2.5.1. Ступенчатая функция (функция Хевисайда).
. Рис. 2.13а.
Непосредственно по приведённым формулам получить обычный спектр
нельзя.
? Первообразная
функция на верхнем пределе не определена (
вещественно).
В математике обобщённые функции часто получают путём
предельного перехода от обычных. Поступим так же. Ступенчатую функцию можно
получить из экспоненциальной. , при
. Следовательно
.
(2.12)
Плотность спектра имеет особенность при . Это
уже обобщённый спектр, и с ним надо быть осторожным. Тем не менее, многие
примеры можно рассматривать с этим спектром, забывая, что он обобщённый.
Другой путь получения обобщённых спектров базируется
на преобразовании Лапласа, которое обычно используется для функции , при
.
;
.
(2.13)
Контур проходит в правой полуплоскости
комплексной переменной
, рис. 2.13б. Условие
обеспечивает сходимость интеграла. Для
применимости этого преобразования ограниченность интеграла
не нужна. Функция может даже расти при
.
При переходе от преобразования Фурье к преобразованию
Лапласа, мы заменяем на комплексный параметр
, считая
. Для
ступенчатой функции:
. Заменив теперь
обратно на
, получим
обобщённый спектр по Фурье.
Ступенчатая функция очень широко используется при
анализе цепей (да и вообще в физике) для выяснения реакции цепи на резкие
изменения входного сигнала. Однако роль этого сигнала велика ещё и потому, что
любой сигнал можно приближённо, а в пределе точно, представить набором
ступенек. Например, прямоугольный импульс получается наложением двух ступенек.
, рис. 2.13а. Соответственно, спектр (он
уже нормальный, не обобщённый)
, где
. Множитель
учитывает
запаздывание импульса на время
. К этому мы ещё
вернёмся.
2.5.2. Предельно короткий прямоугольный импульс.
Форма импульса здесь не принципиальна; выбор сделан
для определённости. Пусть импульс прямоугольный, рис. 2.14, и . Сделав предельный переход
, мы придем к
-
функции. Это тоже сигнал с неограниченной энергией. Для рассматриваемого
импульса
, где
. После
предельного перехода получим
. Плотность спектра
- функции оказалась одинаковой для всех
частот (равномерный спектр). Этот результат можно получить и непосредственно,
исходя из свойств
- функции.
.Если мы имеем
, то
.
Однако мы получили опять обобщённый спектр. Это
проявится, как только мы напишем обратное преобразование. . (2.14)
Такой интеграл может быть воспринят только в обобщённом смысле.
Говоря о роли таких предельно коротких импульсов, можно, фактически, повторить всё, что сказано о роли ступенчатой функции.
2.5.3. Функция , где
.
В заключение рассмотрим эту интересную функцию, рис.
2.15, и найдём её спектр. Строго говоря, расходится,
однако при вычислении спектра это никак не проявляется.
. Интеграл от второго слагаемого равен нулю
в силу нечётности подынтегральной функции. После тригонометрических
преобразований имеем:
.(2.15)
Здесь мы учли следующее: .
Спектр получился равномерным в ограниченной полосе
частот от 0 до , рис. 2.16. Таким образом,
параметр
есть предельная частота в спектре этого
сигнала. Если
, то
. (2.16)
Рассмотренная функция нам понадобится позже, когда мы будем обсуждать теорему Котельникова. Отметим, что этот пример, вместе с примером 2.4.1, ещё раз иллюстрирует симметрию преобразования Фурье.
2.6. Спектр радиоимпульса с прямоугольной огибающей.
. Рис. 2.17.
.
(2.17)
Спектр получился сплошной. Качественная картина спектра изображена на рисунке
2.18 для случая, когда радиоимпульс содержит много периодов частоты
. Спектр имеет главный максимум на частоте
и убывающие, по мере удаления от главного,
побочные. Спектр радиоимпульса фактически получился смещением спектра
прямоугольного видеоимпульса (огибающей) на частоту
. В этом
и состоит главное отличие спектров видеоимпульсов и радиоимпульсов.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.