Bài dịch tín hiệu hệ thống trường ĐHBK TPHCM chương 4

Bài dịch tín hiệu hệ thống trường ĐHBK TPHCM chương 4

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU LIÊN TỤC THEO THỜI GIAN BIẾN ĐỔI FOURIER Nội dung 4.1 Biểu diễn tín hiệu không tuần hoàn dùng tích phân Fourier 4.2 Một số dạng biến đổi 4.3 Một số đặc tính của biến đổi Fourier 4.4 Truyền tín hiệu qua hệ thống liên tục, tuyến tính, bất biến (LT-TT-BB) 4.5 Mạch lọc lý tưởng và mach lọc thực tế 4.6 Năng lượng tín hiệu 4.7 Ứng dụng trong thông tin: Điều chế biên độ 4.8 Điều chế góc 4.9 Giới hạn dữ liệu: Hàm cửa sổ 4.10 Tóm tắt Tài liệu tham khảo: B.P. Lathi, Signal Processing and Linear Systems, Berkeley-Cambridge Press, 1998 Trong chương 3, ta đã biểu diễn tín hiệu tuần hoàn thành dạng tổng các thành phần sin hay dạng mũ (không dừng). Chương này biểu diễn dạng phổ cho các tín hiệu không tuần hoàn. 4.1 Biểu diễn tín hiệu không tuần hoàn dùng tích phân Fourier Phép tính giới hạn chứng tõ tín hiệu không tuần hoàn biểu diễn được thành tổng liên tục (tích phân) của các hàm mũ không dừng. Để biểu diễn tín hiệu không tuần hoàn )(tf trong hình 4.1 dùng các hàm mũ không dừng, ta tạo một tín hiệu tuần hoàn )( 0 tf T bằng cách lặp lại nhiều lần tín hiệu )(tf tại các thời khoảng T 0 giây như hình 4.1b. Chu kỳ T 0 cần đủ lớn để tránh trùng lắp các tín hiệu. Tín hiệu tuần hoàn )( 0 tf T biểu diễn được bằng chuỗi Fourier mũ. Khi cho ¥® 0 T , các xung trong tín hiệu tuần hoàn lặp lại sau một thời khoảng vô hạn, do đó: )()(lim 0 0 tftf T T = ¥® Vậy, chuỗi Fourier biểu diễn )( 0 tf T cũng biểu diễn f(t) trong giới hạn ¥® 0 T . Chuỗi hàm mũ Fourier của )( 0 tf T được cho bởi: å ¥ -¥= = n tjn nT eDtf 0 0 )( w (4.1) Với ò - - = 2/ 2/ 0 0 0 0 0 )( 1 T T tjn Tn dtetf T D w (4.2a) Và 0 0 2 T p w = (4.2b) Ta thấy tích phân )( 0 tf T trong khoảng ÷ ø ö ç è æ - 2 , 2 00 TT giống tích phân của f(t) trong khoảng ),( ¥-¥ . Viết lại phương trình (4.2a) ò ¥ ¥- - = dtetf T D tjn n 0 )( 1 0 w (4.2c) Xét bản chất thay đổi của phổ khi tăng giá trị T 0 , định nghĩa )( w F là hàm liên tục theo w : ò ¥ ¥- - = tj etfF w w )()( (4.3) Các phương trình (4.2c) và (4.3) cho: )( 1 0 0 w nF T D n = (4.4) Điều này có nghĩa là các hệ số n D là tích của )/1( 0 T với các mẩu của )( w F , phân bố đều tại các khoảng 0 w , vẽ ở hình 4.2a. Như thế, )()/1( 0 w FT là đường biên của các hệ số n D . Khi cho ¥® 0 T bằng cách bước lặp đôi 0 T . Khi tăng hai lần 0 T thì tần số cơ bản 0 w giảm còn 1/2 [phương trình (4.2b)], nên không nhân đôi như một số thành phần (các mẫu) trong phổ. Tuy nhiên, khi nhân đôi 0 T , thì đường bao )()/1( 0 w FT giảm nửa, vẽ ở hình 4.2b. Nếu ta tiếp tục lần lượt tăng đôi 0 T nhiều lần, phổ càng dày hơn, và biên độ giảm nhỏ đi. Tuy nhiên, cần chú ý là hình dạng tương đối của đường bao vẫn giữ như củ [tăng tỉ lệ với )( w F theo phương trình (4.3)]. Trong giới hạn ¥® 0 T , 0 0 ® w và 0® n D . Kết quả này có nghĩa là phổ rất đặc nên có thành phần phổ chỉ cách nhau khoảng zêrô (vô cùng bé). Trong thời gian này, biên độ của các thành phần là zêrô (vô cùng bé). Thay phương trình (4.4) vào phương trình (4.1) å ¥ -¥= = n tjn T e T nF tf 0 0 0 0 )( )( w w (4.5) Khi ¥® 0 T , 0 w trở thành vô cùng bé ( 0 0 ® w ). Nên ta sẽ thay 0 w bằng một ý niệm thích hợp, Dw. Từ đó, viết lại phương trình (4.2b) 0 2 T p w =D và phương trình (4.5) viết lại thành: tjn n T e nF tf )( 2 )( )( 0 w p ww D ¥ -¥= å ú û ù ê ë é DD = (4.6a) Phương trình (4.6a) cho thấy )( 0 tf T viết được thành tổng của các hàm mũ không dừng có tần số ,,3,2,,0 L www D±D±D± (chuỗi Fourier). Số lượng các thành phần tần số w Dn là [ ] pw 2/)( DnF . Khi ¥® 0 T , 0®D w và )()( 0 tftf T ® . Do đó: å ¥ -¥= D ® DD= n tjn T enFtf ww p w )( 0 )( 2 1 lim)( 0 (4.6b) Tổng bên vế phải của phương trình (4.6b) có thể được xem là vùng diện tích của hàm tj eF w w )( , trong hình 4.3. Vậy ò ¥ ¥- = ww p w deFtf tj )( 2 1 )( (4.7) Tích phân bên vế phải được gọi là tích phân Fourier. Về cơ bản thì tích phân này là chuỗi Fourier (trong giới hạn) với tần số cơ bản 0®D w , như trong phương trình (4.6). Số lượng các hàm mũ tjn e w D là [ ] pw 2/)( DnF . Nên hàm )( w F trong phương trình (4.3) hoạt động như hàm phổ. Ta gọi )( w F là biến đổi Fourier trực tiếp của )(tf và )(tf là biến đổi Fourier nghịch của )( w F . Ta còn gọi )(tf và )( w F là cặp biến đổi Fourier và được viết theo: =)( w F F[f(t)] và f(t) = F -1 [F( w )] )()( w Ftf Û Tóm lại ò ¥ ¥- - = dtetfF tj w w )()( (4.8a) ò ¥ ¥- = ww p w deFtf tj )( 2 1 )( (4.8b) Cần nhớ là tích phân Fourier trong phương trình (4.8b) là bản chất của chuỗi Fourier với tần số cơ bản 0®D w (phương trình (4.6b). Do đó, hầu hết các tính chất của chuỗi Fourier đều dùng được cho biến đổi Fourier. Có thể vẽ phổ )( w F theo w . Do )( w F là phức, ta có phổ biên độ và phổ pha theo )( )()( w ww Fj eFF Ð = (4.9) Trong đó )( w F là phổ biên độ và )( w FÐ là góc (hay pha) của )( w F . Từ phương trình (4.8a), ta có: ò ¥ ¥- =- dtetfF tj w w )()( Vậy khi )(tf là hàm thực theo t, thì )( w F và )( w -F là liên hợp. Do đó: )()( ww FF =- (4.10a) )()( ww FF -Ð=-Ð (4.10b) Do đó, với hàm thực )(tf , thì phổ biên độ )( w F là hàm chẵn, và phổ pha )( w FÐ là hàm lẻ theo w. Đặc tính này (đặc tính đối xứng liên hợp) chỉ đúng cho hàm thực )(tf . Các kết quả này đã tìm được trong phần phổ Fourier của tín hiệu tuần hoàn (phương trình 3.77), vậy biến đổi )( w F là đặc tính tần số của )(tf . ■ Thí dụ 4.1: Tìm biến đổi Fourier của )(tue at- ? Từ định nghĩa [phương trình (4.8a)] ¥ +- ¥ ¥- +- ¥ ¥- -- + - === òò 0 )()( 1 )()( tjattjattjat e ja dtedtetueF www w w Do 1= - tj e w , nên khi ¥®t , 0 )( == --+- tjattja eee ww nếu 0>a , do đó: 0 1 )( > + = a ja F w w (4.11a) Dạng cực )(tan 22 1 1 )( a j e a F w w w - - + = (4.11b) Vậy: 22 1 )( w w + = a F và ÷ ø ö ç è æ -=Ð - a F w w 1 tan)( (4.12) Phổ biên độ và phổ pha được vẽ trong hình 4.4b. Ta thấy phổ biên độ là hàm chẵn và phổ pha là hàm lẻ theo tần số w . ■ Tồn tại của biến đổi Fourier. Trong thí dụ 4.1, ta thấy là khi a < 0, biến đổi Fourier của )(tue at- không hội tụ. Do đó, biến đổi Fourier của )(tue at- không hội tụ nếu a < 0 (hàm mũ tăng). Tức là không phải mọi tín hiệu đều có biến đổi Fourier. Tồn tại của biến đổi Fourier cho hàm )(tf được bảo đãm nhờ điều kiện Dirichlet. Điều kiện đầu tiên là ¥< ò ¥ ¥- dttf )( (4.13) Do 1= - tj e w , từ phương trình (4.8a) ta có ò ¥ ¥- £ dttfF )()( w Bất đẳng thức này cho thấy biến đổi Fourier tồn tại nếu thỏa điều kiện (4.13). Ngược lại thì không bảo đãm. Thí dụ 4.1 cho thấy biến đổi Fourier không tồn tại với tín hiệu hàm mũ tăng (đã vi phạm điều kiện này). Mặc dù đây là điều kiện đủ, chứ không là điều kiện cần cho tồn tại biến đổi Fourier của tín hiệu. Thí dụ, tín hiệu tat /)sin( vi phạm điều kiện (3.13), nhưng có biến đổi Fourier. Các tín hiệu thực tế thường thỏa điều kiện Dirichlet nên có biến đổi Fourier. Như thế, tồn tại thực tế của tín hiệu là điều kiện đủ để tồn tại biến đổi Fourier. Tính tuyến tính của biến đổi Fourier. Biến đổi Fourier là biến đổi tuyến tính, tức là nếu )()( 11 w Ftf Û và )()( 22 w Ftf Û thì )()()()( 22112211 ww FaFatfatfa +Û+ (4.14) Chứng minh đơn giản và lấy từ phương trình (4.8a). Kết quả mở rộng được khi có nhiều thừa số hơn nũa. 4.1-1 Đánh giá thực tế về biến đổi Fourier. Để hiểu được các nét của biến đổi Fourier, ta cần nhớ là biểu diễn Fourier là phương thức biểu diễn tín hiệu thành các tín hiệu sin (hay mũ) không dừng. Phổ Fourier của tín hiệu chỉ ra các biên độ và pha tương đối của các sóng sin cần thiết để tổng hợp tín hiệu này. Phổ Fourier của tín hiệu tuần hoàn có các biên độ hữu hạn và tồn tại các tần số rời rạc (w 0 và các bội tần), phổ dạng này dễ nhận thấy, nhưng phổ tín hiệu không tuần hoàn không dễ nhìn thấy do có dạng phổ liên tục. Ý niệm phổ liên tục có thể hiễu được qua xem xét một hiện tượng tương đồng, hữu hình. Một thí dụ về phân phối liên tục là tải của xà ngang. Xét một xà ngang với tải là các đơn vị trọng lượng ,, .,,, 321 n DDDD tại các điểm cách đều nhau ,, .,,, 321 n xxxx vẽ trong hình 4.5a. Tải chung W T đặt vào xà ngang là tổng của từng tải tại n điểm: å = = n i iT DW 1 Xét trường hợp tải liên tục trên xà ngang, vẽ trong hình 4.5b. Trường hợp này, dù có vẻ là tải xuất hiện tại các điểm, nhưng tải tại từng điểm lại là zêrô. Điều này không có nghĩa là không có tải trên xà. Trường hợp này thì đo lường thích hợp nhất là không là tải tại từng điểm, mà nên là mật độ tải trên đơn vị dài của xà ngang. Gọi )(xF là mật độ tải trên đơn vị dài của xà. Theo đó thì tải trên chiều dài xà ngang là Dx (Dx ®0) tại một điểm x là xxF D)( . Để tìm tải trên xà ngang, ta chia xà ngang thành các khoảng cách nhau Dx (Dx ®0). Tải của n đoạn có chiều dài Dx là xxnF DD )( . Tải chung W T là: ò å =DD= ®D n n x x x x x T dxxFxxnFW 1 1 )()(lim 0 Trường hợp tải rời rạc trong hình 4.5a, tải chỉ tồn tại ở n điểm rời rạc. Các điểm khác không có tải. Nói cách khác, trong trường hợp tải liên tục, tải có tại mỗi điểm nhưng tại một điểm cụ thể x, thì tải là zêrô. Tuy nhiên, tải tại môt đoạn nhỏ xD là xxnF DD )( (hình 4.5b). Do đó, dù tải tại một điểm x là zêrô thì tải tương đối tại đó là F(x). Lập luận tương tự cho trường hợp phổ tín hiệu. Khi )(tf tuần hoàn thì phổ là rời rạc, và có thể viết )(tf thành tổng các hàm mũ rời rạc có biên độ hữu hạn: å = n tjn n eDtf 0 )( w Khi tín hiệu không tuần hoàn, phổ trở thành liên tục; tức là phổ tồn tại cho từng giá trị của w, nhưng biên độ của mỗi thành phần trong phổ là zêrô. Đo lường có nghĩa trong trường hợp này không phải là biên độ của thành phần tại một số tần số mà là mật độ phổ trên đơn vị băng thông. Phương trình (4.6b) cho thấy là )(tf được tổng hợp bằng cách cộng các hàm mũ dạng tjn e w D , theo đó đóng góp của một thành phần mũ là zêrô. Nhưng đóng góp của hàm mũ trong dải tần vô cùng bé Dw tại vị trí ww D= n là wwp DD )()2/1( nF , và việc lấy tổng mọi thành phần cho )(tf có dạng: å ò ¥ -¥= ¥ ¥- D ®D =DD= n tjn dFenFtf ww p ww p w w )( 2 1 )( 2 1 lim)( )( 0 (4.15) Đóng góp của thành phần trong dải tần w d là dFFdF )()( 2 1 www p = , với dF là băng thông tính theo Hertz. Rõ ràng, F( w ) là mật độ phổ trên đơn vị băng thông (Hertz). Cũng cần thấy là cho dù biên độ của một thành phần nào đó là zêrô, thì lượng tương đối của thành phần tại tần số w là F( w ). Mặc dù F( w ) là mật độ phổ, nhưng trong thực tế lại thường đươc gọi là phổ của )(tf thay vì là mật độ phổ của )(tf . Do đó, gọi F( w ) là phổ Fourier (hay biến đổi Fourier) của )(tf . Sự hài hòa kỳ diệu Điểm quan trọng cần nhớ ở đây là )(tf được biểu diễn (hay tổng hợp) dùng các hàm mũ (hay sin) là hàm không dừng (hay không nhân quả). Xét việc tổng hợp tín hiệu xung )(tf tồn tại trong thời gian giới hạn (hình 4.6) bằng các thành phần sóng sin trong phổ Fourier. Tín hiệu )(tf chỉ tồn tại trong khoảng (a,b) và là zêrô ở ngoài khoảng này. Phổ của )(tf chứa vô hạn các hàm mũ (hay sin) bắt đầu tại -¥=t và tiếp tục mãi mãi. Biên độ và pha của các thành phần này phải hợp lại thành đúng )(tf trong khoảng giới hạn, và là zêrô ngoài khoảng này. Sắp xếp biên độ và pha của vô số thành phần này đòi hỏi sự hài hòa và trí tưởng tưởng tinh tế của con người, nhưng biến đổi Fourier lại thực hiện được việc này theo trình tự , không phải suy nghĩ gì. Một vài ý niệm Trong chương 2, ta định nghĩa hàm truyền H(s) là ò ¥ ¥- - = dtethsH st )()( (4.16) Cho s = j w ò ¥ ¥- - = dtethjH tj w w )()( (4.17) Vế phải là biến đổi Fourier của )(th , và theo ý niệm từ phương trình (4.3) thì đó là )( w H , trong khi có ý niệm tương tự là )( w jH trong chương 2. Do đó, trung thành với ý niệm trước, ta gọi biến đổi Fourier là )( w jF thay vì )( w F trong phương trình (4.3). Thực ra, ý niệm )( w jF cho biến đổi Fourier thường dùng trong nhiều tài liệu. Do đó, ta tiếp tục dùng hai ý niệm, với ghi nhớ là )( w F và )( w jF biểu diễn cùng đặc tính. Điều này chỉ quan trọng khi ta bàn về biến đổi Laplace và tính lọc trong các chương kế, như thế cần nhớ là )( w H và )( w jH biểu diễn cùng đặc tính. 4.1-2 Khảo sát đáp ứng của hệ LT – TT – BB dùng biến đổi Fourier. Để biểu diễn tín hiệu )(tf thành tổng các hàm mũ (không dừng) nhằm tìm đáp ứng hệ thống )(tf là tổng của các đáp ứng thành phần mũ của )(tf . Xét hệ LT – TT – BB ổn định tiệm cận có hàm truyền H(s). Đáp ứng của hệ thống này với hàm mũ không dừng tj e w là tj eH w w )( . Cặp vào– ra này được biểu diễn như sau: tjtj eHe ww w )(Þ Vậy tnjtnj enHe )()( )( ww w DD DÞ Và ( ) tnjtnj e nHnF e nF )()( 2 )()( 2 ww p www p ww DD ú û ù ê ë é DDD Þ ú û ù ê ë é DD Do tính tuyến tính ( ) ( ) ( ) åå ¥ -¥= D ®D ¥ -¥= D ®D ú û ù ê ë é DDD Þ ú û ù ê ë é DD n tnj n tnj e nHnF e nF )( 0 )( 0 2 lim 2 lim w w w w p www p ww Ngõ vào )(tf Þ Ngõ ra )(ty Vế phải là ngõ vào )(tf [xem phương trình (4.6a) và (4.6b)], và vế phải là đáp ứng )(ty . Nên: ò å ¥ ¥- ¥ -¥= D ®D =DDD= www p www p ww w deHFenHnFty tj n tnj )()( 2 1 )()(lim 2 1 )( )( 0 ò ¥ ¥- = ww p w deYty tj )( 2 1 )( (4.18) Với )( w Y là biến đổi Fourier của )(ty , cho bởi )()()( www HFY = (4.19) Gút lại, khi hệ LT – TT – BB có hàm truyền là H(s) có ngõ vào là )(tf , và ngõ ra là )(ty thì nếu )()( w Ftf Û thì )()( w Yty Û Các bước trong phương pháp miền tần số giống hệt trường hợp trong miền thời gian. Trong miền thời gian ta biểu diễn )(tf thành tổng các thành phần xung; còn trong miền tần số, ngõ vào được viết thành tổng các hàm mũ (hay sin) không dừng. Trong trường hợp đầu, đáp ứng )(ty là tổng của các đáp ứng thành phần xung từ phép tích phân chập; còn trong miền tần số thì đáp ứng là tổng các đáp ứng hệ thống thành phần của hàm không dừng dạng mũ lấy từ tích phân Fourier. Ý tưởng này được diễn đạt một cách toán học như sau: 1. Trong miền thời gian )()( tht Þ d đáp ứng xung của hệ thống là )(th ò ¥ ¥- -= dxxtxftf )()()( d biểu diễn )(tf thành tổng các thành phần xung, và ò ¥ ¥- -= dxxthxfty )()()( biểu diễn )(ty thành tổng các đáp ứng thành phần xung 2. Trong miền tần số tjtj eHe ww w )(Þ đáp ứng hệ thống của tj e w là tj eH w w )( ò ¥ ¥- = ww p w deFtf tj )( 2 1 )( ; )(tf thành tổng các thành phần hàm mũ không dừng, và ò ¥ ¥- = www p w deHFty tj )()( 2 1 )( ; )(ty là tổng đáp ứng các thành phần hàm mũ Quan điểm miền tần số nhìn nhận hệ thống theo đáp ứng tần số (đáp ứng hệ thống với nhiều dạng thành phần sóng sin). Khi xem tín hiệu là tổng của nhiều thành phần sóng sin. Truyền tín hiệu qua hệ (tuyến tính) được xem là truyền nhiều thành phần sóng sín của tín hiệu qua hệ thống. 4.2 Biến đổi Fourier của một số hàm hữu ích Để tiện, ta giới thiệu các ý niệm cô đọng về một số hàm hữu ích như xung vuông góc, xung tam giác, và các hàm nội suy. Xung vuông góc đơn vị Được định nghĩa là hàm rect(x) là xung vuông góc có chiều cao đơn vị và độ rộng đơn vị, nằm cách đều gốc, vẽ ở hình 4.7a; ï î ï í ì < = > = 2/11 2/12/1 2/10 x x x rect (4.20) Xung cổng trong hình 4.7b là xung cổng đơn vị rect (x) mở rộng theo thừa số t và có thể viết thành rect (x/ t ) (xem phần 1.3-2). Ta thấy là t, mẫu số của (x/ t ), cho thấy độ rộng của xung. Xung tam giác đơn vị Xung tam giác đơn vị D(x) là xung tam giác có độ cao đơn vị và độ rộng đơn vị, nằm cách đều gốc, vẽ ở hình 4.8a î í ì <- ³ =D 2/121 2/10 )( xx x x (4.21) Xung hình 4.8b là )/( t xD . Ta thấy là trường hợp này giống trường hợp xung cổng, mẫu số t của )/( t xD chỉ độ rộng xung. Hàm nội suy sinc(x) Hàm sinx/x còn gọi là sinc(x), là hàm có vai trò quan trọng trong xử lý tín hiệu, còn gọi là hàm lọc hay hàm nội suy. Định nghĩa: x x xc sin )(sin = (4.22) Xét phương trình (4.22) ta thấy: 1. sinc(x) là hàm chẵn theo x. 2. sin(x) = 0 khi sin x = 0 trừ giá trị x = 0 (xuất hiện dạng vô định), tức là sin x = 0 khi , .3,2, ppp ±±±=x 3. Dùng định L’Hopital, ta có sin (0) =1. 4. sin(x) là tích của sóng dao động sin x (có chu kỳ 2p) và hàm đơn điệu giảm 1/x. Như thế, hàm sinc (x) là dao động sin với chu kỳ 2p, có biên đô giảm liên tục theo 1/x. Hình 4.9a vẽ tín hiệu sinc (x). Ta thấy sinc (x) = 0 tại các giá trị x dương và âm với bội số của p. Hình 4.9b vẽ sinc (3w/7). Đối số (3w/7) = p khi w = 7p/3. Do đó, zêrô đầu tiên của hàm xuất hiện tại w = 7p/3. . số dạng biến đổi 4. 3 Một số đặc tính của biến đổi Fourier 4. 4 Truyền tín hiệu qua hệ thống liên tục, tuyến tính, bất biến (LT-TT-BB) 4. 5 Mạch lọc lý tưởng. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU LIÊN TỤC THEO THỜI GIAN BIẾN ĐỔI FOURIER Nội dung 4. 1 Biểu diễn tín hiệu không tuần hoàn dùng tích phân Fourier 4. 2 Một