background image

 

- 1 - 

7.  WIDMOWY OPIS SYGNAŁÓW 

ELEKTRYCZNYCH 

 
 

 

PRZYPOMNIENIE 

 

A)  Funkcja wykładnicza pełni wyjątkową rolę, ponieważ

 

każdy sygnał występujący w praktyce może być zawsze wyra-
ż

ony w postaci sumy funkcji wykładniczych; 

 

w  przypadku  obwodów  liniowych  odpowiedź  obwodu  na  wy-
muszenie wykładnicze jest także wykładnicza. 

 

B)  Metoda  symboliczna  zapisu  przebiegów  sinusoidalnych  po-

zwala traktować je jako przebiegi wykładnicze 

 
 

7.1.  OPIS SYGNAŁU ODKSZTAŁCONEGO 

 

TRYGONOMETRYCZNY SZEREG FOURIERA 

 

Dowolną funkcję okresową niesinusoidalną x(t) o okresie T, spełniają-

cą warunki Dirichleta -  można przedstawić w postaci szeregu harmonicz-
nego nieskończonego, zwanego 

szeregiem trygonometrycznym Fouriera:

 

 

( )

(

)

=

+

+

=

1

1

0

sin

k

k

k

m

t

k

F

F

t

x

Ψ

ω

 

(7.1) 

 
 
 
 
 
 
 

 

 
 

k-ta harmoniczna rozwinięcia Fouriera 

gdzie: 

ω

ωω

ω

1

 =2

ππππ

/T – pulsacja podstawowa 

k – rząd harmonicznej 
F

mk

 – amplituda k-tej harmonicznej 

Ψ

k

 – faza początkowa k-tej harmonicznej

 

składowa stała 

background image

 

- 2 - 

Wiadomo jednak, że 

 

(

)

(

)

k

k

k

m

k

k

m

t

k

t

k

F

t

k

F

Ψ

+

Ψ

=

Ψ

+

sin

cos

cos

sin

sin

1

1

1

ω

ω

ω

 

(7.2) 

Jeśli oznaczymy 

k

k

k

m

k

k

k

m

B

F

A

F

=

Ψ

=

Ψ

cos

sin

 

(7.3) 

to 
 

(

)

t

k

B

t

k

A

t

k

F

k

k

k

k

m

1

1

1

sin

cos

sin

ω

ω

ω

+

=

Ψ

+

 

(7.4) 

Gdy  amplitudę  k-tej  harmonicznej  przedstawimy  jako  wektor  wirują-

cy, to z zależności trygonometrycznych (rys) wynikają wzory (7.3) oraz 
 

Re

Im

F

mk

Ψ

k

A

k

B

k

 

2

2

k

k

k

m

B

A

F

+

=

 

(7.5) 

k

k

k

B

A

tg

=

Ψ

 

(7.6) 

 
Uwzględniając powyższe zależności możemy szereg (7.1) przedstawić 

 

( )

(

)

=

+

+

=

1

1

1

0

sin

cos

k

k

k

t

k

B

t

k

A

A

t

x

ω

ω

 

(7.7) 

 
 
Współczynniki A

0

 , A

k

 , B

k

 wyznacza się ze wzorów: 

 

( )

dt

t

x

T

A

T

t

t

+

=

0

0

1

0

 

(7.8) 

 

( )

K

,

2

,

1

cos

2

1

0

0

=

=

+

k

dla

dt

t

k

t

x

T

A

T

t

t

k

ω

 

(7.9) 

 

( )

K

,

2

,

1

sin

2

1

0

0

=

=

+

k

dla

dt

t

k

t

x

T

B

T

t

t

k

ω

 

(7.10) 

 

k-ta harmoniczna rozwinięcia Fouriera

 

składowa stała 

background image

 

- 3 - 

Interpretacja: 

Dowolny przebieg elektryczny można przedstawić w postaci sumy 

wielkości stałej 

oraz 

nieskończenie wielu wielkości sinusoidalnych zwanych 
harmonicznymi

Wielkość  sinusoidalną  o  k=1  nazywamy  harmoniczną  podstawową  (pierwszą 
harmoniczn
ą). Wielkości o k>1 nazywamy wyższymi harmonicznymi

 

10

0

u t

( )

0.875

0.125

t

0

0.2

0.4

0.6

0.8

2

4

6

8

10

 

5

5

Uo

u1 t

( )

u2 t

( )

u3 t

( )

0.875

0.125

t

0

0.2

0.4

0.6

0.8

4

2

2

4

 

background image

 

- 4 - 

ANALIZA OBWODÓW SLS PR

Ą

DU ODKSZTAŁCONEGO 

 

Załóżmy,  że  do  dwójnika  zawierającego  elementy  R,  L  w  połączeniu 

szeregowym  przyłożono  napięcie  odkształcone  u(t).  Wielkością  poszuki-
waną  jest  prąd  płynący  przez  elementy  dwójnika.  Rozwinięcie  rozpatry-
wanego wymuszenia w szereg Fouriera ma postać 

 

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

=

=

+

=

+

+

+

+

=

+

+

=

1

0

3

2

1

0

1

1

0

sin

k

k

k

uk

k

m

t

u

U

t

u

t

u

t

u

U

t

k

U

U

t

u

K

Ψ

ω

 

(7.11) 

Ponieważ  obwód  jest  liniowy,  więc  możemy  zastosować  zasadę  su-

perpozycji w sposób następujący: 

1.

 

Przyjmujemy,  że  jedynym  wymuszeniem  jakie  działa  na  obwód  jest 
ź

ródło napięcia stałego U

0

 i rozpatrywany obwód obliczamy za pomocą 

metod dotyczących obwodów prądu stałego, wyznaczając prąd I

0

2.

 

Przyjmujemy, że jedynym wymuszeniem jakie działa na obwód jest k-te 
ź

ródło napięcia harmonicznego o napięciu 

( )

(

)

uk

k

m

k

t

k

U

t

u

Ψ

ω

+

=

1

sin

 

i za pomocą  metod obliczania obwodów prądu harmonicznego wyzna-
czamy prąd obwodu 

( )

(

)

ik

k

m

k

t

k

I

t

i

Ψ

ω

+

=

1

sin

obliczenie to powtarzamy wielokrotnie, przyjmując kolejno k=1,2,3,... 

 

Zgodnie z zasadą superpozycji przez elementy obwodu płynie prą

 

( )

( )

(

)

=

=

+

+

=

+

=

1

1

0

1

0

sin

k

ik

k

m

k

k

t

k

I

I

t

i

I

t

i

Ψ

ω

 

(7.12) 

background image

 

- 5 - 

R

L

u(t)

i(t)

u (t)

1

 

i(t)

R

L

U

0

u (t)

k

 

R

L

I

0

ω=0

 

 

U

0

R

L

ω=ω

 

 

1

u (t)

1

 

i (t)

1

 

...

R

L

ω= ω

 

 

k

1

i (t)

k

 

...

u (t)

k

 

 

 

 

 

R

U

I

0

0

=

 

 

( )

(

)

uk

k

m

k

t

k

U

t

u

Ψ

ω

+

=

1

sin

 

uk

j

mk

mk

e

U

U

Ψ

=

 

 

 

k

mk

mk

Z

U

I

=

 

(

)

+

=

+

=

R

L

k

arctg

j

k

e

L

k

R

L

k

j

R

Z

ω

ω

ω

2

2

 

(

)

ik

uk

j

mk

R

L

k

arctg

j

mk

k

e

I

e

L

k

R

U

I

Ψ

ω

Ψ

ω

=

+

=

2

2

 

 

 

( )

(

)

ik

k

m

k

t

k

I

t

i

Ψ

ω

+

=

1

sin

 

 

Obwody prądu harmonicznego

 

Obwód prądu stałego 

background image

 

- 6 - 

ZESPOLONY (WYKŁADNICZY) SZEREG FOURIERA 

 

Jeśli w rozwinięciu w szereg Fouriera danym wyrażeniem (7.7) zasto-

sujemy podstawienie wynikające z wzorów Eulera 

 

2

cos

1

1

1

t

jk

t

jk

e

e

t

k

ω

ω

ω

+

=

 ,   

j

e

e

t

k

t

jk

t

jk

2

sin

1

1

1

ω

ω

ω

=

 

(7.13) 

to otrzymamy 

 

( )

=

+

+

+

=

1

0

2

2

1

1

1

1

k

t

jk

t

jk

k

t

jk

t

jk

k

j

e

e

B

e

e

A

A

t

x

ω

ω

ω

ω

 

(7.14) 

Wprowadzając oznaczenia 

 

2

,

2

,

0

0

k

k

k

k

k

k

jB

A

C

jB

A

C

A

C

+

=

=

=

 

(7.15) 

szereg Fouriera przyjmuje postać 

 

( )

[

]

=

+

+

=

1

0

1

1

k

t

jk

k

t

jk

k

e

C

e

C

C

t

x

ω

ω

 

(7.16) 

i ostatecznie 

 

( )

−∞

=

=

k

t

jk

k

e

C

t

x

1

ω

 

(7.17) 

którą to postać nazywamy postacią ze-
spoloną  szeregu  Fouriera  lub  krótko 
zespolonym szeregiem Fouriera. 

 

( )

+

±

±

=

=

=

T

t

t

j

k

t

k

j

k

k

e

C

dt

e

t

x

T

C

k

0

0

1

,

2

,

1

,

0

1

K

η

ω

 

(7.18) 

 

Uwaga: 

*

k

k

C

C

=

 

k

k

k

k

i

C

C

=

=

η

η

 

 

k-ty współczynnik wykładniczego 
szeregu Fouriera 

C

k

 – moduł k-tego współczynnika wy-

kładniczego szeregu Fouriera 

η

k

 – argument k-tego współczynnika 

wykładniczego szeregu Fouriera

 

background image

 

- 7 - 

WIDMO AMPLITUDOWE I FAZOWE SYGNAŁU 

 

Wykres,  w  układzie  współrzędnych  prostokątnych,  stanowiący 

zbiór 

modułów  C

k

  współczynników  wykładniczego  szeregu  Fouriera 

lub  amplitud  F

mk

  poszczególnych  harmonicznych, 

określony  dla  odpo-

wiednich  pulsacji 

ω

ωω

ω

=k

ω

ωω

ω

1

  (bądź  częstotliwości  f=kf

1

)  nazywamy 

dys-

kretnym widmem amplitudowym

 sygnału x(t). 

 

Wykres,  w  układzie  współrzędnych  prostokątnych,  stanowiący 

zbiór 

argumentów 

ηηηη

k

 współczynników wykładniczego szeregu Fourie-

ra  lub  faz  początkowych 

ψ

k

  poszczególnych  harmonicznych, 

określony 

dla  odpowiednich  pulsacji 

ω

ωω

ω

=k

ω

ωω

ω

1

  (bądź  częstotliwości  f=kf

1

)  nazywa-

my 

dyskretnym widmem fazowym

 sygnału x(t). 

 

Znajomo

ść

  obydwu  widm,  amplitudowego  i  fazowego  jedno-

znacznie  okre

ś

la  sum

ę

  cz

ęś

ciow

ą

  szeregu  Fouriera  czyli  z  za-

ło

ż

on

ą

  dokładno

ś

ci

ą

  opisuje  analizowany  sygnał  x(t).  Widma 

(cz

ę

stotliwo

ś

ciowe) s

ą

 równowa

ż

nym opisem do analitycznego 

zapisu w dziedzinie czasu tego sygnału - jest to jego reprezen-
tacja widmowa.
 

 
 

Ponieważ pomiędzy współczynnikami rozwinięcia w trygonometrycz-

ny i w zespolony szereg Fouriera zachodzą następujące związki: 

 

K

,

2

,

1

2

2

2

2

=

+

=

=

=

k

dla

B

A

F

C

C

k

k

k

m

k

k

 

(7.19) 

 

K

,

2

,

1

2

=

=

k

dla

k

k

π

Ψ

η

 

(7.20) 

 
dla przykładowego sygnału x(t) można przedstawić następujące widma: 
 

background image

 

- 8 - 

WIDMO AMPLITUDOWE 

SPORZ

Ą

DZONE W OPARCIU O POSTA

Ć

TRYGONOMETRYCZN

Ą

 

ZESPOLON

Ą

 

F

mk

k

ω

1

0

1

2

3

4

 

C

k

k

ω

1

0

1

2

3

4

-1

-2

-3

-4

 

 
 

WIDMO FAZOWE 

SPORZ

Ą

DZONE W OPARCIU O POSTA

Ć

TRYGONOMETRYCZN

Ą

 

ZESPOLON

Ą

 

Ψ

k

k

ω

1

1

2

3

4

 

k

ω

1

1

2

3

4

-1

-2

-3

-4

η

k

 

Widmo  amplitudowe  sygnału  okresowego  jest  funkcją  parzystą  a  widmo 
fazowe  funkcją  nieparzystą.  Prawostronne  widma  amplitudowe  i  fazowe 
stanowią reprezentację sygnału okresowego w dziedzinie częstotliwości. 

background image

 

- 9 - 

RODZAJE SYMETRII SYGNAŁÓW 

 

Znaczna liczba funkcji okresowych przedstawiających wielkości elek-

tryczne  spełnia  pewne  warunki  symetrii,  co  w  wyraźny  sposób  ułatwia 
rozwinięcie  tych  funkcji  w  szereg  Fouriera  przez  uproszczenie  wyrażeń 
(7.1),  (7.7)  i  (7.17).  Wyróżniamy  trzy  zasadnicze  rodzaje  symetrii  sygna-
łów okresowych. 
 

1)

 

SYMETRIA WZGL

Ę

DEM POCZ

Ą

TKU UKŁADU WSPÓŁRZ

Ę

DNYCH

 

Funkcję  nazywamy  symetryczną  względem  początku  układu  współ-

rzędnych lub  

funkcj

ą

 nieparzyst

ą

  jeśli spełnia ona zależność 

 

( )

( )

t

x

t

x

=

 

(7.21) 

x(t)

t

 

 

0

,

0

0

=

=

k

A

A

 

0

lub

=

=

k

k

Ψ

π

Ψ

 

 

( )

=

=

1

1

sin

k

k

t

k

B

t

x

ω

 

(7.22) 

 

2)

 

SYMETRIA WZGL

Ę

DEM OSI RZ

Ę

DNYCH

 

Funkcję nazywamy symetryczną względem osi rzędnych, lub  

funkcj

ą

 

parzyst

ą

  jeśli spełnia ona zależność 

 

( ) ( )

t

x

t

x

=

 

(7.23) 

x(t)

t

 

 

0

=

k

B

 

2

lub

2

π

Ψ

π

Ψ

=

=

k

k

 

 

( )

=

+

=

1

1

0

cos

k

k

t

k

A

A

t

x

ω

 

(7.24) 

 

background image

 

- 10 - 

3)

 

SYMETRIA WZGL

Ę

DEM OSI ODCI

Ę

TYCH

 

Funkcję nazywamy  

antysymetryczn

ą

  (symetryczną względem osi 

odciętych), jeśli rzędne funkcji okresowej powtarzają się co pół okresu ze 
zmienionym znakiem, tzn. 

 

( )

+

=

2

T

t

x

t

x

 

(7.25) 

x(t)

t

 

 

0

0

=

A

     i     

K

,

2

,

1

0

2

2

=

=

=

n

dla

B

A

n

n

 

występują tylko nieparzyste harmoniczne 

 
 
 
 

WIDMO MOCY SYGNAŁU 

 

Ważnym parametrem charakteryzującym sygnał jest jego moc średnia 

P, która w przypadku sygnału okresowego x(t) zdefiniowana jest za pomo-
cą wzoru: 

 

( )

dt

t

x

T

P

T

=

0

2

1

 

 

Moc sygnału okresowego x(t),  można również wyznaczyć w dziedzi-

nie  częstotliwości  obliczając  wartości  mocy  zawartej  w  każdej  składowej 
harmonicznej. W ten sposób tworzy się 

widmo mocy sygnału

Przykładowo  dla  n-tej  składowej  harmonicznej,  wartość  mocy  tej 

składowej jest równa 

 

(

)

2

sin

1

2

0

1

2

2

n

m

T

n

n

m

n

F

dt

t

n

F

T

P

=

+

=

Ψ

ω

 

(7.26) 

 

background image

 

- 11 - 

Wyrażając funkcję okresową x(t) za pomocą jej rozwinięcia w szereg 

trygonometryczny Fouriera otrzymujemy: 

 

(

)

=

=

+

=

+

+

=

1

2

2

0

1

2

2

2

0

2

2

k

mk

k

k

k

F

F

B

A

A

P

 

(7.27) 

Podobnie jak w przypadku widma amplitudowego jest to widmo jed-

nostronne (istnieje tylko dla 

ω≥

0) 

 

Wyznaczając  widmo  mocy  przebiegu  okresowego  x(t)  za  pomocą 

wykładniczego

 szeregu Fouriera, korzysta się z twierdzenia Parsevala: 

 

( ) ( )

−∞

=

=

k

k

k

C

C

t

x

t

x

*

2

1

1

2

1

1

ω

ω

 

(7.28) 

mówiącego:  wartość średnia za okres iloczynu dwóch funkcji okresowych 

o tym samym okresie jest równa sumie od -

 do +

 szeregu 

nieskończonego,  którego  wyrazami  są  iloczyny  współczynni-
ków  rozwini
ęcia  wykładniczego  jednej  z  tych  funkcji  przez 
współczynniki sprz
ężone rozwinięcia wykładniczego drugiej 

Czyli  wartość  średnia  kwadratu  funkcji  okresowej  zakładając 

( )

( ) ( )

t

x

t

x

t

x

=

=

1

2

1

1

ω

ω

  wynosi 

 

( )

−∞

=

−∞

=

=

=

k

k

k

k

k

C

C

C

t

x

2

*

2

 

(7.29) 

Zatem: 

−∞

=

=

k

k

C

P

2

 

(7.30) 

Wówczas

  widmem  mocy sygnału nazywamy wykres  zmienności kwadra-

tów modułów współczynników wykładniczego szeregu Fouriera. Podobnie 
jak  w  przypadku  widma  amplitudowego  jest  to  widmo  dwustronne-
symetryczne. 

UWAGA: 

2

0

2

0

C

F

=

,

4

2

2

mk

k

F

C

=

 

 

background image

 

- 12 - 

APROKSYMACJA SYGNAŁU 

 

W  zagadnieniach  praktycznych  często  zachodzi  konieczność  ograni-

czenia się do reprezentacji sygnału okresowego skończoną liczbą wyrazów 
szeregu Fouriera (do aproksymacji sygnału sumą częściową szeregu). 
 

Ograniczamy się do uwzględnienia w rozwinięciu N-harmonicznych. 

 

Dla zespolonego szeregu Fouriera taką aproksymację zapiszemy jako 

 

( )

+

=

=

N

k

N

k

t

jk

k

e

C

t

x

1

ω

 

(7.31) 

Jako  kryterium  dokładności  aproksymacji  sygnału  x(t)  sumą  częścio-

wą jego rozwinięcia przyjmuje się błąd względny 

 

%

100

=

X

N

N

sk

ε

δ

ε

 

(7.32) 

gdzie: 

X – wartość skuteczna sygnału x(t) :  

( )

( )

P

t

x

dt

t

x

T

X

T

=

=

=

2

0

2

1

 

N

sk

ε

- wartość skuteczna błędu :  

+

=

+

=

=

=

=

1

2

2

2

2

N

k

k

N

k

N

k

k

sk

C

C

X

N

ε

 

 

Jeśli  a  priori  założymy  pewną  wartość  błędu  aproksymacji,  to  przy 

znajomości , możemy ustalić ten rząd harmonicznej N, której uwzględnie-
nie w sumie częściowej zapewnia wymaganą dokładność. Mówimy wów-
czas, że sygnał x(t) zajmuje pasmo N

ω

1

 (N

f

1

). 

 

Sens fizyczny tak określonego pasma wiąże się z mocą średnią sygna-

łu  a  mianowicie,  jeśli  przyjęliśmy  kryterium  dokładności 

δε

N

  to  oznacza, 

ż

e  N  uwzględnionych  w  rozwinięciu  harmonicznych  niesie  (100  - 

δε

N

)% 

mocy jaką reprezentuje sobą sygnał x(t). 
 

background image

 

- 13 - 

 

PRZYKŁAD: 

Dany  jest  sygnał  u(t)  będący  ciągiem  impulsów  prosto-
kątnych o okresie T=1ms, czasie trwania t

i

=0,25ms oraz 

amplitudzie U

m

=10V. Wyznaczyć widmo amplitudowe i 

fazowe sygnału.

 

 

1)  Opisujemy  sygnał  u(t)  analitycznie  w  przedziale  czasu  odpowiada-

j

ą

cym okresowi: 

( )

<

<

<

<

=

2

2

0

2

2

i

i

i

i

m

t

T

t

t

dla

t

t

t

dla

U

t

u

 

 

2)  Wybieramy  posta

ć

  szeregu  Fouriera,  dla  której  b

ę

dziemy  rozwijali 

sygnał 

( )

(

)

=

+

+

=

1

1

1

0

sin

cos

k

k

k

t

k

B

t

k

A

A

t

u

ω

ω

 

 

3)  Sprawdzamy rodzaj symetrii sygnał u(t) 

Występuje symetria względem osi rzędnych (

( )

( )

t

f

t

f

=

). Ponieważ 

jest to funkcja parzysta znikają wyrazy z sinusami (

0

=

k

B

). 

Zatem: 

( )

=

+

=

1

1

0

cos

k

k

t

k

A

A

t

u

ω

 

 

4)  Obliczamy składow

ą

 stał

ą

   

( )

dt

t

u

T

A

U

T

t

t

+

=

=

0

0

1

0

0

 

[ ]

V

T

t

U

t

t

T

U

t

U

T

dt

U

T

U

i

m

i

i

m

t

t

m

t

t

m

i

i

i

i

5

,

2

4

1

10

2

2

1

1

1

2

2

2

2

0

=

=

=

+

=

=

=

 

background image

 

- 14 - 

5)  Obliczamy współczynniki   

( )

K

,

2

,

1

cos

2

1

0

0

=

=

+

k

dt

t

k

t

u

T

A

T

t

t

k

ω

 

(

)

2

2

1

1

1

2

2

sin

1

2

cos

2

i

i

i

i

t

t

m

t

t

m

k

t

k

k

T

U

dt

t

k

U

T

A

=

=

ω

ω

ω

 

T

t

k

t

k

k

T

U

A

i

i

m

k

π

ω

ω

ω

ω

2

2

sin

2

sin

1

2

1

1

1

1

=

=

 

=

=

4

sin

4

sin

4

sin

4

sin

π

π

π

π

π

k

k

k

k

k

U

m

 

=

=

+

=

4

sin

37

,

6

4

sin

2

4

sin

4

sin

π

π

π

π

π

π

k

k

k

k

U

k

k

k

U

m

m

 

 

6)  Obliczamy warto

ś

ci amplitud i faz pocz

ą

tkowych N-harmonicznych 

 

k

 

2

k

k

m

A

F

=

 

k

m

k

k

F

A

arcsin

=

Ψ

 

1. 

4,502 

4,502 

90

2. 

3,183 

3,183 

90

3. 

1,501 

1,501 

90

o

 

4. 

5. 

-0,9 

0,9 

-90

o

 

6. 

-1,061 

1,061 

-90

o

 

7. 

-0,643 

0,643 

-90

o

 

8. 

9. 

0,5 

0,5 

90

o

 

 

background image

 

- 15 - 

7)  Przedstawiamy widmo amplitudowe i fazowe sygnału 

 

F

mk

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

5

2,5

f [kHz]

 

 

Ψ

k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

90

o

-90

o

f [kHz]

 

 

11

2

u t

( )

1.875

0.125

0.125

0.875

t

5

10