background image

Całkowa arena

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zależności  opisujące  współczynniki  szeregu  trygonometrycznego 
pozostawione zostały bez wytłumaczenia co zostanie nadrobione w 
obecnej  prezentacji.  Podejście  stosowane  przy  wyznaczaniu 
współczynników  szeregu  Fouriera  wykorzystywane  jest  w 
algorytmie  łączącym  czasową i  częstotliwościową reprezentację
sygnałów cyfrowych.

background image

Analizator odpowiedzi 

częstotliwościowej

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

FRA  to  cenne  urządzenie  w  analizie  częstotliwościowej  układów  elektrycznych.  Z 
powodzeniem  jest  również stosowany  w  elektrochemii  (w  analizie  impedancyjnej) 
ponieważ zachowanie  składników  układu  elektrochemicznego  modelowane  jest  za 
pomocą elektrycznych układów zastępczych. FRA jest systemem analogowym.

( )

t

ω

sin

(

)

ϕ

ω

+

t

sin

( )

t

ω

sin

( )

t

ω

cos

×

×

współczynnik 
sinusowy

współczynnik 
kosinusowy

background image

Okresy raz jeszcze

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Dzięki 

założeniu 

wymierności 

wzajemnych 

stosunków 

częstotliwości  jesteśmy  w  stanie  określić wspólną wielokrotność
wyznaczającą okres  podstawowy.  W  przedstawionym  przykładzie 
częstotliwości  mają się do  siebie  jak  3  do  2.  Okres  podstawowy 
wynosi  3  przebieg  szybszy  mieści  się w  nim  2  razy,  wolniejszy  3. 
Częstotliwość podstawowa wynosi 0,5 Hz, to 2 składowa, a 1,5 f
trzecia.

częstotliwość

f

f

5

,

1

background image

Znowu szereg 

trygonometryczny

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Teraz skorzystamy ze wzoru Eulera:

(

)

=

+

+

=

1

0

0

sin

)

(

n

n

n

t

n

A

A

t

s

ϕ

ω

(

)

(

)

=

+

+

=

1

0

0

0

2

exp

exp

)

(

n

n

n

n

i

i

t

in

i

t

in

A

A

t

s

ϕ

ω

ϕ

ω

Własności  funkcji  wykładniczej  pozwalają nam  zapisać to  w 
postaci:

(

)

(

)

(

)

(

)

=

+

=

1

0

0

0

2

exp

exp

exp

exp

)

(

n

n

n

n

i

i

t

in

i

t

in

A

A

t

s

ϕ

ω

ϕ

ω

background image

Nadchodzą wzory 

potwory…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Rozbijamy sumę:

(

)

(

)

(

)

(

)

=

=

+

=

1

0

1

0

0

2

exp

exp

2

exp

exp

)

(

n

n

n

n

n

n

i

i

t

in

A

i

i

t

in

A

A

t

s

ϕ

ω

ϕ

ω

to 

co 

nie 

zawiera 

wielokrotności 

częstotliwości 

podstawowej  wrzucamy  do  stałej.  Minus  wędruje  pod  drugi 
znak sumy

(

)

(

)

(

)

(

)

=

=

+

+

=

1

0

1

0

0

exp

2

exp

exp

2

exp

)

(

n

n

n

n

n

n

t

in

i

i

A

t

in

i

i

A

A

t

s

ω

ϕ

ω

ϕ

ujednolicamy nasz zapis przez wprowadzenie ujemnych n

background image

…niedługo wyjdą za 

slajd…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

stałe oznaczamy jednym symbolem 

(

)

(

)

(

)

(

)

=

=

+

+

=

1

0

1

0

0

exp

2

exp

exp

2

exp

)

(

n

n

n

n

n

n

t

in

i

i

A

t

in

i

i

A

A

t

s

ω

ϕ

ω

ϕ

(

)

(

)

−∞

=

=

+

+

=

1

0

1

0

0

exp

exp

)

(

n

n

n

n

t

in

c

t

in

c

A

t

s

ω

ω

Dotychczasowe  przekształcenia  doprowadziły  nas  do  zapisania 
sygnału  w  dziwacznej  formie  podczas  gdy  naszym  celem  jest 
określenie  nieznanych  współczynników  wyrazów  sinusoidalnych 
(amplitud i faz) oraz wyrazu stałego. Teraz te wielkości pochowały 
się w stałych zespolonych ale cały czas mamy wzory pozwalające 
je odtworzyć. 

background image

Atak całki…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Teraz uderzamy we wzór całką po jednym okresie podstawowym:

T

dt

t

s

0

)

(

i rozpada się on na trzy części. Rozpracowujemy je po kolei 
zaczynając od stałej A

0

:

=

T

T

A

dt

A

0

0

0

to po prostu pole prostokąta o podstawie równej okresowi i 
wysokości równej A

0

Następne wyrażenie jest gorsze:

(

)

∫∑

=

=

T

n

n

dt

t

in

c

t

s

0

1

0

exp

)

(

ω

background image

…której nie liczymy

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Szereg chcemy scałkować wyraz po wyrazie. Najpierw n=1:

(

)

(

)

(

)

[

]

dt

t

t

i

c

dt

t

i

c

T

T

+

=

0

0

0

1

0

0

1

cos

sin

exp

ω

ω

ω

Fala sinusoidalna o częstotliwości 

ω

0

mieści 

się

okresie 

podstawowym  dokładnie  jeden 
raz w taki sposób:

0

T

Kosinusoidalna układa się tak:

0

T

u

ro

jo

n

a

rz

e

c

z

y

w

is

ta

Plusy znoszą się z minusami, nie ma szans, żeby któraś ocalała. 
Taki sam los spotyka zresztą wyrażenie z –n .

background image

Los składowych harmonicznych 

jest przesądzony…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ponieważ każda  harmoniczna  mieści  się w  okresie  podstawowym 
całkowitą ilość razy,  żadna  nie  ma  szans  na  przetrwanie.  Z 
całkowego  pogromu  wychodzi  tylko  składowa  stała.  Dla  wygody 
można  morderczą całkę podzielić przez  okres  i  wtedy  dostarczy 
ona od razu wartości poszukiwanej stałej A

0

.

(

)

(

)

[

]

dt

t

t

i

c

T

+

0

0

0

2

2

cos

2

sin

ω

ω

(

)

(

)

[

]

dt

t

t

i

c

T

+

0

0

0

2

2

cos

2

sin

ω

ω

(

)

(

)

[

]

dt

t

t

i

c

T

+

0

0

0

3

3

cos

3

sin

ω

ω

(

)

(

)

[

]

dt

t

t

i

c

T

+

0

0

0

3

3

cos

3

sin

ω

ω

background image

Inwazja całek

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

To oczywiście nie koniec, ponieważ teraz na arenę wkracza całka 
uzbrojona w dodatkowe wyrażenie:

(

)

T

dt

t

j

t

s

T

0

0

exp

)

(

1

ω

Najpierw składowa stała:

(

)

T

dt

t

j

A

T

0

0

0

exp

1

ω

Sinus  jest  nieparzysty,  kosinus  parzysty  ale  to  już widzieliśmy. 
Całka niszczy samą siebie przy okazji pociągając wyrażenie stałe.

background image

Równi wojownicy 

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Po ataku samobójczym przychodzi czas na main event czyli 
spotkanie wyrażeń o takich samych częstościach…

(

)

(

)

T

dt

t

j

t

j

c

T

0

0

0

1

exp

exp

1

ω

ω

…i szumnie zapowiadane starcie szybko się kończy:

(

)

(

)

1

0

0

0

1

exp

exp

1

c

dt

t

j

t

j

c

T

T

=

ω

ω

Pozostawiając w rezultacie wyznaczoną wartość współczynnika c

1

Wprowadzenie czynnika 1/T ułatwia obliczenia.

background image

Wyrażenie symetryczne w 

szeregu…

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Opisujące człon z –n w tym przypadku zachowuje się inaczej:

(

)

(

)

T

dt

t

j

t

j

c

T

0

0

0

1

exp

exp

1

ω

ω

(

)

T

dt

t

j

c

T

0

0

1

2

exp

1

ω

Czyli:

W  wyniku  całkowania  powstaje  wyrażenie  o  dwa  razy  większej 
częstotliwości.

Nietrudno  zgadnąć co  się
stanie…

background image

…i symetryczna całka

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Skoro  była  całka  z  ujemnym  argumentem  funkcji  wykładniczej  to 
jest  też jej  „siostra” z  dodatnim.  Tutaj  jednak  nie  dzieje  się nic 
nowego:

(

)

(

)

(

)

=

T

T

dt

t

j

T

dt

t

j

t

j

c

T

0

0

0

0

0

1

2

exp

1

exp

exp

1

ω

ω

ω

(

)

(

)

=

T

c

dt

t

j

t

j

c

T

0

1

0

0

1

exp

exp

1

ω

ω

Otrzymaliśmy przepis na współczynnik c

-1

background image

Mniejszy vs większy

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

To  starcie  nie  skończyło  się zwycięstwem  całek.  Wzywają więc 
szybszego przeciwnika…

(

)

(

)

(

)

=

T

T

dt

t

j

T

dt

t

j

t

j

c

T

0

0

0

0

0

1

3

exp

1

2

exp

exp

1

ω

ω

ω

Widoczne  jest,  że  spotkania  stają się rutynowe  i  nudne.  W  ich 
wyniku 

zawsze 

otrzymujemy 

przebiegi 

trygonometryczne 

mieszczące się w okresie całkowitym a więc całkowanie powoduje 
zerowanie zarówno dla wyrażeń dodatnich jak i ujemnych. 

(

)

(

)

(

)

[

]

+

=

T

T

dt

t

j

n

T

dt

t

nj

t

j

c

T

0

0

0

0

0

1

1

exp

1

exp

exp

1

ω

ω

ω

background image

Próba uogólnienia

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Łatwo 

wydedukować

czy 

nawet 

wyliczyć

powtarzając 

przedstawiony, nużący tok rozumowania, że zastosowanie rodziny 
całek  zawierających  wyrażenia  z  rosnącymi  częstotliwościami 
pozwoli wyodrębnić współczynniki kolejnych wyrazów szeregu. 

( )

( )

( )

0

1

ω

0

2

ω

0

3

ω

1

1

,

c

c

2

2

,

c

c

3

3

,

c

c

Otrzymujemy  metodę ekstrakcji  informacji  o  każdej  składowej 
szeregu Fouriera. 

background image

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Możemy  pozbyć się innej  postaci  całki  dla  wyrazu  stałego 
przyjmując, że:

Próba uogólnienia II

( )

(

)

=

T

T

dt

t

j

t

s

T

dt

t

s

T

0

0

0

0

exp

1

)

(

1

ω

wówczas wrażenie na kolejne współczynniki c

n

przyjmie postać:

( )

(

)

dt

t

jn

t

s

T

c

T

n

=

0

0

exp

1

ω

c

n

można podzielić na część rzeczywistą i urojoną:

( )

(

)

(

)

=

+

=

T

T

n

n

n

dt

t

n

t

is

T

dt

t

n

t

s

T

ib

a

c

0

0

0

0

sin

)

(

1

cos

1

ω

ω

background image

Tajemniczy wzór z 

poprzedniego wykładu

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Po separacji części rzeczywistej i urojonej otrzymujemy:

( )

(

)

dt

t

n

t

s

T

a

T

n

=

0

0

cos

1

ω

( )

(

)

dt

t

n

t

s

T

b

T

n

=

0

0

sin

1

ω

Musimy  jeszcze  uwzględnić,  że  para  sinus  i  kosinus  to  para 
prążków c

n

c

-n

. Skoro rozpisany został tylko jeden to jest o połowę

za  mały.  Pomnożenie  całek  przez  2  kompensuje  ten  efekt.  W  taki 
sposób  wyjaśniają się podane  uprzednio  wzory  na  współczynniki 
szeregu  Fouriera.  Wyrażenia  na  c  możemy  również rozpisać na 
składową amplitudową (moduł) i fazową:

( )

( )

ϕ

ϕ

i

A

i

c

c

n

n

n

exp

2

exp

=

=

Współczynnik reprezentacji 
wykładniczej jest 2 razy 
mniejszy niż sinusoidalnej.

background image

Niedyskretny szereg

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Szereg Fouriera jest dyskretny w dziedzinie częstotliwości. Składa 
się z prążków, które utożsamiamy ze współczynnikami rozwinięcia. 
Prążki opisują składową amplitudową i fazową.

Pierwszy  prążek  to  f

0

drugi  2f

0

,

odległość

między  kolejnymi  prążkami  jest  stała  i 
wynosi f

0

0

f

0

f

0

f

0

f

zwiększamy 
okres…

0

f

0

f

0

f

0

f

…tym samym zmniejszając częstotliwość
podstawową i odległość między prążkami.

background image

Granica

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wydłużając okres podstawowy w granicy doprowadzamy do zlania 
się

prążków  w  ciągłą

funkcję

częstotliwości.  Funkcja  o 

nieskończonym  okresie  to  funkcja  nieokresowa  a  szereg  ją
opisujący to już nie szereg tylko funkcja. 

czas

częstotliwość

okresowy

dyskretny

p

f

background image

Podsumowanie

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Szereg  Fouriera  opisuje  periodyczny  przebieg  ciągły  za  pomocą
złożenia  funkcji  sinus  i kosinus, które mogą zostać zamienione  na 
swoje odpowiedniki wykładnicze. 
Operacja  mnożenia  i  całkowania  prowadzi  do  wyselekcjonowania 
pojedynczych składowych częstotliwościowych. Operacja tego typu 
to iloczyn skalarny.

background image

Kolejne zagadnienie

Publikacja współfinansowana 

ze środków  Unii Europejskiej

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Obecność całek wciąż więzi nas w królestwie przebiegów ciągłych 
(analogowych).  Jest  to  sytuacja  nieprzystająca  do  przetwarzania 
cyfrowego 

dlatego 

zależności 

powinny 

zostać

poddane 

dyskretyzacji.
Sens  wyrażeń na  współczynniki  rozwinięcia  łatwiej  jest  zobaczyć
przy wykorzystaniu obrazków z obrotami w przestrzeni zespolonej. 
Jak  się okaże  selektywność wyrażenia  całkowego  „filtrującego”
składowe  o  określonych  częstotliwościach  obowiązywać będzie 
także w przypadku dyskretnym choć same całki znikną.