Спектральный синтез и анализ
Документ, представленный на рис. 14. 18, реализует синтез периодических прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2 (меандра). Ряд Фурье для таких импульсов содержит только синусные члены, причем лишь с нечетными k.
Это упрощает синтез, который в документе реализован для 3, 7 и 15 гармоник.
Меандр — не самая удачная для синтеза зависимость, поскольку он содержит резкие скачки. Для не очень сведущего в математике пользователя
удивительно, что такого рода зависимость вообще синтезируется из синусоид, которые представляют собою гладкие функции без всяких скачков Естественно, что для получения скачков нужно брать очень большое число гармоник Тем не менее уже при 15 гармониках синтезированный сигнал напоминает меандр и отличается от него конечным временем перепада и характерной волнистостью Она усиливается после быстрых перепадов и является проявлением так называемого эффекта Гиббса [30].
Эффект Гиббса, к сожалению, невозможно устранить (и даже ослабить) лишь увеличением числа гармоник при синтезе В этом случае просто возрастает частота волнообразных колебаний, но их относительная амплитуда меняется незначительно — она доходит до 18% от амплитуды синтезируемых колебаний.
Эффект Гиббса — явление крайне нежелательное Он фактически вводит в синтезируемые колебания новые компоненты, на деле отсутствующие Это может замаскировать или сильно исказить компоненты колебания, которые интересуют исследователя. Поэтому обычно стремятся ослабить эффект Гиббса, даже за счет уменьшения точности синтеза В дальнейшем будут обстоятельно рассмотрены приемы ослабления этого эффекта
Гармонический синтез пилообразных колебаний
В литературе можно найти множество примеров разложения в ряд Фурье самых разнообразных зависимостей y (t)
Используя приведенные для них значения коэффициентов Фурье, можно синтезировать самые разнообразные за висимости (сигналы) Еще одним примером может служить показанный на рис. 14 19 гармонический синтез треугольных колебаний
Рис. 14. 19 Гармонический синтез треугольных колебаний
Может возникнуть вполне закономерный вопрос зачем столь сложным способом синтезировать такие простые зависимости, если они легко описываются целиком или по частям с помощью простых аналитических выражений? Действительно, если нужно просто смоделировать сигнал как временную функцию, нет необходимости синтезировать его по множеству гармоник
Однако существует большое количество теоретических методов анализа сигналов и практических устройств, основанных именно на спектральном подходе. Примером могут служить частотные фильтры и даже целые радиотехнические системы. При их анализе сигнал y (t) часто приходится разлагать в ряд Фурье для проведения в дальнейшем операций с гармониками. Имея сигнал y (t) уже в виде гармоник, можно заметно сократить время обработки сигнала и вообще убрать этап задания функции в виде временной зависимости. Во многих странах до сих пор выпускаются синтезаторы сложных колебаний, основанные на суммировании их гармонических составляющих с разными амплитудой и фазой.
Спектральный анализ методом Берга
Для некоторых простых зависимостей y (t) амплитуды гармоник могут выражаться аналитически. Примером служат отрезки синусоиды, получаемые выделением только верхней ее части. На практике такие колебания широко используются в радиотехнике, где обрезание нижней части синусоиды обусловлено работой электронных приборов (например, ламп или транзисторов) в нелинейном режиме.
Доля периода синусоиды, используемой для анализа гармоник, оценивается углом отсечки 9 (далее он измеряется в радианах). Он, к примеру, равен к, если обрезается нижняя половина синусоиды. Удобно вычислять относительную амплитуду k-тл
гармоники (по отношению к усеченной амплитуде синусоидального импульса). Этот параметр для разных k впервые был вычислен Бергом.
Рис. 14. 20 Спектральный анализ методом Берга
В документе на рис. 14. 20 представлены формулы для вычисления коэффициентов Берга о. О (относительная постоянная составляющая сигнала), а. 1 (относительная амплитуда первой гармоники) и сот (относительная амплитуда п-й гармоники). Коэффициенты Берга являются функциями угла отсечки.
График в нижней части этого документа дает наглядное представление об изменении первых четырех коэффициентов Берга с изменением угла отсечки.
Нетрудно заметить существование максимумов у этих зависимостей. Например, максимальная амплитуда первой гармоники будет достигнута при угле отсечки 120 градусов, второй гармоники — 60 градусов и т. д. Знать эти углы полезно при проектировании умножителей частоты (например, удвоителей или устроителей), работа которых основана на фильтрации одной из высших гармоник.
Спектральный анализ прямоугольного импульса с применением БПФ
Встроенные в систему MathCAD средства быстрого преобразования Фурье (БПФ) существенно упрощают процедуру приближенного спектрального анализа. БПФ — быстрый алгоритм переноса сведений о функции, заданной 2" отсчетами во временной области, в частотную область. Если речь идет о спектральном анализе функции y (t), ее нужно задавать действительными отсчетами и использовать функцию fft (V), где V — вектор, элементы которого хранят отсчеты функции y (t).
Результатом будет также вектор А с комплексными элементами — отсчетами в частотной области (их вдвое меньше, чем отсчетов во временной области). Фактически действительная и мнимая части этого вектора есть коэффициенты Фурье а^ и Ъ^
что существенно упрощает их получение.
Документ на рис. 14. 21 поясняет проведение спектрального анализа с применением функции fft прямого БПФ. В начале документа (левый верхний угол) задан вектор с восемью единичными отсчетами и с остальными (всего их 32) — нулевыми. Затем вычислен вектор А — результат БПФ.
Рис. 14. 21 Спектральный анализ прямоугольного импульса с применением БПФ (начало документа)
В заключение (см. рис. 14. 22) вычислены амплитуды гармоник и их фазы для представления импульса рядом Фурье. Завершает документ построение графиков амплитуд (модулей) и фаз первых десяти гармоник.
Чтобы лучше понять закономерности спектрального анализа, целесообразно провести его и для импульсов другой формы, например пилообразного импульса. Рекомендуем читателю проделать это самостоятельно.
