SÉRIE DE FOURIER (FS)
Prof. Marcelo de Oliveira Rosa
Série de Fourier
Anteriormente...
combinação linear de δ(t)
Sistemas resposta ao impulso h(t)
Sinais
Análise de Fourier
Sinais
combinação linear de “senóides”
Exponenciais complexas
Sistemas
resposta em freqüência
Série de Fourier
Excitação periódica
Sistema
linear e invariante no tempo (LTI)
Aplicando um
impulso ao sistema
Resposta ao impulso
Aplicando um
trem de impulsos ao sistema
“Resposta periódica”
Apenas resposta forçada da EDO que rege o
LTI
Série de Fourier
Excitação periódica
Exemplos:
Gota em tanque de água
Mola
Massa
Resposta ao
impulso
Série de Fourier
Excitação periódica
Presença de transitório
Série de Fourier
Excitação periódica
Exercício
Série de Fourier
Excitação periódica
Presença de
transitório
Exigência de excitação iniciar “a muito tempo atrás”
Operação trabalhosa
Soma infinita de respostas ao impulso atrasadas
Como analisar
apenas a resposta forçada do
sistema a uma excitação periódica?
Série de Fourier
Excitação exponencial complexa
Dado:
h(t)
Excitação exponencial complexa x(t) = e+jΩt
Sistema LTI
Por convolução,
a resposta é:
jt
y( t ) e
autofunção
() e d
h
j
autovalor
Note:
resposta para uma freqüência específica Ω
Série de Fourier
Excitação exponencial complexa
Pelo princípio da superposição
x(t) A1e j1t A2e j2t Ak e jk t
Para o sistema
A
h(t)
resposta é
y(t) B1e j1t B2e j2t Bk e jk t
com
Bk h() e jk d
Série de Fourier
Excitação exponencial complexa
Autovalor
Projeção da função h(t)
sobre a função g(t) = e+jΩt
Produto interno <h(t), g*(t) >
h, g h() g ()d h() e
j
d
Autovetor/Autofunção
Direção g(t) considerada na qual
se projeta h(t)
Série de Fourier
Excitação exponencial complexa
Exemplo
Aproximação de
onda triangular
inclinada usando
sinais do tipo
cos(kΩt+Θ)
Série de Fourier
Excitação exponencial complexa
As
freqüências kΩ são chamadas harmônicas
∈Z
São múltiplas de 2π/T
k
Cada Ak
[Ak
cos(kΩt+Θ) pode ser convertido em:
cos(Θ)] cos(kΩt) + [–Ak sen(Θ)] sen(kΩt)
Senóides com fase
ponderadas.
soma de senóides e cossenóides
Série de Fourier
Definição
Se x(t)
é periódico, com período T, t0≤t<t0+T
x(t)
jkt
X
[
k
]
e
k
E
1 t 0 T
X[k ] x ( t ) e jkt dt
T t0
X[k] k-ésima amplitude harmônica das exponenciais
complexas da decomposição de x(t)
Ω=1/T
Série de Fourier
Definição
Em
termos de senos e cossenos
x ( t ) X c [0] X c [k ] cos(kt ) X s [k ] sen(kt )
k 1
E
2
X c [k ] x ( t ) cos( kt )dt , k 0,1,2,
T
2
X s [k ] x ( t ) sen( kt )dt , k 1,2,
T
Xc[k] e Xs[k] k-ésima amplitude harmônica das senóides e
cossenóides da decomposição de x(t)
Série de Fourier
Definição
Condições de existência
Sinal absolutamente somável entre t0≤t<t0+T
Número finito de máximos e mínimos entre t0≤t<t0+T
Número finito de descontinuidades entre t0≤t<t0+T
Sinais
x(t)
hipotéticos não possuem série de Fourier
= sen(1/t)
Série de Fourier
Questão de periodicidade
A
partir de:
x(t)
jkt
X
[
k
]
e
k
Temos que:
x ( t ) x ( t qT )
Série de Fourier
Questão de periodicidade
Série de Fourier
Questão de periodicidade
Série de Fourier
Questão da periodicidade
Reforçando:
k
∈Z
Ω
Não existe componente para k não inteiro!
X[k] é uma seqüência/série de números
=1/T
Freqüência de cálculo está relacionado com o período do
sinal escolhido para a análise da série
Existem
2 períodos envolvidos
Período real do sinal
Período para cálculo da Série de Fourier
Exemplos/Exercícios
Série de Fourier
Truncamento e Convergência da FS
Usando uma amplitude harmônica Xn[k]
x N (t )
O erro
N
X
k N
[k ] e
mínimo será:
min{E e }
Com
N
jkt
X
|k | N
argmin{Ee} = X[k]
N
[k ]
2
Série de Fourier
Truncamento e Convergência da FS
Série de Fourier
Truncamento e Convergência da FS
Série de Fourier
Truncamento e Convergência da FS
Sinais
“contínuos”
Convergência com número finito de harmônicos
Sinais
“descontínuos”
Presença de impulsos δ(t)
Convergência com número finito de harmônicos
Mas não atinge convergência absoluta
Fenômeno de Gibbs
Representação de função descontínua usando função
contínua (no caso, exponenciais complexas)
Oscilação nas regiões de descontinuidade
Série de Fourier
Truncamento e Convergência de FS
Sinais
“descontínuos”
Exemplos:
Filtro passa-baixa em sinal degrau (unitário ou não)
“Ruído” em imagens compactadas (JPEG)
“Ruído” em vídeo digital compactado (MPEG, TV digital)
Pré-eco em instrumentos de percussão
Série de Fourier
Truncamento e Convergência de FS
Aproximação de
u(t) via FS
A
A/2
t0
0
Au( t ) A / 2 t 0
A
t0
Série de Fourier
Propriedades
Linearidade
com T
= m Tx = q Ty
FS
x ( t )
X[k ]
FS
y( t )
Y[k ]
z( t ) ax( t ) by ( t ) Z[k ] aX[k ] bY[k ]
FS
Série de Fourier
Propriedades
Inversão de tempo
com T
= m Tx
x ( t ) X[k ]
FS
x ( t ) X[k ]
FS
Série de Fourier
Propriedades
Deslocamento no tempo
com T
= m Tx
FS
x ( t )
X[k ]
x ( t t 0 ) e
FS
Deslocamento em
com T
= m Tx
jkt 0
X[k ]
freqüência
x ( t ) X[k ]
FS
FS
e jk0t x ( t )
X[k k 0 ]
Série de Fourier
Propriedades
Deslocamento
no tempo atraso de fase
Série de Fourier
Propriedades
Deslocamento
na freqüência modulação AM
Série de Fourier
Propriedades
Escala de tempo
com T
= m Tx
FS
x ( t )
X[k ], T Tx
FS
x (at )
X[k ], T Tx a
ou
FS
x ( t )
X[k ], T Tx
X[k a ], k a Z
x (at)
, T Tx
c.c.
0,
FS
Série de Fourier
Propriedades
Diferenciação
Com T
= m Tx
FS
x ( t )
X[k ]
d
FS
x(t )
jk X[k ]
dt
Série de Fourier
Propriedades
Integração
Com T
= m Tx e X[0]=0
FS
x( t )
X[k]
t
X[k]
FS
x()d jk , k 0
Se X[0] ≠ 0, a integral de x(t) deixa de ser periódica
Inexistência da série de Fourier para tal sinal
Série de Fourier
Propriedades
Modulação
com T
= m Tx = q Ty
x ( t ) X[k ]
FS
y( t ) Y[k ]
FS
FS
z( t ) x ( t ) y( t )
Z[k ] X[k ] Y[k ]
Série de Fourier
Propriedades
Convolução periódica
com T
= m Tx = q Ty
x ( t ) X[k ]
FS
FS
y( t )
Y[k ]
FS
z( t ) x ( t ) y( t )
Z[k ] T X[k ] Y[k ]
Série de Fourier
Propriedades
Modulação e
Convolução
Modulação no tempo Convolução em freqüência
Convolução no tempo
Princípio de filtragem!
Modulação em freqüência
Série de Fourier
Propriedades
Conjugado
Com T
= m Tx
FS
x ( t )
X[k ]
y( t ) x ( t ) Y[k ] X [k ]
FS
Propriedade decorrente:
Se x(t) é par, |X[k]|2 – módulo – é par
Se x(t) é par, <X[k] – fase – é impar
Série de Fourier
Propriedades
Teorema de
Com T
Parseval
= m Tx
FS
x ( t )
X[k ]
1
2
2
FS
x ( t ) dt X[k ]
T T
k
Potência média do sinal Soma das potências médias
harmônicas
Série de Fourier
Aplicação em Análise de Sistemas LTI
Do conceito de autofunção
Excitação
exponencial complexa (freqüência Ω)
Resposta exponencial complexa (freqüência Ω)
Exemplos/Exercícios
Série de Fourier
Aplicação em Análise de Sistemas LTI
Aplicação direta sobre
EDO
Linear a coeficientes constantes
Obtenção da
resposta do sistema a componentes
harmônicos espectrais
Por manipulação algébrica
Vout [k ]
H[k ]
Vin [k ]
Apenas para harmônicos de
Ω = 2π/T