Среди возможных реализаций ортонормального базиса (ОРФ) особую роль играют различные
варианты ортогонального базиса гармонических функций, какими являются
,
,
,
,
. Это объясняется тем обстоятельством, что
указанные гармонические функции являются собственными функциями операторов ЛСДС
и, потому, сохраняются при преобразовании их ЛСДС, изменяясь лишь по амплитуде
и фазе. Отсюда следует, что если какой-либо сигнал
,
представленный своим разложением в виде ряда Фурье [2, стр.38-39]
, (РФ)
где ,
,
-
коэффициенты разложения, преобразован ЛСДС, то базисные функции
такого разложения сохраняются при таком
преобразовании с точностью до амплитуды и фазы. Эта неизменность базиса на
выходе ЛСДС сводит определение выходного сигнала такой системы лишь к пересчету
коэффициентов
,
разложения
(РФ).
Наиболее распространенным вариантом гармонического ряда Фурье разложения сигналов является экспоненциальный (комплексный) ряд Фурье вида [2, стр.42-48]
,
. (КРФ)
Широкое применение этого варианта ряда Фурье объясняется тем
обстоятельством, что базис (КРФ), то есть набор функций ,
сохраняется при многократном дифференцировании, в то время как в разложении
(РФ) косинусы переходят в синусы и наоборот. При этом существует связь между
коэффициентами разложения рядов (РФ) и (КРФ) в виде
,
откуда следует, что ,
,
.
Дадим теперь разъяснение таких важных понятий как спектр и
спектральная характеристика. Именно, спектром сигнала является совокупность
всех коэффициентов Фурье любого из разложений (ОРФ), (РФ), (КРФ) сигнала . То есть, для ряда (ОРФ) спектром являются
коэффициенты
,
, для
ряда (РФ) - это пары
,
, для ряда (КРФ) – это, соответственно,
совокупность комплексных чисел
,
. При этом, для гармонического ряда Фурье
выделяют амплитудный спектр, каким является набор положительных чисел (амплитуд
гармоник)
,
,
для рядов (РФ) и (КРФ) соответственно, и фазовый спектр, определяемый значением углов (фаз гармоник)
,
,
соответственно.
Имеет место утверждение, что спектр полностью определяет сигнал. И главное в этом утверждении не только тот факт, что знание коэффициентов Фурье какого-либо сигнала дает возможность с помощью соответствующего ряда Фурье восстановить этот сигнал. Здесь речь идет о возможности анализа любого сигнала с помощью его спектра. Действительно, любой ряд Фурье является своеобразным фильтром, который выявляет состав гармоник, содержащихся в этом сигнале, причем коэффициенты Фурье (спектр) определяют «вес» каждой из этих гармоник. Важной также является скорость убывания спектральных составляющих сигнала, что напрямую определяет точность аппроксимации сигнала его конечной суммой, например [2, стр.32-33]
. (
)
При этом оказывается, что имеет место так называемое
оптимальное свойство коэффициентов Фурье ,
, заключающееся в том, что, если в
частичной сумме (
) коэффициенты
,
выбраны
в соответствии с формулой (КФ), то среднеквадратичное отклонение сигнала
от его аппроксимации
, то есть величина
,
будет минимальной для любых сигналов
для всех ортонормальных
базисов
и для всех чисел
в
формуле (
).
Итак, введение ряда Фурье для какого-либо сигнала дает возможность дополнительно привлечь к
исследованию этого сигнала развитый аппарат ортогональных рядов.
Однако, наряду с изучением свойств сигналов важным является
изучение прохождения сигналов через ЛСДС. С этой целью в рассмотрение вводится
также Фурье-преобразование сигнала , то есть интеграл вида
, (F)
где функция частоты , то есть
называется
спектральной плотностью сигнала
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.