriedade da Modulação é o ajanelamento (windowing), que corresponde a visualizar o sinal através de uma janela. Propriedades das Representações de Fourier 72
73 Convolução e Modulação Convolução e Modulação 73
74 Modulação Não-Periódica Exercício 3.19: Utilize a propriedade da Modulação para encontrar a FT do sinal. Propriedades das Representações de Fourier 74
75 Convolução para Sinais Periódicos A Convolução periódica de dois sinais de tempo contínuo e, com período fundamental igual a, será definida como onde o símbolo denota que a integração é executada ao longo de um único período dos sinais envolvidos. Propriedades das Representações de Fourier 75
76 Convolução para Sinais Periódicos O sinal resultante também é periódico com período. Consequentemente, a série de Fourier é a representação apropriada para todos os três sinais envolvidos, logo: Propriedades das Representações de Fourier 76
77 Convolução para Sinais Periódicos A convolução periódica para sinais de tempo discreto de duas sequências e com período é definida como O sinal resultante tem período, de forma que a representação apropriada de todos os três sinais é dada por. Convolução e Modulação 77
78 Modulação para Sinais Periódicos A propriedade da Modulação para sinais periódicos é análoga a de sinais não-periódicos, ou seja, a multiplicação de sinais no tempo corresponde à convolução das representações dos sinais em frequência. Para sinais de tempo contínuo tem-se onde Convolução e Modulação 78
79 Modulação para Sinais Periódicos é a convolução não-periódica dos coeficientes da FS. Todos os três sinais no domínio tempo tem o mesmo período fundamental. Em tempo discreto em que é a convolução periódica dos coeficientes da DTFS. Novamente, todos os três sinais têm período fundamental. Propriedades das Representações de Fourier 79
80 Convolução para Sinais Periódicos Exemplo 3.33: Avalie a convolução periódica do sinal senoidal com uma onda quadrada, de período igual a, apresentada na figura a seguir: Propriedades das Representações de Fourier 80
81 Convolução e Modulação Exemplo 3.34: Determinar a transformada de Fourier do sinal: Exercício 3.20: Determinar dado. Propriedades das Representações de Fourier 81
82 Propriedades das Representações de Fourier 82
83 Relações de Parseval Sistemas e Sinais As relações de Parseval afirmam que a energia ou potência na representação de domínio tempo de um sinal é igual à representação de energia ou potência do mesmo sinal no domínio frequência. O resultado será apresentado para a FT, seguindo o mesmo procedimento para as outras três representações. Propriedades das Representações de Fourier 83
84 Relações de Parseval Sistemas e Sinais A energia para um sinal não-periódico de tempo contínuo é: Uma vez que pode ser complexo,, sendo expresso em função da representação por FT como Relações de Parseval 84.
85 Relações de Parseval Sistemas e Sinais ou ainda resultando em. Propriedades das Representações de Fourier 85
86 Relações de Parseval Sistemas e Sinais Sendo assim, a representação de energia no domínio tempo é igual à representação de energia no domínio frequência normalizada por, ou seja: Propriedades das Representações de Fourier 86
87 Propriedades das Representações de Fourier 87
88 Relações de Parseval Sistemas e Sinais Exemplo 3.35: Utilizar as relações de Parseval para avaliar. Exercício 3.21: Utilize as relações de Parseval para avaliar. Propriedades das Representações de Fourier 88
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