Hoofdstuk 6 Fourier Analyse
Hoofdstuk 6 Fourier Analyse
Hoofdstuk 6 Fourier Analyse
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Hoofdstuk</strong> 6<br />
<strong>Fourier</strong> <strong>Analyse</strong><br />
6.1 <strong>Fourier</strong> reeksen<br />
6.1.1 Periodiek signaal voorstelling door trigoniometrische <strong>Fourier</strong><br />
reeksen<br />
Zoals gezien in sectie 1.1, een periodiek signaal x (t) met periode T 0 (Figuur 6.1) heeft de<br />
eigenschap<br />
x (t) = x (t + T 0 ) , ∀t. (6.1)<br />
Figuur 6.1: Een periodisch signaal met periode T 0<br />
De kleinste waarde van T 0 die voldoet aan (6.1) wordt de fundamentele periode genoemd.<br />
De vergelijking (6.1) houdt in dat x (t) begint in −∞ en verder gaat naar ∞. De oppervlakte<br />
onder het periodiek signaal x (t) tussen elk interval T 0 is hetzelfde; dat is voor<br />
a, b ∈ R<br />
∫ a+T0<br />
a<br />
x (t) dt =<br />
∫ b+T0<br />
b<br />
x (t) dt. (6.2)<br />
Beschouw het signaal dat samengesteld is door sinussen en cosinussen met radiaalfrequentie<br />
ω 0 en al zijn harmonischen met willekeurige amplituden:<br />
x (t) = a 0 +<br />
∞∑<br />
a n cos (nω 0 t) + b n sin (nω 0 t) (6.3)<br />
n=1<br />
waarbij ω 0 = 2π<br />
T 0<br />
= 2πf 0 met f 0 = 1 T 0<br />
de frequentie. We bewijzen nu een belangrijke<br />
eigenschap: x (t) in (6.3) is een periodiek signaal met periode T 0 en a n , b n ∈ R<br />
153
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 154<br />
Bewijs.<br />
x (t + T 0 ) = a 0 +<br />
= a 0 +<br />
Met nω 0 T 0 = 2πn<br />
∞∑<br />
a n cos nω 0 (t + T 0 ) + b n sin nω 0 (t + T 0 )<br />
n=1<br />
∞∑<br />
a n cos (nω 0 t + nω 0 T 0 ) + b n sin (nω 0 t + nω 0 T 0 )<br />
n=1<br />
x (t + T 0 ) = a 0 +<br />
= a 0 +<br />
= x (t)<br />
∞∑<br />
a n cos (nω 0 t + 2πn) + b n sin (nω 0 t + 2πn)<br />
n=1<br />
∞∑<br />
a n cos (nω 0 t) + b n sin (nω 0 t)<br />
n=1<br />
Bepalen van de coëfficienten<br />
Om de coëfficienten van de <strong>Fourier</strong> reeks te bepalen, beschouwt men een integraal I<br />
gedefinieerd als<br />
∫<br />
I = cos (nω 0 t) cos (mω 0 t) dt. (6.4)<br />
T 0<br />
Met cos x cos y = 1 (cos (x − y) + cos (x + y)) kan (6.4) uitgedrukt worden als<br />
2<br />
I = 1 (∫<br />
∫<br />
)<br />
cos (n + m) ω 0 tdt + cos (n − m) ω 0 tdt<br />
2 T 0 T 0<br />
(6.5)<br />
De eerste integraal in (6.5), welke de oppervlakte onder (n + m) complete cyclussen van<br />
een sinusoïde voorstelt, is gelijk aan nul. Het zelfde argument geeft aan dat de tweede<br />
integraal in (6.5) gelijk aan nul is, uitgezonderd als n = m. Dus<br />
∫<br />
{ 0 n ≠ m<br />
cos (nω 0 t) cos (mω 0 t) dt = T 0<br />
T 0 2<br />
n = m ≠ 0<br />
(6.6)<br />
∫<br />
{ 0 n ≠ m<br />
sin (nω 0 t) sin (mω 0 t) dt = T 0<br />
T 0 2<br />
n = m ≠ 0<br />
(6.7)<br />
en<br />
∫<br />
sin (nω 0 t) cos (mω 0 t) dt = 0,<br />
T 0<br />
∀n, m (6.8)<br />
Om a 0 te bepalen in (6.3) worden beide leden van (6.3) geïntegreerd over een periode T 0 :<br />
∫<br />
∞∑<br />
∫<br />
)<br />
x (t) dt = a 0 dt +<br />
(a n cos (nω 0 t) dt + b n sin (nω 0 t) dt<br />
∫T 0 T 0<br />
∫T 0 T 0<br />
= a 0<br />
∫T 0<br />
dt<br />
n=1<br />
= a 0 T 0 (6.9)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 155<br />
Uit (6.9)<br />
a 0 = 1 T 0<br />
∫T 0<br />
x (t) dt. (6.10)<br />
We vermenigvuldigen nu beide leden van (6.3) met cos (mω 0 t) en integreren de resulterende<br />
vergelijking over een periode T 0 :<br />
∫<br />
∞∑<br />
∫<br />
)<br />
cos (mω 0 t) x (t) dt = a 0 cos (mω 0 t) dt +<br />
(a n cos (nω 0 t) cos (mω 0 t) dt<br />
∫T 0 T 0 n=1 T 0<br />
∞∑<br />
∫<br />
)<br />
+<br />
(b n sin (nω 0 t) cos (mω 0 t) dt<br />
(6.11)<br />
T 0<br />
n=1<br />
Steunend op (6.6), (6.7) en (6.8) vergelijking (6.11) wordt<br />
∫<br />
cos (mω 0 t) x (t) dt = a mT 0<br />
T 0<br />
2<br />
(6.12)<br />
Uit (6.12)<br />
a m = 2 T 0<br />
∫T 0<br />
cos (mω 0 t) x (t) dt (6.13)<br />
Op analoge manier, beide leden van (6.3) met sin (mω 0 t) vermenigvuldigen en de resulterende<br />
vergelijking te integreren over een periode T 0 , krijgen we<br />
b m = 2 T 0<br />
∫T 0<br />
sin (mω 0 t) x (t) dt (6.14)<br />
Compacte (Harmonische) vorm van de <strong>Fourier</strong> reeks<br />
Steunend op de trigoniometrische identiteit<br />
C cos (ω 0 t + θ) = C cos (θ) cos (ω 0 t) − C sin (θ) sin (ω 0 t)<br />
= a cos (ω 0 t) + b sin (ω 0 t) (6.15)<br />
waarbij C = √ a 2 + b 2 en θ = tan ( ) −1 −b<br />
a , de trigoniometrische <strong>Fourier</strong> reeks kan uitgedrukt<br />
worden in de harmonische vorm<br />
∞∑<br />
x (t) = C 0 + C n cos (nω 0 t + θ n ) . (6.16)<br />
n=1<br />
De coëfficienten C n en θ n zijn als volgt gerelateerd aan de coëfficienten a n en b n :<br />
C 0 = a 0 , C n = √ ( )<br />
a 2 n + b 2 n, θ n = tan −1 −bn<br />
a n<br />
(6.17)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 156<br />
Voorbeeld 6.1 Bepaal de harmonische <strong>Fourier</strong> reeks voor een periodiek signaal x (t)<br />
weergegeven in Figuur 6.2. Teken de amplitude- en fase spectrum.<br />
Figuur 6.2: (a) Een periodisch signaal en (b,c) zijn <strong>Fourier</strong> spectra<br />
Oplossing<br />
In dit geval is de periode T 0 = π en de frequentie f 0 = 1 T 0<br />
Daarom kan x (t) geschreven worden als<br />
= 1 π [Hz] en ω 0 = 2π<br />
T 0<br />
= 2 [rad/s] .<br />
waarbij<br />
en<br />
a n = 2 π<br />
b n = 2 π<br />
x (t) = a 0 +<br />
∫ π<br />
0<br />
∫ π<br />
0<br />
a 0 = 1 π<br />
∞∑<br />
a n cos (2nt) + b n sin (2nt)<br />
n=1<br />
∫ π<br />
0<br />
e (− t 2) dt = 0.504<br />
( )<br />
e ( − 2) t 2<br />
cos (2nt) dt = 0.504<br />
1 + 16n 2<br />
( )<br />
e (− 2) t 8n<br />
sin (2nt) dt = 0.504<br />
1 + 16n 2<br />
Het periodiek signaal x (t) kan dan geschreven worden als<br />
(<br />
∞∑<br />
( )<br />
)<br />
2<br />
x (t) = 0.504 1 +<br />
(cos (2nt) + 4n sin (2nt))<br />
1 + 16n 2<br />
n=1
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 157<br />
n C n θ n<br />
0 0.504 0<br />
1 0.244 −75, 96<br />
2 0.125 −82, 87<br />
3 0.084 −85, 24<br />
4 0.063 −86, 42<br />
5 0.0504 −87, 14<br />
6 0.042 −87, 61<br />
7 0.036 −87, 95<br />
Tabel 6.1: Amplitude en fasen van de DC en de eerste 7 harmonischen<br />
Uit (6.17)<br />
C 0 = a 0 = 0.504,<br />
en<br />
C n = √ √<br />
( )<br />
4<br />
a 2 n + b 2 n = 0.504<br />
(1 + 16n 2 ) 2 + 64n 2<br />
(1 + 16n 2 ) 2 = 0.504 2<br />
√<br />
1 + 16n<br />
2<br />
θ n = tan −1 ( −bn<br />
a n<br />
)<br />
= tan −1 (4n) = − tan −1 (4n) .<br />
Het periodiek signaal x (t) kan dan geschreven worden in de harmonische vorm<br />
x (t) = 0.504 + 0.504<br />
∞∑<br />
( )<br />
2<br />
√ cos ( 2nt − tan −1 (4n) )<br />
1 + 16n<br />
2<br />
n=1<br />
Amplitude en fase van de dc component en de zeven harmonische zijn weergegeven in<br />
tabel (6.1)<br />
Voorbeeld 6.2 Een periodiek signaal x (t) wordt gegeven door een trigoniometrische<br />
<strong>Fourier</strong> reeks<br />
x (t) = 2 + 3 cos (2t) + 4 sin (2t) + 2 sin (3t + 30 ◦ ) − cos (7t + 150 ◦ ) .<br />
Druk dit signaal uit in de harmonische vorm en teken amplitude- en fase spectrum<br />
Oplossing<br />
In de harmonische <strong>Fourier</strong> reeks, worden de sinus en cosinus termen met dezelfde frequentie<br />
gecombineerd in een enkelvoudige term. Alle termen worden uitgedrukt als consinus<br />
termen met positieve amplituden. Uit (6.16) en (6.17)<br />
3 cos (2t) + 4 sin (2t) = 5 cos (2t − 53, 13 ◦ ) ,<br />
sin (3t + 30 ◦ ) = cos (3t + 30 ◦ − 90 ◦ ) = cos (3t − 60 ◦ )
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 158<br />
en<br />
− cos (7t + 150 ◦ ) = cos (7t + 150 ◦ − 180 ◦ ) = cos (7t − 30 ◦ ) .<br />
Het signaal wordt uitgedrukt als<br />
x (t) = 2 + 5 cos (2t − 53, 13 ◦ ) + 2 cos (3t − 60 ◦ ) + cos (7t − 30 ◦ ) .<br />
Het amplitude- en fase spectrum wordt afgebeeld in Figuur 6.3.<br />
Figuur 6.3: <strong>Fourier</strong> spectra van het signaal x(t)<br />
6.1.2 Periodiek signaal voorstelling door complex exponentiële<br />
<strong>Fourier</strong> reeksen<br />
De complex exponentieel <strong>Fourier</strong> reeks voorstelling van een periodiek signaal x (t) met<br />
fundamentele periode T 0 wordt gegeven door<br />
∞∑<br />
x (t) = D n e jnω 0t<br />
(6.18)<br />
n=−∞<br />
waarbij D n de complex <strong>Fourier</strong> coëfficienten zijn. Deze coëfficienten worden bepaald<br />
door beide leden van (6.18) te vermenigvuldigen met e −jmω0t , m ∈ Z en de resulterende<br />
vergelijking te integreren over een periode T 0 . Dit geeft<br />
∫<br />
∞∑<br />
x (t) e −jmω0t dt = D n e<br />
T 0<br />
∫T j(n−m)ω0t dt (6.19)<br />
0<br />
n=−∞<br />
Steunend op de orthogonaliteit van exponentiëlen en gebruikmaken van (6.19), krijgen we<br />
D m = 1 T 0<br />
∫T 0<br />
x (t) e −jmω 0t dt. (6.20)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 159<br />
Figuur 6.4: <strong>Fourier</strong> reeksvoorstelling van een periodiek signaal met periode T 0 (ω 0 =<br />
2π/T 0 )<br />
Tabel 6.4 geeft de relatie van D n met a n , b n en C n .<br />
Voorbeeld 6.3 Bepaal de exponentiele <strong>Fourier</strong> reeks voor het signaal voorgesteld in<br />
Figuur 6.1 (a). In dit geval is de periode T 0 = π en de frequentie f 0 = 1 T 0<br />
= 1 [Hz] π<br />
en ω 0 = 2π<br />
T 0<br />
= 2 [rad/s] . Daarom kan x (t) geschreven worden als<br />
waarbij<br />
D n = 1 π<br />
x (t) =<br />
∫ π<br />
0<br />
∞∑<br />
n=−∞<br />
D n e j2nt<br />
e ( − t 2) e −j2nt dt<br />
∣<br />
−1<br />
∣∣∣∣<br />
π<br />
=<br />
π ( 1 1<br />
+ j2n)e−( 2 +j2n)t<br />
2 0<br />
= 0.504<br />
1 + j4n<br />
Het periodiek signaal x (t) kan dan geschreven worden als<br />
∞∑ 1<br />
x (t) = 0.504<br />
1 + j4n ej2nt<br />
n=−∞<br />
(<br />
= 0.504 1 + 1<br />
1 + j4 ej2t + 1<br />
1 + j8 ej4t + ... + 1<br />
1 − j4 e−j2t + 1<br />
)<br />
1 − j8 e−j4t + ...<br />
Merk op dat de coëfficienten D n ∈ C waarbij D n en D −n complex toegevoegden zijn.<br />
Figuur 6.5 geeft de amplitude en fase spectra.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 160<br />
Figuur 6.5: Exponentiële <strong>Fourier</strong> spectra voor het signaal x(t) in Figuur 6.1 (a)<br />
6.1.3 Convergentie van de <strong>Fourier</strong> reeks<br />
Dirichlet condities<br />
Als x (t) voldoet aan bepaalde condities (Dirichlet condities) zal de <strong>Fourier</strong> reeks puntsgewijs<br />
convergeren in alle punten waar x (t) continu is. De condities zijn:<br />
1. De functie x (t) moet absoluut integreerbaar zijn; dat is<br />
∫<br />
T 0<br />
|x (t)| dt < ∞. (6.21)<br />
2. De functie x (t) heeft een eindig aantal discontinuïteiten in een eindige periode en<br />
elke discontinuïteit is eindig.<br />
3. De functie x (t) heeft een eindig aantal maxima en minima in een eindige periode.<br />
Alle praktische signalen voldoen aan deze condities.<br />
<strong>Fourier</strong> synthesis van discontinue functies: het Gibbs fenomeen<br />
Beschouw de rechthoekige pulstrein voorgesteld in Figuur 6.6. Het signaal is periodiek<br />
met fundamentele periode T 0 = 2 en met fundamentele radiale frequentie ω 0 = 2π 2 = π.<br />
Het signaal voldoet aan de Dirichlet condities en zijn trigoniometrische <strong>Fourier</strong> reeks<br />
representatie wordt gegeven door<br />
x (t) = 1 2 +<br />
∞<br />
∑<br />
n=−∞<br />
n oneven<br />
2<br />
( (<br />
) π<br />
)<br />
nπ cos nπt + (−1) (n−1)/2 − 1 , − ∞ < t < ∞. (6.22)<br />
2
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 161<br />
Figuur 6.6: Periodiek signaal met fundamentele periode T = 2<br />
Gegeven k = (n + 1) ∈ N, stel x k (t) gelijk aan de eindige som<br />
x k (t) = 1 2 +<br />
k∑<br />
n=1<br />
n oneven<br />
2<br />
( (<br />
) π<br />
)<br />
nπ cos nπt + (−1) (n−1)/2 − 1 , − ∞ < t < ∞. (6.23)<br />
2<br />
Bij <strong>Fourier</strong>’s theorema, x k (t) zal convergeren naar x (t) als k → ∞. Met andere woorden<br />
|x k (t) − x (t)| gaat naar nul voor alle t als k groot wordt. Om dit aan te tonen wordt<br />
x k (t) afgebeeld voor verschillende waarden van k.<br />
Met k = 3, x k (t) wordt<br />
x 3 (t) = 1 2 + 2 π<br />
2<br />
cos (πt) + cos (3πt − π) , − ∞ < t < ∞.<br />
3π<br />
Dit resulterend in de grafiek voorgesteld in Figuur 6.7(a). Het resultaat in Figuur 6.7(b)<br />
wordt bekomen door k = 10 te stellen. Vergelijken van Figuur 6.7(a) en Figuur 6.7(b)<br />
geeft aan dat x 10 (t) een betere benadering is van x (t). Stel k = 50, uitgezonderd voor<br />
de overshoot in de hoeken van de puls, de golfvorm in Figuur 6.7(c) is reeds een goede<br />
benadering van x (t) . Merk op in de grafiek, dat de magnitude van de overshoot ongeveer<br />
gelijk is aan 9%. Met k = 100 blijft de overshoot van 9% in de hoeken bestaan. Het<br />
resultaat wordt afgebeeld in Figuur 6.7(d). De overshoot in de hoekpunten van 9% blijft<br />
bestaan zelf als k → ∞. Deze karateristiek was eerst ontdekt door Josiah Willard Gibbs<br />
en de overshoot wordt het Gibbs fenomeen genoemd. Het Gibbs fenomeen is enkel aanwezig<br />
wanneer er een sprong discontinuïteit optreedt in x (t). Als een continu signaal x (t)<br />
wordt benadert door de eerste k termen van de <strong>Fourier</strong> reeks benadert x k (t) de functie<br />
x (t) voor alle t als k → ∞, maar er treedt geen Gibbs fenomeen op. Dit wordt voorgesteld<br />
in Figuur 6.7.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 162<br />
1.2<br />
1<br />
0.8<br />
(a)<br />
(b)<br />
1.2<br />
n=3 1<br />
n=10<br />
0.8<br />
x(t)<br />
0.6<br />
0.4<br />
x(t)<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.2<br />
0<br />
0<br />
−0.2<br />
−4 −2 0 2 4<br />
−0.2<br />
−4 −2 0 2 4<br />
1.2<br />
1<br />
0.8<br />
(c)<br />
(d)<br />
1.2<br />
n=50<br />
1<br />
n=100<br />
0.8<br />
x(t)<br />
0.6<br />
0.4<br />
x(t)<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.2<br />
0<br />
0<br />
−0.2<br />
−4 −2 0 2 4<br />
t (sec)<br />
−0.2<br />
−4 −2 0 2 4<br />
t (sec)<br />
Figuur 6.7: Benadering van het signaal uit Figuur 6.6
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 163<br />
6.2 <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
6.2.1 Aperiodiek signaal voorstelling met de <strong>Fourier</strong> integraal<br />
Gegeven een aperiodiek signaal x (t) met eindige duur, dat is<br />
x (t) = 0, |t| > T 1 (6.24)<br />
Een voorbeeld van zo een signaal is afgebeeld in (Figuur 6.8).<br />
Figuur 6.8: (a) Niet-periodiek signaal x(t), (b) Periodiek signaal samengesteld door periodieke<br />
herhaling van x(t)<br />
Stel dat x T0 (t) een periodiek signaal is geconstrueerd door x (t) te herhalen met fundamentele<br />
periode T 0 (Figuur 6.8 (b)). Laat T 0 → ∞, en we hebben<br />
lim<br />
T 0 →∞ x T 0<br />
(t) = x (t) (6.25)<br />
De complex exponentiele <strong>Fourier</strong> reeks van x T0 (t) wordt gegeven bij<br />
waarbij<br />
x T0 (t) =<br />
∞∑<br />
n=−∞<br />
D n = 1 T 0<br />
∫ T 0<br />
2<br />
D n e jnω 0t ,<br />
ω 0 = 2π<br />
T 0<br />
(6.26)<br />
− T 0<br />
2<br />
x T0 (t) e −jnω0t dt. (6.27)<br />
Omdat x T0 (t) = x (t) voor |t| < T 0<br />
2<br />
en x (t) = 0 buiten het interval, (6.27) kan geschreven<br />
worden als<br />
D n = 1 T 0<br />
∫ T 0<br />
2<br />
x T0 (t) e −jnω0t dt<br />
− T 0<br />
2<br />
= 1 ∫ ∞<br />
x (t) e −jnω0t dt. (6.28)<br />
T 0<br />
−∞
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 164<br />
Definieer X (ω) als<br />
X (ω) =<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
x (t) e −jωt dt. (6.29)<br />
Uit (6.28) en (6.29) de complex <strong>Fourier</strong> coefficient D n kan uitgedrukt worden als<br />
Substitueren van (6.30) in (6.26) geeft<br />
D n = 1 T 0<br />
X (nω 0 ) (6.30)<br />
∞∑ 1<br />
x T0 (t) = X (nω 0 ) e jnω 0t<br />
T<br />
n=−∞ 0<br />
= 1 ∞∑<br />
X (nω 0 ) e jnω0t ω 0 (6.31)<br />
2π<br />
n=−∞<br />
Als T 0 → ∞, ω 0 = 2π<br />
T 0<br />
wordt infinidecimaal (ω 0 → 0) en ω 0 = ∆ω. Vergelijking (6.31)<br />
wordt dan<br />
x T0 (t)| T0 →∞ → 1 ∞∑<br />
X (n∆ω) e jn∆ωt ∆ω. (6.32)<br />
2π<br />
n=−∞<br />
Met lim T0 →∞ x T0 (t) = x (t) , het aperiodiek signaal x (t) met eindige duur kan geschreven<br />
worden als<br />
1<br />
∞∑<br />
x (t) = lim X (n∆ω) e jn∆ωt ∆ω. (6.33)<br />
∆ω→0 2π<br />
n=−∞<br />
De eindeloze som aan de rechterkant van (6.33) kan gezien worden als de oppervlakte<br />
onder de functie X (ω) e jωt , zoals voorgesteld in Figuur 6.9.<br />
Vergelijking (6.33) wordt dan<br />
Figuur 6.9: Grafische interpretatie van vergelijking (6.33)<br />
x (t) = 1<br />
2π<br />
= 1<br />
2π<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
X (w) e jωt dω<br />
(∫ ∞<br />
x (t) e −jωt dt<br />
−∞<br />
welke de <strong>Fourier</strong> voorstelling is van een aperiodiek signaal x (t) .<br />
)<br />
e jωt dω, (6.34)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 165<br />
Convergentie van de <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
Zoals met de <strong>Fourier</strong> reeks, als x (t) voldoet aan de Dirichlet condities, zal de <strong>Fourier</strong><br />
transformatie puntsgewijs convergeren in alle punten waar x (t) continu is. De condities<br />
zijn:<br />
1. De functie x (t) moet absoluut integreerbaar zijn; dat is<br />
∫<br />
T 0<br />
|x (t)| dt < ∞. (6.35)<br />
2. De functie x (t) heeft een eindig aantal discontinuïteiten in een eindige periode en<br />
elke discontinuïteit is eindig.<br />
3. De functie x (t) heeft een eindig aantal maxima en minima in een eindige periode.<br />
We merken hier op dat de Dirichlet condities een voldoende voorwaarde zijn voor het<br />
bestaan en het puntsgewijs convergeren van de <strong>Fourier</strong> transformatie, de condities zijn niet<br />
noodzakelijk. Bijvoorbeeld, e at u (t), welke niet voldoet aan Dirichlet eerste conditie, heeft<br />
geen <strong>Fourier</strong> transformatie. Terwijl het signaal sin(at) , welke niet voldoet aan Dirichlet<br />
t<br />
condities, een <strong>Fourier</strong> transformatie heeft.<br />
Fysische interpretatie van de <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
Een <strong>Fourier</strong> spectrum, van een periodiek signaal, heeft eindige amplituden en bestaat<br />
in discrete frequenties (ω 0 , 2ω 0 , ...nω 0 , ...) . Dit spectrum is gemakkelijk te visualizeren,<br />
maar het spectrum van een aperiodiek signaal heeft een continu spectrum en is niet zo<br />
gemakkelijk te visualiseren. Een voorbeeldje verduidelijkt het concept ”continu spectrum”.<br />
Beschouw een balk belast met gewichten G 1 , G 2 , ..., G n in uniform verdeelde punten<br />
y 1 , y 2 , ..., y n , zoals voorgesteld in Figuur 6.10 (a).<br />
Figuur 6.10: Gewichtslading analogie voor de <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
Het totale gewicht op de balk wordt gegeven door<br />
G tot =<br />
n∑<br />
i=1<br />
G i<br />
Beschouw nu het geval van een balk geladen met een continue belasting (zie Figuur 6.10<br />
(b)). Een maat voor de belasting is niet het gewicht per punt, maar de ladingsdichtheid
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 166<br />
per lengte eenheid. Stel X (y) gelijk aan de ladingsdichtheid per lengte eenheid van de<br />
balk. De lading over een balk lengte ∆y (∆y → 0) , in een bepaald punt y, is X (∆y) y.<br />
De totale belasting op de balk wordt gegeven door<br />
G tot = lim<br />
∆y→0<br />
=<br />
∫ yn<br />
y 1<br />
y n<br />
∑<br />
y 1<br />
X (n∆y) ∆y<br />
X (y) dy.<br />
De belasting bestaat nu in alle punten en y is een continue variable. Een exact analoge<br />
situatie bestaat in het geval van een signaal spectrum.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 167<br />
6.3 Relatie tussen <strong>Fourier</strong> transformatie en Laplace<br />
transformatie<br />
De functie X (ω) = ∫ ∞<br />
x (t) −∞ e−jωt dt wordt de <strong>Fourier</strong> transformatie van x (t) genoemd<br />
∫<br />
en x (t) = 1 ∞ X (w) 2π −∞ ejωt dω definieerd de invers <strong>Fourier</strong> transformatie. Symbolisch<br />
worden zij voorgesteld als<br />
X (w) = F [x (t)] =<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
x (t) e −jωt dt, (6.36)<br />
x (t) = F −1 [X (w)] = 1 ∫ ∞<br />
X (w) e jωt dω. (6.37)<br />
2π −∞<br />
De operaties worden voorgesteld in Figuur 6.11.<br />
Figuur 6.11: Symmetrie tussen <strong>Fourier</strong> transformatie en zijn inverse <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
De bilaterale Laplace transformatie van x (t) wordt gegeven door<br />
X (s) = L [x (t)] =<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
x (t) e −st dt. (6.38)<br />
Uit (6.36) en (6.38) volgt dat de <strong>Fourier</strong> transformatie een speciaal geval is van de Laplace<br />
transformatie waarbij s = jω, dat is<br />
In (6.38), stel s = σ + jω en we krijgen<br />
X (σ + jω) =<br />
X (s)| s=jω<br />
= F [x (t)] . (6.39)<br />
=<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
x (t) e −t(σ+jω) dt<br />
(<br />
x (t) e<br />
−σt ) e −jω dt<br />
= F [ x (t) e −σt] . (6.40)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 168<br />
Dus de bilaterale Laplace transformatie kan geïnterpreteerd worden als de <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
van x (t) e −σt . Opgelet: Niettegenstaande de <strong>Fourier</strong> transformatie de Laplace<br />
transformatie is met s = jω, mag er niet automatisch verondersteld worden dat de <strong>Fourier</strong><br />
transformatie van een signaal x (t) de Laplace transformatie is met s te vervangen<br />
door jω. Als x (t) absoluut integreerbaar is, ∫ ∞<br />
|x (t)| dt < ∞, kan de <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
verkregen worden via de Laplace transformatie van x (t) met s = jω. De volgende<br />
−∞<br />
voorbeelden illustreren dit.<br />
Voorbeeld 6.4 Beshouw de eenheid impulsfunctie δ (t) . De Laplace transformatie van<br />
δ (t) is<br />
L [δ (t)] = 1. (6.41)<br />
De <strong>Fourier</strong> transformatie van δ (t) is<br />
F [δ (t)] =<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
δ (t) e −jωt dt = 1. (6.42)<br />
Dus, de Laplace transformatie en de <strong>Fourier</strong> transformatie van δ (t) zijn hetzelfde. Figuur<br />
6.12 geeft δ (t) en zijn spectrum weer.<br />
Figuur 6.12: (a) Eenheidsimpulsfunctie, en (b) zijn <strong>Fourier</strong> spectrum<br />
Voorbeeld 6.5 Beshouw de eenheid stapfunctie u (t) . De Laplace transformatie van u (t)<br />
is<br />
L [u (t)] = 1 s . (6.43)<br />
De <strong>Fourier</strong> transformatie van u (t) is<br />
F [u (t)] =<br />
=<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
∫ ∞<br />
0<br />
u (t) e −jωt dt<br />
e −jωt dt<br />
= −1<br />
jω e−jωt ∣ ∣∣∣<br />
∞<br />
0<br />
(6.44)<br />
De lim t→∞<br />
−1<br />
jω e−jωt geeft een onbepaalde vorm,<br />
0<br />
∞ .We beshouwen u (t) = lim a→0 e −at u (t)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 169<br />
(zie Figuur 6.13) en de <strong>Fourier</strong> transformatie van u (t) wordt dan<br />
lim F [ u (t) e −at] 1<br />
= lim<br />
a→0 a→0 a + jω<br />
(<br />
)<br />
a<br />
= lim<br />
a→0 a 2 + ω − j ω<br />
2 a 2 + ω<br />
( )<br />
2<br />
a<br />
= lim<br />
+ 1<br />
a→0 a 2 + ω 2 jω<br />
(6.45)<br />
De functie<br />
a<br />
a 2 +ω 2<br />
Figuur 6.13: <strong>Fourier</strong> transformatie van de stapfunctie<br />
heeft intresante eigenschappen, nl:<br />
1. De oppervlakte onder deze functie is π, ongeacht de waarde van a.<br />
a<br />
2. Als a → 0, → 0, ∀ω ≠ 0 en al zijn oppervlakte is geconcentreerd in een enkel<br />
a 2 +ω 2<br />
a<br />
punt ω = 0. Dus als a → 0, → πδ (w) .<br />
a 2 +ω 2<br />
Daarom is de <strong>Fourier</strong> transformatie van u (t)<br />
F [u (t)] = πδ (w) + 1<br />
jω . (6.46)<br />
Dus de <strong>Fourier</strong> transformatie van u (t) kan niet verkregen worden via de Laplace transformatie.<br />
Merk op dat de stapfunctie u (t) niet absoluut integreerbaar is.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 170<br />
6.4 <strong>Fourier</strong> transformaties en eigenschappen van <strong>Fourier</strong><br />
transformaties<br />
Enkele veel voorkomende signalen en hun respectievelijke <strong>Fourier</strong> transformaties worden<br />
weergegeven in Figuur 6.14.<br />
Figuur 6.14: <strong>Fourier</strong> transformaties van veel voorkomende signalen
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 171<br />
Basiseigenschappen van de <strong>Fourier</strong> transformatie worden samengevat in Figuur 6.15. Veel<br />
van deze eigenschappen zijn gelijkaardig met deze van de Laplace transformatie (zie <strong>Hoofdstuk</strong><br />
??).<br />
Figuur 6.15: Eigenschappen van <strong>Fourier</strong> transformaties<br />
Voorbeeld 6.6 Los volgende differentiaalvergelijking op met <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
Oplossing<br />
dy(t)<br />
dt<br />
+ 2y(t) = x(t) + dx(t)<br />
dt<br />
Toepassen van <strong>Fourier</strong> transformatie geeft<br />
De frequentierespons H(ω) wordt<br />
j ωY (ω) + 2Y (ω) = X(ω) + j ωX(ω).<br />
H(ω) = Y (ω)<br />
X(ω) = 1 + j ω<br />
2 + j ω = 2 + j ω − 1<br />
2 + j ω<br />
Toepassen van de inverse <strong>Fourier</strong> transformatie geeft<br />
F −1 [H(ω)] = h(t)<br />
= 1 −<br />
= δ(t) − e −2t u(t)<br />
1<br />
2 + j ω .
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 172<br />
Voorbeeld 6.7 Los volgende differentiaalvergelijking op met <strong>Fourier</strong> transformatie<br />
waarbij x(t) = u(t)<br />
Oplossing<br />
dy(t)<br />
dt<br />
Toepassen van <strong>Fourier</strong> transformatie geeft<br />
+ 2y(t) = x(t)<br />
j ωY (ω) + 2Y (ω) = X(ω)<br />
hieruit volgt dat de frequentierespons H(ω) gegeven wordt door<br />
De uitgangsrespons wordt gegeven door<br />
Splitsen in partieelbreuken geeft<br />
H(ω) = Y (ω)<br />
X(ω) = 1<br />
2 + j ω<br />
Y (ω) = H(ω)X(ω)<br />
(<br />
1<br />
= πδ(ω) + 1 )<br />
2 + j ω j ω<br />
= πδ(ω)<br />
2 + j ω + 1<br />
j ω(2 + j ω)<br />
= π 2 δ(ω) + 1<br />
j ω(2 + j ω) .<br />
1<br />
j ω(2 + j ω = A<br />
j ω + B<br />
j ω + 2<br />
met A = 1/2 en B = −1/2 wordt de uitgangsrespons<br />
Y (ω) = π 2 δ(ω) + 1<br />
2j ω − 1<br />
2(2 + j ω<br />
= 1 (<br />
πδ(ω) + 1 )<br />
− 1 ( ) 1<br />
2 j ω 2 2 + j ω<br />
= 1 2 u(t) − 1 2 e−2t u(t)<br />
= 1 2<br />
(<br />
1 − e<br />
−2t ) u(t)<br />
Merk op dat het gebruik van de Laplace transformatie gemakkelijker is dan de <strong>Fourier</strong><br />
transformatie omwille van de <strong>Fourier</strong> transformatie van de stapfunctie u(t).
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 173<br />
6.5 De frequentierespons van continue LTI systemen<br />
6.5.1 Frequentierespons en de impulsresponsfunctiue<br />
Gegeven een LTI systeem en een ingangsignaal x(t). In het algemeen wordt het uitgangsignaal<br />
y(t) geschreven als<br />
y(t) = h(t) ∗ x(t) (6.47)<br />
waarbij h(t) de impulsresponsfunctie is. Voor x(t) = e jωt wordt (6.47)<br />
y(t) =<br />
=<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
x (t − τ) h (τ) dτ<br />
e jω(t−τ) h (τ) dτ<br />
∫ ∞<br />
= e jωt e −jωτ h (τ) dτ<br />
−∞<br />
} {{ }<br />
H(ω)<br />
(6.48)<br />
waarbij H (ω) de frequentieresponsfunctie is.<br />
Toepassen van de convolutie eigenschap (<strong>Fourier</strong> transformatie) en (6.47) wordt<br />
Y (ω) = H (ω) X (ω) (6.49)<br />
waarbij Y (ω) , H (ω) en X (ω) de <strong>Fourier</strong> transformaties zijn van y(t), h(t) en x(t) respectievelijk.<br />
Met x(t) = e jω 0t wordt X (ω) gegeven door<br />
X (ω) = F [ e jω 0t ]<br />
= 2πδ (ω − ω 0 ) (6.50)<br />
Vergelijking (6.50) in (6.49) en gebruikmakend van de eigenschappen van de impulsfunctie<br />
geeft<br />
Y (ω) = 2πH (ω 0 ) δ (ω − ω 0 ) (6.51)<br />
Toepassen van de inverse <strong>Fourier</strong> operator F geeft<br />
F −1 [Y (ω)] = H (ω 0 ) F −1 [2πδ (ω − ω 0 )]<br />
= H (ω 0 ) e jω 0t<br />
(6.52)<br />
De relatie voorgesteld in (6.47) en (6.49) wordt geïllustreerd in Figuur 6.16.<br />
Figuur 6.16: Relatie tussen in- en uitgangen van een LTI systeem
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 174<br />
Voorbeeld 6.8 Bepaal de frequentieresponsfunctie van het RC-netwerk (zie Figuur 6.17).<br />
Oplossing<br />
Figuur 6.17: RC netwerk<br />
De differentiaal vergelijking (relatie x (t) en y (t)) wordt geschreven als<br />
dy(t)<br />
dt<br />
De impulsresponsfunctie wordt geven door<br />
De frequentieresponsfunctie is dan<br />
h(t) =<br />
H (ω) =<br />
=<br />
+ 1<br />
RC y(t) = 1<br />
RC x(t)<br />
{ 1<br />
RC e− t<br />
∫ ∞<br />
−∞<br />
∫ ∞<br />
0<br />
= 1<br />
RC<br />
=<br />
RC t ≥ 0<br />
0 t < 0<br />
e −jωt h (t) dt<br />
e −jωt 1<br />
[<br />
−e −t(jω+ t<br />
1<br />
1 + jωRC<br />
t<br />
RC e− RC dt<br />
jω + t<br />
RC<br />
RC )<br />
∣<br />
∞<br />
0<br />
]<br />
6.5.2 Frequentierespons en de transfertfunctiue<br />
Gegeven een ingangsignaal<br />
x (t) = K cos (ω 0 t) , t ≥ 0 (6.53)<br />
met magnitude K en frequentie ω 0 . De Laplace transformatie van het ingangsignaal is<br />
X (s) =<br />
Ks<br />
s 2 + ω0<br />
2 Ks<br />
=<br />
(s + jω 0 ) (s − jω 0 )<br />
(6.54)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 175<br />
De Laplace transformatie (6.54) heeft een zero bij s = 0 en twee polen bij s = ± jω 0 .<br />
Als het systeem geen initiele energie heeft bij t = 0 is de Laplace transformatie van het<br />
uitgangsignaal gegeven door<br />
Y (s) = Z (s)<br />
P (s)<br />
Splitsen in partieel breuken geeft<br />
(<br />
)<br />
Ks<br />
(s + jω 0 ) (s − jω 0 )<br />
(6.55)<br />
Y (s) = ϕ (s)<br />
P (s) + A<br />
(s − jω 0 ) + A ∗<br />
(s + jω 0 )<br />
(6.56)<br />
waarbij ϕ (s) een polynoom in s is en A, A ∗ ∈ C met A ∗ het complex toegevoegde. De<br />
waarde A wordt bepaald met de residu formule<br />
De waarde van A en A ∗ in (6.56) geeft<br />
A = [(s − jω 0 ) Y (s)] s=jω0<br />
[ ( )]<br />
Z (s) Ks<br />
=<br />
P (s) (s + jω 0 )<br />
= jKω 0Z (jω 0 )<br />
P (jω 0 ) 2jω 0<br />
s=jω 0<br />
= K 2 H (jω 0) (6.57)<br />
Y (s) = ϕ (s) K<br />
P (s) + H (jω K<br />
2 0)<br />
(s − jω 0 ) + 2 H∗ (jω 0 )<br />
(s + jω 0 )<br />
(6.58)<br />
waarbij H ∗ (jω [ 0 ) ] het complex toegevoegde van H (jω 0 ) is.<br />
Stel L −1 ϕ(s)<br />
= y<br />
P (s) 1 (t). Toepassen van de inverse Laplace operator op beide leden<br />
van (6.58) geeft<br />
y (t) = y 1 (t) + K 2<br />
(<br />
H (jω0 ) e jω 0t + H ∗ (jω 0 ) e −jω 0t ) (6.59)<br />
Gegeven de identiteit φe jω0t + φ ∗ e −jω 0t<br />
geschreven worden als<br />
= 2 |φ| cos (ω 0 t + ∠φ) , uitdrukking (6.59) kan<br />
y (t) = y 1 (t)<br />
} {{ }<br />
+ K |H (jω 0 )| cos (ω 0 t + ∠H (jω 0 )), } {{ }<br />
t ≥ 0 (6.60)<br />
transiënt<br />
steady-state<br />
Als het systeem stabiel is gaat de term y 1 (t) in (6.60) naar 0 bij t → 0. De sinusoidale<br />
term is het steady-state gedeelte<br />
y ss (t) = K |H (jω 0 )| cos (ω 0 t + ∠H (jω 0 )) , t ≥ 0 (6.61)<br />
Uit (6.61) volgt dat de steady-state respons dezelfde frequentie heeft als het ingangsignaal,<br />
maar het is geschaald in magnitude met |H (jω 0 )| en de fase is verschoven met ∠H (jω 0 ) .
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 176<br />
Voorbeeld 6.9 Gegeven een eerste orde systeem met transfertfunctie<br />
H (s) = s + 0.1<br />
s + 5<br />
Bepaal de frequentierespons en de systeemrespons als x (t) = cos (2t) .<br />
Oplossing<br />
Vervang s = jω in H (s) zodat<br />
H (jω) =<br />
jω + 0.1<br />
jω + 5<br />
De amplitude- en de faserespons worden gegeven door<br />
√<br />
ω2 + 0.01<br />
( ω<br />
) ( ω<br />
)<br />
|H (jω)| = √<br />
ω2 + 25 , ∠H (jω) = tg−1 − tg −1<br />
0.1 5<br />
De frequentierespons grafieken worden geïllustreerd in Figuur 6.18.<br />
Figuur 6.18: Frequentierespons van eerste orde systeem<br />
Voor x (t) = cos (2t) en ω = 2 wordt de amplituderespons<br />
|H (j2)| =<br />
√<br />
22 + 0.01<br />
√<br />
22 + 25 = 0.372
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 177<br />
en de faserespons wordt<br />
( ) 2<br />
∠|H(ω)| = tg −1 0.1<br />
De systeemrespons kan dan geschreven worden als<br />
( ) 2<br />
− tg −1 = 87, 1 ◦ − 21, 8 ◦ = 65, 3 ◦<br />
5<br />
y (t) = K |H (jω)| cos (ω 0 t + ∠H (jω)) , t ≥ 0<br />
= 0.372 cos (2t + 65, 3 ◦ )<br />
Voorbeeld 6.10 Gegeven een tweede orde systeem met transfertfunctie<br />
H (s) =<br />
k<br />
s 2 + 2ζω n s + ω 2 n<br />
met k > 0, ζ > 0 en ω n > 0 (stabiel systeem). Bepaal de frequentierespons grafiek.<br />
Oplossing<br />
1. Als ζ ≥ 1 zijn de polen p 1,2 ∈ R en worden ze gegeven door<br />
p 1,2 = −ζω n ± ω n<br />
√<br />
ζ2 − 1<br />
Uitdrukken van H (s) in termen van p 1 en p 2 geeft<br />
H (s) =<br />
k<br />
(s − p 1 ) (s − p 2 )<br />
De magnitude en fase functies worden geschreven als<br />
|H (jω)| =<br />
k<br />
|jω − p 1 | |jω − p 2 |<br />
∠H (jω) = −∠jω − p 1 − ∠jω − p 2<br />
De frequentierespons, ζ = 1, ω n = 3, 1 rad/s en k = ω n , wordt geïllustreerd in Figuur<br />
6.19.<br />
2. Als 0 < ζ < 1 zijn de polen p 1,2 ∈ C en worden ze gegeven door<br />
p 1,2 = −ζω n ± jω d<br />
waarbij ω d = ω n<br />
√<br />
1 − ζ2 . Uitdrukken van H (s)| s=jω<br />
in termen van p 1 en p 2 geeft<br />
H (ω) =<br />
k<br />
(jω + ζω n p 1 ) (s − p 2 )<br />
De magnitude en fase functies worden geschreven als<br />
|H (jω)| =<br />
k<br />
|jω − p 1 | |jω − p 2 |<br />
De frequentierespons voor H (s) =<br />
∠H (jω) = −∠jω − p 1 − ∠jω − p 2<br />
k<br />
s 2 +2s+102<br />
wordt geïllustreerd in Figuur 6.20.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 178<br />
1<br />
0.8<br />
|H(ω)|<br />
0.6<br />
0.4<br />
2 polenfilter met ζ = 1<br />
0.2<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
ω<br />
0<br />
−50<br />
∠H(ω)<br />
−100<br />
−150<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
ω<br />
Figuur 6.19: Frequentieresponsgrafiek met ζ = 1<br />
1<br />
0.8<br />
|H(ω)|<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20<br />
ω<br />
0<br />
−50<br />
∠H(ω)<br />
−100<br />
−90°<br />
−150<br />
−200<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20<br />
ω<br />
Figuur 6.20: Frequentieresponsgrafiek met ζ = 0.099
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 179<br />
6.6 Bode diagrammen<br />
Gegeven een systeem met transfertfunctie H(s), de Bode diagrammen zijn grafieken van<br />
de magnitudefunctie |H(ω)| dB = 20 log 10 |(ω)| en de fasefunctie ∠H(ω), waarbij de schaal<br />
voor de frequentievariabele ω logaritmisch is. Het gebruik van de logaritmische functie in<br />
de definitie van de magnitude |H(ω)| dB en de logaritmische schaal voor ω laat ons toe de<br />
Bode diagrammen te benaderen door rechte lijnen (asymptoten).<br />
6.6.1 reële polen en zero’s<br />
Beschouw de transfertfunctie gedefinieerd als<br />
H(s) = A(s + z 1)(s + z 2 ) · · · (s + z m )<br />
s(s + p 1 )(s + p 2 ) · · · (s + p n−1 )<br />
(6.62)<br />
In (6.62) is A een reële constante, de zero’s −z 1 , . . . , −z m en de polen −p 1 , . . . , −p n−1 zijn<br />
reële getallen. Stel s = jω in (6.62) geeft<br />
H(ω) = A(jω + z 1)(jω + z 2 ) · · · (jω + z m )<br />
jω(jω + p 1 )(jω + p 2 ) · · · (jω + p n−1 )<br />
(6.63)<br />
Delen van elke factor jω + z i in de teller door z i en delen van elke factor jω + p i in de<br />
noemer door p i geeft<br />
H(ω) = K B(j ω z 1<br />
+ 1)(j ω z 2<br />
+ 1) · · · (j ω<br />
z m<br />
+ 1)<br />
jω(j ω p 1<br />
+ 1)(j ω p 2<br />
+ 1) · · · (j ω<br />
p n−1<br />
+ 1)<br />
(6.64)<br />
waarbij K B een reële constante is gegeven door K B = Az 1z 2 ...z m<br />
p 1 p 2 ...p n−1<br />
. Gebruikmaken van<br />
de eigenschappen van de logaritmische functie kan de magnitude van (6.64) geschreven<br />
worden als<br />
∣ ∣∣∣<br />
|H(ω)| dB = 20 log 10 |K B | + 20 log 10 j ω + 1<br />
z 1<br />
∣ + · · · + 20 log 10 ∣ j ω<br />
+ 1<br />
z m<br />
∣<br />
∣ ∣∣∣<br />
−20 log 10 |jω| − 20 log 10 j ω + 1<br />
p 1<br />
∣ − · · · − 20 log 10 ∣ j ω<br />
+ 1<br />
p n−1<br />
∣ .(6.65)<br />
De fase van H(ω) wordt gegeven door<br />
(<br />
∠H(ω) = ∠K B + ∠ j ω )<br />
+ 1<br />
z<br />
( 1<br />
−∠(jω) − ∠ j ω + 1<br />
p 1<br />
(<br />
+ · · · + ∠<br />
)<br />
− · · · − ∠<br />
j ω )<br />
+ 1<br />
z<br />
( m<br />
j ω + 1<br />
z n−1<br />
)<br />
(6.66)<br />
Dus de magnitude- en de fasefuncties kunnen worden samengesteld in sommen van de<br />
individuele factoren. De Bode diagrammen kunnen dan worden bepaald voor elke factor<br />
en grafisch worden opgeteld.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 180<br />
Constante factoren. Het magnitude diagram voor de constante factor K B is<br />
een rechte versus ω gegeven door<br />
De fase van de factor K B is een rechte versus ω<br />
{ 0<br />
∠K B =<br />
◦ , K B > 0<br />
±180 ◦ , K B < 0<br />
|K B | dB = 20 log 10 |K B |. (6.67)<br />
Het Bode diagramma voor K B worden gegeven in Figuur 6.21<br />
(6.68)<br />
Figuur 6.21: Magnitude en fase van K B<br />
(j ωT + 1) factoren. De magnitude van (j ωT + 1) in dB wordt gegeven door<br />
|(j ωT + 1)| dB = 20 log 10<br />
√<br />
ω2 T 2 + 1 (6.69)<br />
Definieer de hoekfrequentie ω hf als de waarde waarbij ωT = 1; dat is ω hf = 1/T .<br />
• Voor ω < ω hf wordt ωT < 1, en kan de magnitude benaderd worden door<br />
|jωT + 1| dB ≈ 20 log 10 (1) = 0 dB (6.70)<br />
• Voor ω > ω hf wordt ωT > 1, en kan de magnitude worden benaderd door<br />
|jωT + 1| dB ≈ 20 log 10 (ωT ) = 0 dB (6.71)<br />
De term 20 log 10 (ωT ) is een rechte met richtingscoëfficiënt 20 dB/decade, waarbij een<br />
decade een factor 10 in frequentie is. De constante nul (ω < ω hf ) en de rechte 20 log 10 (ωT ),<br />
(ω > ω hf ), zijn de asymptoten voor de magnitude |jωT + 1|.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 181<br />
Figuur 6.22: Exacte Magnitude en fase van factor |jωT + 1|<br />
40<br />
Bode Diagram (asymptotisch)<br />
Magnitude (dB)<br />
30<br />
20<br />
10<br />
20 log 10<br />
(1)<br />
20 log 10<br />
(ωT)<br />
0<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
80<br />
fase (deg)<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω hf<br />
(rad/s)<br />
Figuur 6.23: Asymptotische Magnitude en fase van factor |jωT + 1|
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 182<br />
De asymptoten worden in Figuur 6.23 voorgesteld en de exacte magnitudefunctie in Figuur<br />
6.22. De asymptoten geven een goede benadering voor frequenties verschillend van de<br />
hoekfrequenties. Bij de hoekfrequentie is het verschil van de asymptotische benedering<br />
t.o.v. de exacte 3 dB.<br />
De hoek van de factor |jωT + 1| wordt gegeven door<br />
∠(jωT + 1) = tg −1 (ωT ) (6.72)<br />
• Voor lage frequenties, ω < ω hf<br />
, wordt ∠(jωT + 1) ≈ 0◦<br />
10<br />
• Voor hoge frequenties, ω < 10 ω hf , wordt ∠(jωT + 1) ≈ 90 ◦<br />
Het verschil van 0 ◦ naar 90 ◦ kan worden benaderd door een rechte lijn met de richtingscoëfficiënt<br />
45 ◦ /dec over een twee decadebereik van ω hf<br />
naar 10 ω 10 hf.<br />
Wanneer de factor in de noemer voorkomt, (j ω + 1) −1 , resulteert dit een richtingscoëfficiënt<br />
van -20 dB/decade in de magnitude plot en −90 ◦ in de faseplot (zie Figuur<br />
6.24)<br />
0<br />
Bode Diagram (asymptotisch)<br />
Magnitude (dB)<br />
−10<br />
−20<br />
−30<br />
−20 log 10<br />
(ω T)<br />
−40<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
0<br />
fase (deg)<br />
−45<br />
−90<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω hf<br />
(rad/s)<br />
Figuur 6.24: Asymptotische magnitude en fase van de factor |(j ωT + 1) −1 |<br />
(j ω) factor De magnitude van jω wordt gegeven door<br />
|jω| dB<br />
= 20 log 10 (ω) (6.73)<br />
Dit is een rechte met richtingscoëfficient -20 dB/decade (logaritmische schaal voor ω).<br />
De rechte snijdt de 0 dB-as bij ω = 1. De Bode diagram voor |jω| dB<br />
wordt afgebeeld in<br />
(Figuur 6.25). In dit geval is de asymptotische benadering niet nodig omdat de exacte<br />
vorm een rechte is. De fase grafiek is een rechte met constante waarde ∠jω = 90 ◦ zoals
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 183<br />
40<br />
Magnitude, dB<br />
20<br />
0<br />
−20<br />
−40<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
180<br />
135<br />
fase, graden<br />
90<br />
45<br />
0<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
Figuur 6.25: Magnitude- en fasegrafiek voor de factor j ω<br />
40<br />
magnitude, dB<br />
20<br />
0<br />
−20<br />
−40<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
0<br />
−45<br />
fase, graden<br />
−90<br />
−135<br />
−180<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
Figuur 6.26: Magnitude- en fasegrafiek voor de factor (j ω) −1<br />
voorgesteld in Figuur 6.26. Als de factor in de noemer voorkomt, (jω) −1 , resulteerd dit in<br />
een richtingscoëfficiënt -20 dB/decade in de magnitude grafiek en −90 ◦ in de fase grafiek<br />
(zie Figuur 6.26).
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 184<br />
6.6.2 Complexe polen of zero’s<br />
Stel dat H(s) een kwadratische factor bevat van de vorm s 2 + 2ζω n s + ωn 2 met 0 < ζ < 1<br />
en ω n > 0 (s 1,2 ∈ C). Stel s = jω en deel door ωn 2 zodat de kwadratische factor geschreven<br />
wordt als ( jω<br />
w n<br />
) 2 + 2ζ<br />
ω n<br />
(jω) + 1. De magnitude in dB voor deze kwadratische factor wordt<br />
( ) √<br />
2 jω<br />
+ 2ζ<br />
( ) 2 (jω) + 1<br />
= 20 log<br />
∣ ω n ω n ∣ 10 1 − ω2<br />
+<br />
dB<br />
ω 2 n<br />
( 2ζω<br />
ω n<br />
) 2<br />
(6.74)<br />
Definieer de hoekfrequentie zodat ω hf<br />
ω n<br />
= 1. Een asymptotische constructie kan bekomen<br />
worden voor lage frequenties, ω < ω n :<br />
( ) 2 jω<br />
+ 2ζ<br />
(jω) + 1<br />
≈ 20 log<br />
∣ ω n ω n ∣ 10 (1) = 0dB (6.75)<br />
dB<br />
en voor hoge frequenties, ω > ω n :<br />
( ) 2 jω<br />
+ 2ζ<br />
( ) 2<br />
ω<br />
(jω) + 1<br />
≈ 20 log<br />
∣ ω n ω n ∣ 10<br />
ω n dB<br />
( ) ω<br />
= 40 log 10<br />
ω n<br />
(6.76)<br />
De asymptoot bij hoge frequenties is een rechte met richtingscoëfficiënt 40 dB/decade. De<br />
asymptotische benadering voor de magnitude van de kwadratische factor wordt voorgesteld<br />
in Figuur 6.27. In dit geval is het verschil tussen de asymptotische benadering en<br />
de exacte grafiek afhankelijk van de parameter ζ. De fase voor deze kwadratische factor<br />
wordt<br />
( ) (<br />
2 jω<br />
∠<br />
+ 2ζ<br />
(jω) + 1<br />
∣ ω n ω n ∣ = tg−1<br />
2ζω<br />
ω n<br />
1 − ω2<br />
ω 2 n<br />
)<br />
(6.77)<br />
Een asymptotische constructie kan bekomen worden voor lage frequenties, ω < ω n :<br />
( ) 2 jω<br />
∠<br />
+ 2ζ<br />
( )<br />
0<br />
(jω) + 1<br />
∣ ω n ω n ∣ ≈ tg−1 = 0 ◦ (6.78)<br />
1<br />
en voor hoge frequenties, ω > ω n :<br />
( ) 2 jω<br />
∠<br />
+ 2ζ<br />
( )<br />
(jω) + 1<br />
∣ ω n ω n ∣ ≈ 2ζωn<br />
tg−1 ≈ 180 ◦ (6.79)<br />
−ω<br />
De overgang tussen de lage- en hoge frequentie asymptoten is een rechte over 2 decaden<br />
vanaf 0.1ω n tot 10ω n met richtingscoëfficient 90 ◦ /decade zoals geïllustreerd in Figuur<br />
6.28. Als de kwadratische factor in de noemer voorkomt, (s 2 + 2ζω n s + ω 2 n) −1 , worden de<br />
asymptotische benaderingen voorgesteld in Figuur 6.28.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 185<br />
80<br />
magnitude, dB<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
180<br />
fase, graden<br />
90<br />
0<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
Figuur 6.27: Magnitude- en fasegrafiek voor de term s 2 + 2ζω n s + ω 2 n<br />
0<br />
magnitude, dB<br />
−20<br />
−40<br />
−60<br />
−80<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
0<br />
fase, graden<br />
−90<br />
−180<br />
10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2<br />
ω (rad/s)<br />
Figuur 6.28: Magnitude- en fasegrafiek voor de term (s 2 + 2ζω n s + ω 2 n) −1
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 186<br />
De Exacte Bode diagramma’s van de kwadratische factor zijn afhankelijk ban ζ. De<br />
Bode diagramma’s worden voor verschillende waarden van ζ voorgesteld in Figuur 6.29.<br />
Figuur 6.29: Exacte Bode diagramma’s voor de kwadratische factor
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 187<br />
6.6.3 Voorbeelden<br />
Voorbeeld 6.11 Schets de bodeplot voor de transfertfunctie<br />
Oplossing<br />
H(s) =<br />
10 4 (1 + s)<br />
(10 + s)(100 + s)<br />
Eerst herschrijven we H(s) in de standaardvorm<br />
Dan<br />
H(ω) =<br />
10(1 + j ω/10)<br />
(10 + j ω)(100 + j ω/100)<br />
|H(ω)| dB = 20 log 10 10 + 20 log 10 |1 + j ω|<br />
∣ ∣∣1 ω<br />
∣ ∣∣1 ω<br />
−20 log 10 + j ∣ − 20 log<br />
10<br />
10 + j ∣<br />
100<br />
Merk op dat er drie hoekfrequenties zijn, ω = 1, ω = 10 en ω = 100. Voor hoekfrequentie<br />
ω = 1<br />
|H(1)| dB = 20 + 20 log 10<br />
√<br />
2 − 20 log10<br />
√<br />
1.01 − 20 log10<br />
√<br />
1.0001 ≈ 23dB<br />
Voor hoekfrequentie ω = 10<br />
|H(10)| dB = 20 + 20 log 10<br />
√<br />
110 − 20 log10<br />
√<br />
2 − 20 log10<br />
√<br />
1.01 ≈ 37dB<br />
Voor hoekfrequentie ω = 100<br />
|H(100)| dB = 20 + 20 log 10<br />
√<br />
10001 − 20 log10<br />
√<br />
101 − 20 log10<br />
√<br />
2 ≈ 37dB<br />
De Bode amplitude plot wordt in Figuur 6.30(a). Elke term welke bijdraagt tot de totale<br />
amplitude wordt ook voorgesteld.<br />
Als ω → 0<br />
als ω → ∞<br />
en<br />
∠H(ω) = 0 + tg −1 ω − tg −1 ω 10 − ω<br />
tg−1<br />
100<br />
∠H(ω) ≈ 0 − 0 − 0 − 0 = 0<br />
∠H(ω) ≈ 0 + π 2 − π 2 − π 2 = −π 2<br />
∠H(1) = 0 + tg −1 (1) − tg −1 (0.1) − tg −1 (0.01) = 0.676 rad<br />
∠H(10) = 0 + tg −1 (10) − tg −1 (1) − tg −1 (0.1) = 0.586 rad<br />
∠H(100) = 0 + tg −1 (100) − tg −1 (10) − tg −1 (1) = −0.696 rad<br />
De Bode fase plot wordt voorgesteld in Figuur 6.30(b)
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 188<br />
Figuur 6.30: Bode diagramma: (-) exacte vorm, (- -) asymptotische benadering
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 189<br />
Voorbeeld 6.12 Geef de asymptotische Bode diagramma’s voor de transfertfunctie H(s)<br />
Oplossing<br />
H(s) =<br />
10(s + 1)<br />
s 2 (s 2 + 4s + 16)<br />
Herschrijven van de transfertfunctie in de standaardvorm geeft<br />
H(ω) =<br />
10(j ω + 1)<br />
(j ω)<br />
(− ( ) 2 ω 2<br />
).<br />
4 +<br />
j ω<br />
+ 1 4<br />
De amplitude wordt geschreven als<br />
|H(ω)| dB = 20 log 10 10 + 20 log 10 |1 + j ω| − 40 log 10 |j ω| − 20 log 10<br />
∣ ∣∣∣<br />
1 + j ω 4 − ( ω<br />
4<br />
) 2<br />
∣ ∣∣∣<br />
.<br />
De fase wordt als volgt uitgedrukt<br />
∠H(ω) = ∠10 + ∠|j ω + 1| − ∠ ∣ ∣(j ω) 2∣ ∣ − ∠<br />
∣ 1 + j ω ( ω<br />
) ∣<br />
2∣∣∣<br />
4 − 4<br />
De asymptotische Bode diagramma’s voor elk van deze termen worden in Figuur 6.31<br />
voorgesteld.
HOOFDSTUK 6. FOURIER ANALYSE 190<br />
Figuur 6.31: De asymptotische Bode plot