capítulo 4 resposta em frequência - autenticação · resposta em frequência 4.1 noção do...
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1Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
Capítulo 4Resposta em frequência
4.1 Noção do domínio da frequência4.2 Séries de Fourier e propriedades4.3 Resposta em frequência dos SLITs
2Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
Capítulo 4Resposta em frequência
4.1 Noção do domínio da frequência4.2 Séries de Fourier e propriedades4.3 Resposta em frequência dos SLITs
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4.1 Noção do domínio da frequência
– Existem alguns sinais, como fala, música, imagens, para os quais não é fácil obter uma representação adequada
– Nessas situações representam-se os sinais como composições de sinais mais simples, que podem ser facilmente modelados
– Vamos introduzir a representação desses sinais no domínio da frequência
– Vamos mostrar que um sinal arbitrário pode ser descrito como a soma de sinais sinusoidais
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4.1 Noção do domínio da frequência
– Frequência é o inverso do Período• A unidade é o Hertz (Hz) e representa ciclos por segundo• Frequência angular: ω=2πf e representa-se em radianos por segundo
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4.1 Noção do domínio da frequência
– Um sinal sinusoidal além da frequência possui outra característica importante que é a fase
– A fase pode ser vista como a definição do ponto inicial do sinal
– Exemplo:• Usamos a diferença de fase nos nossos dois ouvidos para ajudar a
localizar a origem de um som
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4.1 Noção do domínio da frequência
– As imagens podem ser igualmente decompostas– Uma imagem sinusoidal tem uma frequência espacial em vez de
uma frequência temporal
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4.1 Noção do domínio da frequência
– Um sinal finito de duração p pode ser usado para definir um sinal periódico com período p
– Dado um sinal finito y:[a,b]→Reais,
podemos definir y’:Reais →Reais
– O sinal periódico é dado por
onde o período p=b-a
⎩⎨⎧ ∈
=∈∀casosoutros
batsetytyReaist
0],[)(
)(',
∑∞+
−∞=−=
mmptytx )(')(
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4.1 Noção do domínio da frequência
– Esta propriedade édenominada por shift-and-add summation
∑∞+
−∞=−=
mmptytx )(')(
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Capítulo 4Resposta em frequência
4.1 Noção do domínio da frequência4.2 Séries de Fourier e propriedades4.3 Resposta em frequência dos SLITs
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
– Um sinal periódico x: Reais →Reais com período p∈Reais pode ser descrito como
– Esta representação é denominada de expansão em série de Fourier
– Os valores particulares de Ak e de φk dependem de x(t)– A frequência ω0 é denominada a frequência fundamental e definida
por ω0=2πf– Na maior parte dos sinais os Ak tornam-se pequenos, ou mesmo zero,
para valores elevados do k, podendo-se usar uma aproximação através de uma soma finita com K termos
∑∞+
=++=
100 )cos()(
kkk tkAAtx φω
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Exemplo– Onda quadrada
– Fenómeno de Gibb• Descontinuidade
– Representação no domínioda frequência
• Amplitude e frequênciade cada componentesinusoidal
• Necessário também arepresentação da fase
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
– Onda triangular
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
– A expansão em série de Fourier necessita de obedecer a um conjunto de condições de convergência
• Convergência uniforme
|x(t)-xN(t)| < ε
• Convergência em erro quadrático médio
• Condições de Dirichlet– x(t) é absolutamente integrável, num período– x(t) possui um número finito de máximo e mínimos, num período– x(t) é contínuo num período, execpeto num nº finito de pontos
( ) ( )2 2lim ( ) ( ) 0 ( ) p p
NNo o
x t x t dt x t dt→∞
− = ⇐ < ∞∫ ∫
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
– Quando falamos do conteúdo em frequência de um sinal, é algo que é único e bem definido
– A representação em série de Fourier aplica-se a sinais periódicos ou a sinais finitos
– Um sinal não periódico pode ser seccionado em segmentos finitos, podendo-se construir uma série de Fourier para cada segmento
– Exemplo:• Considere um apito de um comboio
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Aproximação em Série de Fourier para imagens– Suponha que o domínio de uma imagem é
[a,b]x[c,d] ⊂ Reais x Reais– Sejam pH=b-a e pV=d-c os “períodos” horizontal e vertical para a
imagem periódica equivalente– As frequências fundamentais são definidas por
ωH=2π/pH e ωV=2π/pV
– A representação em série de Fourier da Imagem: [a,b] x[c,d]→Intensidade
é
∑∑∞+
=
∞+
=++=
0,
0)cos()cos(),(
mmVkHmk
kymxkAyxImagem φωφω
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Expressão através da exponencial– A série de Fourier é normalmente expressa através de exponenciais
complexas– As exponenciais complexas são funções próprias (eigenfunctions)
dos SLITs, que ao decompormos um sinal em exponenciais, estas são apenas escaladas ao serem processadas pelo sistema
– Expressão normalmente usada para a série de Fourier
– Os coeficientes da série de Fourier são simétricos conjugados
– As frequências negativas balançam as positivas de modo que a soma resultante seja real
∑∞+
−∞==∈∀
k
tjkkeXtxReaist 0)(, ω
*kk XX −=
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Série de Fourier Discreta– A decomposição dos sinais discretos em componentes sinusoidais
é semelhante ao caso contínuo– As unidades de frequência são ciclos por amostra ou radianos por
amostra– Consideremos um sinal discreto x(n) com período p– A representação em série de Fourier discreta é definida através de
– A soma é finita, dado que os sinais discretos não podem representar frequências acima de uma dado valor
– Esta representação pode ser calculada de uma forma eficiente através da Fast Fourier Transform (FFT)
∑−
==∈∀
1
0
0)(,p
k
njkkeXnxInteirosn ω
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Coeficientes da série de Fourier– Uma fórmula geral para calcular os coeficientes da série de Fourier
para um sinal contínuo periódico
– Uma fórmula geral para calcular os coeficientes da série de Fourierpara um sinal discreto periódico
∫ −=∈∀p
tjmm dtetx
pXInteirosm
0
0)(1, ω
∑−
=
−=∈∀1
0
0)(1,p
m
jmkk emx
pXInteirosk ω
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Exemplo:– Mostre que os coeficientes da série de Fourier da onda quadrática
contínua da figura
são dados por
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Exemplo:– Mostre que os coeficientes da série de Fourier da onda quadrática
discreta da figura
são dados por
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Coeficientes da Série de Fourier de sinais contínuos periódicos
Coeficientes da Série de Fourier de sinais discretos periódicos
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Propriedades da Série de Fourier de sinais contínuos periódicos Propriedades da Série de Fourier de sinais discretos periódicos
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Exemplos
∑∞+
−∞=−=
kkTttx )()(1 δ
Tak
1=
⎪⎩
⎪⎨⎧
<<
<=
2||0
||1)(
1
1
2 TtT
Tttx
⎪⎩
⎪⎨
⎧
≠
==
0)sin(
02
10
1
kk
Tk
kTT
bk
πω
∑∞+
−∞=−−−−+=
kkTTtkTTttx )()()( 113 δδ
TTkjck
)sin(2 10ω=
t
x1(t) 1
T-T
t
x2(t) 1
T-T T1 -T1 -T/2 T/2
t
x3(t) 1
T-T T/2 -T/2T1
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4.2 Séries de Fourier e propriedades
• Exercício– Considere os coeficientes da série de Fourier de um sinal contínuo
que é periódico com período 4. Determine o sinal x(t).
a)
b)
⎪⎩
⎪⎨⎧
≠
== 0)4/sin(
00k
kkj
ka kk
ππ
⎩⎨⎧
=ímpark
parkak 2
1
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Capítulo 4Resposta em frequência
4.1 Noção do domínio da frequência4.2 Séries de Fourier e propriedades4.3 Resposta em frequência dos SLITs
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– Modelos de espaço de estados são precisos e concisos, mas não tão potentes como a resposta em frequência
– Para um SLIT a resposta em frequência revela bastante acerca da relação entre o sinal de entrada e o sinal de saída
– Os SLITs podem ser descritos por modelos de espaço de estados, através de equações à diferença e equações diferenciais
– Mas modelos de espaço de estados podem descrever também sistemas que não são SLITs
– Portanto modelos de espaço de estados são mais poderosos, mas com inferiores técnicas de desenho e de análise
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– Dada uma sinusóide na entrada, a saída do SLIT é uma sinusóide com a mesma frequência mas possivelmente com uma fase e amplitude diferentes
– Dado um sinal de entrada que é descrito como uma soma de sinusóides de certas frequências, a saída pode ser descrita como uma soma de sinusóides com a mesma frequência mas com a fase e amplitudes possivelmente modificadas em cada frequência
– Se a entrada para um SLIT contínuo é ejωt então a saída é H(ω)ejωt, onde H(ω) é uma constante que depende da frequência ω da exponencial complexa.
– Quando a saída do sistema é apenas uma versão escalada da entrada, a entrada é denominada de função própria (eigenfunction)
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– Quando na entrada temos ∀ t∈Reais, x(t)=ejωt
– A saída é definida por∀ t∈Reais, y(t)=H(ω )ejωt
– A função H:Reais → Complexos é denominada resposta em frequência
– Define a resposta de um SLIT a uma entrada exponencial complexa numa dada frequência
– Define a ponderação que o sistema impõe nessa exponencial complexa
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– No caso dos sistemas discretos é semelhante– Quando na entrada temos
∀ n∈Inteiros, x(n)=ejωn
– A saída é definida por∀ n∈Inteiros, y(n)=H(ω )ejωn
– A função H:Reais → Complexos é denominada resposta em frequência
– Existe uma diferença fundamental entre o discreto e o contínuoejωn =ej(ω+2π)n = ej (ω+4π) n
logo∀ ω∈Reais, H(ω)= H(ω+2Kπ)
– Define a resposta em frequência de um SLIT discreto como sendo periódica com período 2π
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo:– Considere um sistema discreto definido pela equação às diferenças
∀ n∈Inteiros, y(n)=(x(n)+x(n-1))/2– Assumindo que a entrada é dada por
∀ n∈Inteiros, x(n)=ejωn
e que a saída tem a forma∀ n∈Inteiros, y(n)=H(ω )ejωn
obtemosH(ω)ejωn =(ejωn+ ejω(n-1))/2
– Resolvendo em ordem a H(ω) obtemos∀ ω∈Reais, H(ω)=(1+ e-jω)/2
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo:– Considere um sistema contínuo com entrada x e saída y
relacionadas pela equação diferencial∀ t∈Reais, RC dy(t)/dt + y(t)=x(t)
– Assumindo que a entrada é dada por ∀ t∈Reais, x(t)=ejωt
e que a saída tem a forma∀ t∈Reais, y(t)=H(ω )ejωt
obtemosRCjωH(ω )ejωt+H(ω )ejωt =ejωt
ou seja,∀ ω∈Reais, H(ω)=1/(1+jRCω)
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Equação às diferenças linear – Considere um sistema descrito por uma equação às diferenças linear
∀ n∈Inteiros, a0y(n)+a1y(n-1)+...+aNy(n-N)=box(n)+b1x(n-1)+...+bMx(n-M)
– Os coeficientes podem ser reais (ou complexos)– Assumindo que a entrada é dada por x(n)=ejωn e que a saída tem a
forma y(n)=H(ω )ejωn
obtemosa0 H(ω )ejωn+a1 H(ω )ejω(n-1)+...+aN H(ω )ejω(n-N)
=bo ejωn+b1ejω(n-1)+...+bMejω(n-M)
ou seja,
ωω
ωωωω jN
Nj
jMM
j
eaeaaebebbHReais −−
−−
++++++
=∈∀......)(,
10
10
35Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Equação diferencial– Considere um sistema descrito por uma equação diferencial
– Os coeficientes podem ser reais (ou complexos)– Assumindo que a entrada é dada por x(t)=ejωt e que a saída tem a
forma y(t)=H(ω )ejωt
obtemosaN(jw)NH(ω)ejωt+...+a1(jw)H(ω)ejωt+a0H(ω)ejωt
=bM(jw)Mejωt+...+b1(jw)ejωt+b0ejωt
ou seja,
01
01
)(...)()(...)()(,
ajajabjbjbHReais N
N
MM
++++++
=∈∀ωωωωωω
)()(...)()()(...)(, 0101 txbtdtdxbt
dtxdbtyat
dtdyat
dtydaReaist M
M
MN
N
N +++=+++∈∀
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4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– Pode-se exprimir uma relação entre sinusóides e a exponencial complexa
cos(ωt)=(ejωt+ e-jωt)/2– Se for este o sinal de entrada para um SLIT com resposta em
frequência H(ω) então a saída seráy(t)=(H(ω)ejωt+ H(-ω)e-jωt)/2
– Quando a entrada é real normalmente a saída de um SLIT étambém real, o que implica que
H(ω)= H*(-ω)– Esta propriedade é denominada de simetria conjugada
37Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– A resposta em frequência de um sistema real (cujos sinais de entrada e de saída são reais) é simétrica conjugada
– Quando a entrada for x(t)=cos(ωt) a saída será∀ t∈Reais, y(t)=Re{H(ω)ejωt}
– Escrevendo H(ω) na forma polar
permite-nos obter a saída como
– H(ω ) consiste de um ganho |H(ω)| e de uma fase ∠H(ω) que o sinal de entrada sinusoidal de frequência ω sofre.
)()()( ωωω HjeHH ∠=
))(cos()()(, ωωω HtHtyReaist ∠+=∈∀
38Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo:– Considere um sistema, que realiza um atraso T, definido como
y(t)=x(t-T)– Assumindo que a entrada é dada por ∀ t∈Reais, x(t)=ejωt
e que a saída tem a forma ∀ t∈Reais, y(t)=H(ω )ejωt
obtemosH(ω)=e-jωT
em que |H(ω)|=1 e ∠H(ω)= -ωT– Uma entrada na forma de coseno gera na saída um coseno da
mesma amplitude e com um deslocamento de fase– Um filtro com uma resposta em amplitude unitária e constante é
denominado filtro passa-tudo
39Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo:– Considere o sistema discreto definido pela equação às diferenças
∀ n∈Inteiros, y(n)=(x(n)+x(n-1))/2– A resposta em frequência H(ω) é dada por
∀ ω∈Reais, H(ω)=(1+ e-jω)/2
– A resposta de frequência em amplitude é dada por
|H(ω)|=|(1+ e-jω)/2|– Este sistema tem um
comportamento de um filtro passa-baixo
40Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– A resposta em frequência diz-nos tudo o que precisamos saber sobre um sistema
– Podemos passar a representar um SLIT através da sua resposta em frequência, em lugar da representação entrada/saída, modelo de espaço de estados, da resposta impulsiva, ...
41Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo– Suponha-se que a resposta em frequência H de um SLIT discreto é
dada por H(ω)=cos(2ω)
– Consideremos o sinal de entrada
que pode escrito como x(n)=cos(πn)– A saída é dada por
– Ou seja o sistema não altera a entrada
⎩⎨⎧−
=ímparn
parnnx
11
)(
)()cos())(cos()()( nxnHnHny ==∠+= ππππ
42Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo– Suponha-se que a resposta em frequência H de um SLIT discreto é
dada por H(ω)=cos(2ω)
– Consideremos o sinal de entrada x(n)=5
que pode escrito como x(n)=5cos(0n)– A saída é dada por
– Ou seja o sistema não altera a entrada
)(5))0(0cos(5)0()( nxHnHny ==∠+=
43Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo– Suponha-se que a resposta em frequência H de um SLIT discreto é
dada por H(ω)=cos(2ω)
– Consideremos o sinal de entrada x(n)=cos(πn/2)
– A saída é dada por
– Ou seja o sistema inverte a entrada
)()2/cos()2/cos())2/(2/cos()2/()( nxnnHnHny −=−=+=∠+= ππππππ
44Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Exemplo– Suponha-se que a resposta em frequência H de um SLIT discreto é
dada por H(ω)=cos(2ω)
– Consideremos o sinal de entrada x(n)=cos(πn/4)
– A saída é dada por
– Ou seja o sistema anula a entrada
0))4/(4/cos()4/()( =∠+= πππ HnHny
45Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
• Resposta em frequência para séries de Fourier– No caso das séries de Fourier representámos o sinal de entrada como
onde ω0=2π/p– A saída do SLIT para a entrada periódica é representada por
– Para um SLIT, se a entrada é dada pela soma de exponenciais complexas, a saída é dada pela soma das mesmas exponenciais, cada uma escalada pela resposta em frequência, avaliada na frequênciacorrespondente
∑∞+
−∞==∈∀
k
tjkkeXtxReaist 0)(, ω
∑∞+
−∞==∈∀
k
tjkkeXkHtyReaist 0)()(, 0
ωω
46Sistemas e Sinais - LEIC - 2007/2008 - 2º Semestre - João P. Neto
4.3 Resposta em frequência dos SLITs
– Todas as componentes de frequência da saída estão na entrada
– A saída consiste das mesmas componentes em frequência da entrada em que cada componente aparece escalada
– Os SLITs podem ser usados para ampliar ou suprimir certas componentes de frequência, operação denominada de filtragem
– A resposta em frequência caracteriza quais as frequências que são ampliadas ou suprimidas e também quais os deslocamentos de fase impostos pelo sistema nas componentes individuais