Формы представления детерминированных сигналов

Модели сигналов в виде функции времени предназначены, в первую очередь, для анализа формы сигналов. При решении задач прохождения сигналов сложной формы через какие-либо устройства такая модель сигнала часто не совсем удобна и не позволяет понять суть происходящих в устройствах физических процессов.

Поэтому сигналы представляют набором элементарных (базисных) функций, в качестве которых наиболее часто используют ортогональные гармонические (синусоидальные и косинусоидальные) функции. Выбор именно таких функций обусловлен тем, что они являются, с математической точки зрения, собственными функциями инвариантных во времени линейных систем (систем, параметры которых не зависят от времени), т.е. не изменяют своей формы после прохождения через эти системы. В результате сигнал может быть представлен множеством амплитуд, фаз и частот гармонических функций, совокупность которых называется спектром сигнала.

Таким образом, существуют две формы представления произвольного детерминированного сигнала: временное и частотное (спектральное).

Первая форма представления основана на математической модели сигнала в виде функции времени t:

= S(t),

вторая - на математической модели сигнала в виде функции частоты f, причем, что весьма важно, эта модель существует только в области комплексных функций:

S = (f) = S(jf).

Обе формы представления сигнала связаны между собой парой преобразований Фурье:

При использовании угловой (циклической) частоты w = 2pf преобразования Фурье имеют следующий вид:

Временное представление гармонического колебания имеет следующий вид:

где U_m_, T, f₀, w₀, и j₀ - соответственно амплитуда, период, частота, угловая частота и начальная фаза колебания.

Для представления такого колебания в частотной области достаточно задать две функции частоты, показывающие, что на частоте w₀амплитуда сигнала равна U_m, а начальная фаза равна j₀:

Графики временного и частотного представлений гармонического колебания приведены на рис. 2.7, где амплитуда U_m и фаза j₀ отложены в виде отрезков прямых.

Значения U_m =U(w₀) и j₀ =j(w₀) называются соответственно амплитудным и фазовым спектром гармонического колебания, а их совокупность - просто спектром.

Вместо использования в частотной области двух действительных функций можно использовать одну, но комплексную функцию. Для этого запишем временное представление гармонического колебания в комплексной форме: