Здравствуйте, gena.sorbuchev!
Дано : Амплитуда импульсов Um=10 B, период следования импульсов T = 4 мс, длительность импульсов tu=2 мс.
Построить спектр заданного сигнала.
Решение : Заданный в Условии задачи сигнал - это прямоугольные импульсы со скважностью 2 (T / tu = 2) , так называемый "Меандр". Чтобы последовательность таких импульсов представить суммой гармонических сигналов, воспользуемся преобрвзованием Фурье.
Представление произвольной функции U(t) с периодом T выглядит в виде тригонометрического ряда Фурье :
U(t) = a
0/2 +
n=1[$8734$][$8721$][a
n·cos(n·[$969$]·t) + b
n·sin(n·[$969$]·t)]
где a
0 , a
n и b
n - это коэффициенты Фурье (см статью " Тригонометрический ряд Фурье"
Ссылка1 )
Круговая частота [$969$] = 2·[$960$] / T = 1,57 рад/мс.
Вычисляем коэффициенты Фурье : a
0 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·dt = 10 Вольт
Коэффициенты a
n вычисляем по формуле a
n = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·cos(n·[$969$]·t)·dt
a1 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·cos([$969$]·t)·dt = 0
a2 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·cos(2·[$969$]·t)·dt = 0 , все коэффициенты a3, a4, a5… равны нулю.
Коэффициенты b
n вычисляем по формуле bn = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·sin(n·[$969$]·t)·dt
b
1 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·sin([$969$]·t)·dt = 6,37 В - первая синус-гармоника. Её частота равна частоте исходного сигнала.
b
2 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·sin(2·[$969$]·t)·dt = 0 - вторая синус-гармоника. Все чётные гармоники меандра равны нулю.
b
3 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·sin(3·[$969$]·t)·dt = 2,12 В - третья синус-гармоника. Её частота равна утроенной частоте исходного сигнала.
b
5 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·sin(5·[$969$]·t)·dt = 1,27 В , b
7 = (2/T)·
0T[$8747$]U(t)·sin(7·[$969$]·t)·dt = 0,91 В
На ниже-приложенном графике S(t) - сумма всех вычисленных гармоник. Она не запрошена в Условии задаче, однако совпадение суммы с исходной функцией - лучшая проверка правильности вычисления.
Спектр исходного сигнала - это графическое представление коэффициентов Фурье.
В разных статьях спектр представляют в разных вариантах : односторонный (только положительные частоты), двух-сторонний (положительные и отрицательные гармоники), фазовый…
По моему опыту практический интерес и физический смысл лучше исследовать по простейшему амплитудному одностороннему графику. На моей паре графиков сразу видно, что если спектр справа обрезан до 7 гармоник, то разностная волнистая кривая S(t) - U(t) содержит 9 периодов (выпуклостей), как бы "хочет" 9ю гармонику до полного совпадения S(t) и U(t).
Но если расширить спектр до 9 гармоник, то разностная волнистая вокруг U(t) хоть и уменьшится в амплитуде, однако не исчезнет совсем и будет содержать недостающую 11ю гармонику.
Дашь ей 11ю - захочет 13ю, и тд. Так инженеры ищут компромисс ограниченной ширины спектра (усилителя) с искажениями исходной формы импульса.
Статьи по Вашей теме: "Амплитудный спектр сигнала"
Ссылка2Спектральное представление сигналов
Ссылка3Спектральный анализ сигналов
Ссылка4Введение в спектральный анализ сигналов
Ссылка5Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов
Ссылка6Спектры периодических сигналов
Ссылка7Спектры периодических сигналов
Ссылка8Как построить спектр сигнала?
Ссылка9Теория сигналов.РешебникТаганрог
Ссылка10ТеорияСигналов.pdf
Ссылка11РадиоЦепи и Сигналы
Ссылка12РадиоТехЦепи иСигналы.УралУнивер
Ссылка13