series de fourier

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SINUSOIDALES Y SERIES DE FOURIER Señales y Sistemas

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SERIES DE FOURIER

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Page 1: SERIES DE FOURIER

SINUSOIDALES Y SERIES DE FOURIER

Señales y Sistemas

Page 2: SERIES DE FOURIER

Agenda

Importancia de Funciones Senoidales Señales Sinusoidales Exponenciales complejos y fasores Suma de Fasores Suma parcial de senoides Series de Fourier

Page 3: SERIES DE FOURIER

Importancia

Muchos fenómenos físicos generan señales de tipo sinusoidal.

Muchas señales pueden ser expresadas u aproximadas como combinaciones de señales sinusoidales

Page 4: SERIES DE FOURIER

Ejemplo

El sonido de un diapasón

))440(2cos( tA

(.wav)

Page 5: SERIES DE FOURIER

EJEMPLO

La voz humana no es una señal senoidal Se puede aproximar por segmentos a la suma

de sinusoidales

(.wav)

Page 6: SERIES DE FOURIER

Señales Sinusoidales

A Cos(t+)

Amplitud

Velocidad Angular

Fase

A Sin (t+)

=2f

FrecuenciaHz.

Page 7: SERIES DE FOURIER

Gráfica de ACos(2ft)

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tiempo

Am

plitu

d

Señal Senoidal

Page 8: SERIES DE FOURIER

Señales Sinusoidales

x(t) = A cos(0t+) = A cos (2f0t+)

El ángulo es una función del tiempo Notar que 0 = 2f0

f0 : Frecuencia expresada en Hz (1/s). Recordar que

x(t) = A sin(0t+) = A cos(0t+-/2)

Si f0 = 0, entonces x(t)=A valor DC

Page 9: SERIES DE FOURIER

Periodo de la Señal

Condición de periodicidad:x(t + T0) = x(t)

Para nuestro caso:A cos(20 (t+T0)+) = A cos(20t+)

Simplificando obtenemos:

El período se expresa en seg.

ooo f

TTT12

2

Page 10: SERIES DE FOURIER

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

t

Am

plitu

d

COSENO DESPLAZADO

x(t) = 20 cos(2(40)t – 0.4)

A= 20, 0 = 240 rad/seg., f0 = 40 Hz., = -0.4 rad.

0

1

fT

Page 11: SERIES DE FOURIER

Fase de la Señal Senoidal

La fase (), tiene que ver con el desplazamiento de la señal

El desplazamiento t1 se expresa como: x(t – t1)Si t1 es positivo, se desplaza a la derecha:

ATRASOSi t1 es negativo, se desplaza a la

izquierda: ADELANTO

= - 2 f0 t1

Page 12: SERIES DE FOURIER

Funciones Seno y Coseno

sin = y/r

cos = x/r

Esto implica:

y = r sin

x = r cos Los cuadrantes influyen

en el signo

r

x

y

Page 13: SERIES DE FOURIER

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

-2

-1

0

1

2

t

Am

plit

ud

COSENO

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

-2

-1

0

1

2

t

Am

plit

ud

SENO

Comparación de coseno vs. seno

sin = cos ( – /2)

2

Page 14: SERIES DE FOURIER

Propiedades de las señales senoidales

Periodicidad cos (+ 2k) = cos , k es un entero

Paridad de coseno cos(-) = cos

Imparidad de seno sin (-) = -sin

Ceros del seno sin (k) = 0, k es un entero

Unos del coseno cos (2k) =1, k es un entero

Menos unos del coseno cos[2 (k+1/2)] = -1, k es un entero

Page 15: SERIES DE FOURIER

Identidades Trigonométricas

sin2 + cos2 =1

cos 2 = cos2 – sin2

sin 2 = 2 sin cos

sin( ± ) = sin cos ± cos sin

cos( ± ) = cos cos -/+ sin sin

Page 16: SERIES DE FOURIER

Exponenciales Complejas y Fasores

A veces ayudan en la manipulación de señales sinusoidales

A continuación repasaremos los números complejos y sus representaciones:Representación CartesianaRepresentación Polar

Page 17: SERIES DE FOURIER

Representación Cartesiana

z = (x, y)x = Re{z} (parte real)

y = Im{z} (parte imaginaria)

z = x + jyEstas son “Formas

Cartesianas”

x Re{z}

y

Im{z}

Forma Cartesiana

z = (x,y) = x + jy

Page 18: SERIES DE FOURIER

Representación Polar

r: Magnitud de z

: Argumento de z

r = |z|= √(x2+y2) = arg z = arctan (y/x)Recordar que:

ej = cos + jsin

Por lo tanto: z = r ej

x=rcos y=rcos

x Re{z}

y

Im{z}

z = rej

Forma Polar

r

Page 19: SERIES DE FOURIER

Exponenciales Complejas

|x(t)|= A arg x(t) = w0t+ x(t) = A cos(w0t+) +

jAsin(w0t+) Re{x(t)} = A cos(w0t+) Im{x(t)} = Asin(w0t+

)( 0)( tjAetx

Page 20: SERIES DE FOURIER

Fasores

x(t) = Entonces x(t) = Ae j(t)

Donde (t) = w0t+ Es decir:|x(t)|= A ; arg x(t) = (t) Así, x(t) es un número complejo que

rota en el tiempo. w0: la velocidad de rotación

)( 0 tjAe

Page 21: SERIES DE FOURIER

Fasores

Donde C es un número complejo:

AMPLITUD COMPLEJA

|C|= A ; arg C = C es FASOR Como C está multiplicado por ejw0t entonces

C es un Fasor Rotacional

tjtjjtj eCeAeAetx 000 )()(

Page 22: SERIES DE FOURIER

Sumando Fasores

Es útil cuando queremos sumar sinusoidales.

Por ahora sumaremos sinusoidales con:Diferentes AmplitudesDiferentes FasesFrecuencias Idénticas

N

kkk tAtA

100 )cos()cos(

Page 23: SERIES DE FOURIER

x(t) = 2cos (2(10)t + 50/180) + 3cos(2(10)t+100/180)

Ejemplo

Page 24: SERIES DE FOURIER

Expresar Seno y Coseno con Fasores

)Im(2

)2( )2()2()2(

ftj

ftjftj

eAj

eeAftASin

)Re(2

)2( )2()2()2(

ftj

ftjftj

eAee

AftACos

Page 25: SERIES DE FOURIER

Espectro de una Señal

En la realidad:No todos los componentes de una señal

tienen la misma frecuencia

Espectro: representación gráfica de los componentes de frecuencia de una señal.

)2cos()(1

0 kk

N

kk tfAAtx

Page 26: SERIES DE FOURIER

Espectro de Línea de Señales Sinusoidales

Espectro de Ambos Lados

f1

A/2A/2

-f1f1

Espectro un solo Lado

ff

A

|C| |C|

Page 27: SERIES DE FOURIER

Espectro de Línea de Señales Sinusoidales

Espectro de Ambos Lados

f1

-

-f1 f1

Espectro un solo Lado

ff

Fase Fase

Page 28: SERIES DE FOURIER

Suma de Senoides

La suma de 2 senoides es periódica cuando la relación de sus frecuencias es un número racional. En otras palabras, la suma de 2 senoides es periódica y esta provista de frecuencias enteros múltiples de una frecuencia fundamental.

Para examinar la representación de señales periódicas por la suma de senoides cuyas frecuencias son harmónicas, o entero múltiple, de una frecuencia fundamental, consideraremos 2 series y dibujaremos sus sumas parciales

Page 29: SERIES DE FOURIER

Función Ejemplo

.......55

13

3

1)( tsentsentsentx ooo

Sumas Parciales

tsents o)(1

tsentsents oo 33

1)(2

tsentsentsents ooo 55

13

3

1)(3

0

)12(12

1)(

notnsen

ntx

Page 30: SERIES DE FOURIER

Ejemplo 1 y 2 Términos

Page 31: SERIES DE FOURIER

Ejemplo con 4 y 45 términos

Page 32: SERIES DE FOURIER

Código para generar la función

n_max=input(‘Ingrese el número la más alta harmónica deseada(impar)’);

N=length(n_max);t=0:0.002:1;omega_0=2*pi;for k=1:N n=[ ]; n=[1:2:n_max(k)]; b_n = 4./(pi*n); x=b_n*sin(omega_0*n'*t); subplot(N,1,k), plot(t,x),xlabel('t'),ylabel('suma parcial'), axis([0 1

-1.5 1.5]), text(0.05,-5,['max.har.=',num2str(nmax(k))])end

Page 33: SERIES DE FOURIER

Series de Fourier

Vemos en las gráficas que esta sumatoria tiende a parecerse a una onda cuadrada con una frecuencia fundamental igual a la frecuencia del primera suma parcial que corresponde al seno.

Cuando una nueva harmónica es añadida, el efecto de rizo se aproxima a una cresta plana de una onda cuadrada y posee una frecuencia igual a la más alta harmónica indicada en la serie.

La convergencia de las series en cualquier punto particular puede ser examinada por la sustitución apropiada del valor de ot.

Ejemplo ot = /2.

4.......

7

1

5

1

3

11)(

tx

Page 34: SERIES DE FOURIER

Series de Fourier

Se puede normalizar la serie para tener la amplitud igual a la unidad cuando ot = /2, por la multiplicación de 4/.

.......5

5

13

3

14)( tsentsentsentx ooosq

0

)12(12

14)(

nosq tnsen

ntx

Page 35: SERIES DE FOURIER

Función Ejemplo 2

.......55

14

4

13

3

12

2

1)( tsentsentsentsentsentx ooooo

Sumas Parciales

tsents o)(1

tsentsents oo 22

1)(2

tsentsentsents ooo 33

12

2

1)(3

1

1

)(1

)(n

o

n

tnsenn

tx

Page 36: SERIES DE FOURIER

Ejemplo con 1 y 2 harmónicasEjemplo con 1 y 2 harmónicas

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

t

Sum

a P

arcia

l

Max.Har=1

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

t

Sum

a P

arcia

l

Max.Har=2

Page 37: SERIES DE FOURIER

Ejemplo con 20 harmónicasEjemplo con 20 harmónicas

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

t

Sum

a P

arc

ial

Max.Har=20

Page 38: SERIES DE FOURIER

¿Dada una forma de onda periódica, podemos encontrar su representación en series trigonométricas?

Si, mediante Series de Fourier trigonométricas.Si, mediante Series de Fourier trigonométricas.

PREGUNTA

Page 39: SERIES DE FOURIER

Series de Fourier Trigonométricas

.......22)( 22110 tSenbtCosatsenbtCosaatx oooo

11

0)(n

onn

on ntsenbtCosnaatx

00

)(n

onn

on ntsenbtCosnatx

Lo cual puede ser escrito de una forma mas compacta, Lo cual puede ser escrito de una forma mas compacta, en donde en donde oo es es 22ffoo, siendo , siendo ffoo la frecuencia fundamental la frecuencia fundamental

de la señal x(t):de la señal x(t):

Page 40: SERIES DE FOURIER

Coeficientes de Fourier an y bn

Para encontrar los coeficientes an’s y bn’s de cualquier señal periódica empezaremos con ao.

Siendo To, el periodo de la señal x(t), es decir, el inverso de la frecuencia fundamental fo.

oTo

dttxT

a )(1

0

oo oo TT TT

tdtCosatdtCosadtadttx ....2)( 02010

oo TT

tdtSenbtdtSenb ....2 0201

Page 41: SERIES DE FOURIER

Usando la forma de la serie original, se puede derivar una expresión valida para cualquier an’s. La derivación procede para cualquier an excepto para a0.

o ooT T n

n

T

mtdtCosntCosamtdtCosamtdtCostx 01

0000 .)(

oT n

n mtdtCosntSenb 01

0

1

001

000 ..)(n T

n

T n T

n

oo o

mtdtCosntSenbmtdtCosntCosamtdtCostx

Coeficientes de Fourier am

Page 42: SERIES DE FOURIER

nmT

nmtdttCosnCosm

To

oo

2

0

0

0To

oo tdttCosnSenm

00

2

T

oT

m mtdtCostxT

a 00

)(2

Coeficientes de Fourier am

Page 43: SERIES DE FOURIER

Para obtener los valores de bn se hace un procedimiento similar solo que esta vez se multiplica la señal original por Sen y se integra en un periodo, dando como resultado.

oT

m mtdtSentxT

b 00

)(2

Coeficientes de Fourier bm

Page 44: SERIES DE FOURIER

Condiciones Requeridas para asegurar la convergencia

Si x(t) tiene un período igual a To y tiene una primera y segunda derivada continuas para todo t, excepto en un número finito de puntos donde puede tener saltos discontinuos, la Serie de Fourier converge a x(t) para cada punto de t excepto en los puntos de discontinuidad.

Page 45: SERIES DE FOURIER

Se debe notar que las fórmulas de los coeficientes usan solo los valores de x(t) en un intervalo de T0 seg.

Asi, si x(t) esta dada solo para algún intervalo de T0, las Series de Fourier puede ser formada y converge uniformemente a x(t) dentro del intervalo en todos los puntos de continuidad. Fuera del intervalo, la serie de Fourier converge a la extensión periódica de la señal x(t).

To

Extensión Periódica x(t)

Condiciones Requeridas para asegurar la convergencia

Page 46: SERIES DE FOURIER

Series Exponenciales Complejas de Fourier Si partimos de la sumatoria de funciones

trigonométricas de Fourier y remplazando el seno y el coseno por la suma de fasores complejos conjugados, se tiene:

00

00

00

22

22

)(

n

tjnnn

n

tjnnn

n

tjntjn

nn

tjntjn

n

non

non

oo

oooo

ejba

ejba

eebj

eea

ntsenbtCosnatx

Page 47: SERIES DE FOURIER

Series Exponenciales Complejas de Fourier

110 22

)(n

tjnnn

n

tjnnn oo ejba

ejba

atx

Si hacemos el cambio de variable k=-n.

n

tjnn

k

tjkkk

n

tjnnn

o

oo

eC

ejba

ejba

atx

22)(

1

10

Cn C-k=Cn*

Page 48: SERIES DE FOURIER

Series Exponenciales Complejas de Fourier

Usando la forma de la serie original, se puede derivar una expresión valida para cualquier Cn’s. La derivación procede para cualquier Cn, al multiplicar x(t) por una exp(-jmot) e integrar en un periodo.

n T

tmnjn

T

tjm dteCdtetx oo )()(

mn

mn 0)(

Tdte

T

tmnj o T

tjmm dtetx

TC o)(

1

Page 49: SERIES DE FOURIER

Propiedades de Simetría de los Coeficientes de la Series de Fourier

La expresión de los coeficientes de la serie exponencial compleja de Fourier, a través del uso del teorema de Euler puede ser escrita como:

Si x(t) es real, el primer término de Cn es la parte real y el segundo término es la parte imaginaria de Cn. Comparando contra las ecuaciones anteriores de la Serie Trigonométrica de Fourier

oo T

ooT

oo

n dttnSentxT

jdttnCostx

TC )()()()(

1

0n )(2

1

0n )(2

1

nn

nn

n

jba

jbaC

0n para )Im(2

)Re(2

nn

nn

Cb

Ca

Page 50: SERIES DE FOURIER

Propiedades de Simetría de los Coeficientes

Si remplazamos n por –n, se puede observar que

Cn = C*-n

para señales x(t) reales. Si escribimos Cn en notación fasorial

donde

n-n -y nn CC

njnn eCC

Page 51: SERIES DE FOURIER

Propiedades de Simetría

Si consideramos una señal real par, sabemos que

x(t)= x(-t)

Esto hace que la parte imaginaria sea cero, ya que x(t) sen ot es una función impar y su integral nos da cero sobre el intervalo alrededor de t =0. Por lo tanto los coeficientes Cn son reales y par con respecto a n.

Page 52: SERIES DE FOURIER

Propiedades de Simetría

Si consideramos una señal real impar, sabemos que

x(t)= -x(-t)

Esto hace que la parte real sea cero, ya que x(t) cos ot es una función impar y su integral nos da cero sobre el intervalo alrededor de t =0. Por lo tanto los coeficientes Cn son imaginarios.

Page 53: SERIES DE FOURIER

Propiedades de Simetría

Otro tipo de simetría es la mitad de onda impar definida como

Donde To es el período de la señal x(t). Para estas señales los

Cn= 0, n= 0, ±2, ±4, ±6

)(2

txTo

tx

Page 54: SERIES DE FOURIER

TEOREMA DE PARSEVAL

La potencia promedio para una señal periódica es

Se puede expresar x*(t) como su Serie Exponencial de Fourier

oo ToTo

dttxtxT

dttxT

P )()(1

)(1 *2

nn

n

tjn

Ton

T n

tjnn

o

CdtetxT

CdteCtxT

Poo

2** 00 )(1

)(1

n

n

To

CdttxT

Po

22)(

1

Page 55: SERIES DE FOURIER

Espectro de Línea de 2 lados

La serie compleja de Fourier de una señal consiste de una sumatoria de fasores rotantes.

Vimos anteriormente como la suma de fasores rotantes pueden ser caracterizados en el dominio de la frecuencia mediante 2 gráficos: Amplitud Fase

De igual manera se puede obtener 2 gráficos para una señal periódica: Espectro de Amplitud Espectro de Fase

Cuando el espectro es analizado para frecuencias positivas y negativas se llama ESPECTRO DE DOS LADOS.

Page 56: SERIES DE FOURIER

Espectro de línea de 2 Lados

ff0 2f0 3f0-f0-2f0-3f0

Fase de los Coeficientes

ff0 2f0 3f0-f0-2f0-3f0

|C0|

|C1|

|C2|

|C3|

|C-1|

|C-2||C-3|

Amplitud de los Coeficientes

Page 57: SERIES DE FOURIER

Espectro de Línea de un lado

Tomando la serie de Fourier y representadola en su forma polar a los coeficientes Cn.

1

1

)(n

tnjno

n

tnjn

n

tjnn

nonoo eccecectx

11

)()(

)(22

2)(n

nonon

tnjtnj

no tnCosccee

cctxnono

)(

1

)()( nono tnjn

n

tnjno ececctx

Page 58: SERIES DE FOURIER

Espectro de línea de un Lado

ff0 2f0 3f0

|C0|2|C1|

2|C2|

2|C3|

Amplitud de los Coeficientes

ff0 2f0 3f0

Fase de los Coeficientes

Page 59: SERIES DE FOURIER

Convergencia del Espectro de Fourier

Consideremos una señal periódica x(t) que tiene su k-ésima derivada, la cual es continua en partes. Su derivada k+1-ésima contiene impulso donde la derivada k-ésima es discontinua.

Ahora si diferenciamos las Series Exponenciales de Fourier k+1 veces, obtenemos que:

Por lo tanto los coeficientes de Fourier de la derivada (k+1)-ésima son los coeficientes de Fourier multiplicados por (jno)k+1

tjnn

k

nok

koeCjn

dt

txd 1

1

1 )(

Page 60: SERIES DE FOURIER

Convergencia del Espectro de Fourier

Consideremos ahora el calculo de los coeficientes de la señal k+1-esima derivada.

Cuando la derivada de esta expresión es un impulso se puede evaluar directamente por la propiedad de desplazamiento de la función impulso unitario.

Estos términos dan constantes para los coeficientes, lo que significa que tendremos términos proporcionales a (jno)-(k+1), puesto que dividimos la expresión para los coeficientes de Fourier para la (k+1)-ésima derivada de x(t), los cuales tienen componentes constantes, por (jno)(k+1) para obtener Cn.

Así concluimos que, la señal periódica x(t) con derivada k-ésima, la cual es continua en partes, tiene coeficientes de Fourier que decrementa con la frecuencia como (no)-(k+1)

o

o

T

tjnk

k

on dte

dt

txd

TC

1

1 )(1