Resposta em frequência e amostragem
Filtros, ganho e fase, realimentação, réplicas espectrais, Nyquist e aliasing.
Um SLIT trata cada frequência por um ganho complexo. A amostragem altera o espectro de outra forma: repete-o em torno de múltiplos da frequência de amostragem. Se essas cópias se sobrepõem, frequências diferentes ficam indistinguíveis nas amostras.
Resposta em frequência
Aplicamos à convolução. Tirando do integral,
As exponenciais complexas são funções próprias do sistema. é a transformada de Fourier da resposta impulsional. Para entrada geral, , um produto, não uma convolução espectral.
Para uma sinusoide real, o módulo multiplica a amplitude e o argumento acrescenta fase. Em cascata, os multiplicam; em paralelo com soma das saídas, somam. Com realimentação negativa e caminho direto , a relação formal é . A existência de uma expressão algébrica não prova estabilidade do sistema fechado.
Filtro RC passa-baixo
Parte de com . Com e , a derivada traz : . Logo, com saída no condensador,
A frequência de corte é , ou . No corte, o ganho é , aproximadamente , e a fase . Para um ganho de tensão, decibéis usam ; a comparação de potências usa .
Para e , . Uma entrada de amplitude a sai com amplitude e atraso de fase . O atraso entre máximos é nesta frequência; não é um atraso constante para todas as frequências.
Com saída na resistência, é passa-alto. Em baixa frequência aproxima-se de zero, em alta aproxima-se de um. A escolha dos terminais de saída muda o filtro.
Um RLC série com saída em tem , um passa-banda. Ganho e fase são propriedades do porto entrada-saída, não só do nome dos componentes.
Amostragem no tempo e na frequência
Para período , e , o trem de impulsos é . O sinal amostrado ideal é
É diferente da sequência , embora guarde os mesmos valores. A transformada do trem é . Como produto no tempo vira convolução em frequência,
Cada cópia ocupa uma largura : desde o seu centro menos até ao centro mais . A cópia centrada em zero termina em ; a seguinte começa em . Para existir um intervalo entre elas, é preciso , ou .
As cópias estão separadas por . Não confundas , em hertz, com , em radianos por segundo.
Teorema de amostragem
Se o sinal é limitado em banda, para , a reconstrução ideal sem sobreposição exige
Usamos a desigualdade estrita para evitar ambiguidades na fronteira. Amostrar uma sinusoide precisamente duas vezes por período pode perder toda a informação de amplitude ou fase, por exemplo um seno amostrado nos zeros.
Na reconstrução ideal,
Esta fórmula exige todas as amostras e banda adequada. Um sistema real coloca um filtro antialiasing analógico antes do conversor para atenuar frequências acima de . Filtrar depois de ocorrer aliasing não recupera, em geral, a frequência original, porque a cópia sobreposta já é indistinguível do conteúdo da banda.
Aliasing
Para , as amostras são . Acrescentar um múltiplo inteiro de a não altera a sequência; trocar o sinal da frequência também não altera este cosseno.
Uma sinusoide de amostrada a tem as mesmas amostras que um cosseno de , porque . A frequência aparente pode obter-se reduzindo ao intervalo e tomando o módulo para este cosseno real. Para uma sinusoide com fase, considera também a alteração da fase na reflexão.
A demo mostra um cosseno de amplitude um com as amostras ideais, sem quantização; a curva tracejada é o cosseno de frequência reduzida que coincide nos pontos. Com e , os pontos também pertencem ao cosseno de . Mantém o sinal em e aumenta apenas : em chegas à fronteira; acima desse valor, a frequência reduzida coincide com a original. Isso não identifica uma frequência desconhecida sem uma hipótese de banda, mas mostra a condição suficiente para esta banda.
Frequência reduzida: 3 Hz. Há aliasing.
Linha cheia: original. Tracejado: frequência reduzida. Pontos: amostras.
Quantizar não é amostrar
Uma aquisição a com bits por amostra, num canal, usa sem compressão. A frequência de amostragem limita a banda representável; o número de bits limita a resolução dos valores. Aumentar os bits não corrige uma frequência de amostragem insuficiente.
Exercícios
Uma frequência que parece menor
Um cosseno de é amostrado a . Qual é a frequência não negativa equivalente no intervalo de 0 a ?
Pista
Frequências separadas por um múltiplo de dão a mesma sequência complexa; para cosseno, sinais opostos também coincidem.
Solução
A frequência equivalente é . Nos instantes n/fs, . Não podemos inferir a frequência original só destas amostras.
Erros frequentes
Não respondas 1700 Hz dentro do intervalo até 1000 Hz. Filtrar depois não desfaz a ambiguidade.
Amostras todas nulas
Para , amostra exatamente a , começando em t=0. Que valores obténs? Por que esta situação exige cuidado com a igualdade na condição de Nyquist? Que condição e filtro prévio usarias para evitar aliasing de uma banda conhecida?
Pista
Escreve o período de amostragem como .
Solução
Todas as amostras são zero para n inteiro, qualquer que seja A. Um sinal não nulo fica indistinguível do sinal zero nesta fase. A desigualdade estrita , com banda limitada adequada, evita a fronteira. Um filtro analógico prévio limita as componentes que podem causar aliasing.
Confere a tua resposta:
- Substitui t = n/(2f) e obtém sin(πn)=0.
- Mostra a perda de informação na igualdade.
- Justifica fs > 2B e filtro analógico antes do conversor.
Erros frequentes
Duas amostras por ciclo não garantem reconstrução para todas as fases de uma sinusoide na fronteira.
Filtrar uma frequência acima do corte
Um filtro RC passa-baixo tem e recebe . Em regime permanente, calcula e escreve .
Pista
Calcula antes de substituir na função de transferência.
Solução
Calcula antes de substituir. , com módulo e fase . Logo , com a mesma frequência da entrada em regime permanente. A amplitude cai de para cerca de ; a frequência mantém-se e a saída atrasa a fase.
Confere a tua resposta:
- Obtém H = (1−j2)/5, módulo 1/√5 e fase −arctan(2).
- Obtém amplitude de saída √5 V, aproximadamente 2,24 V.
- Escreve a saída à mesma frequência e com atraso de fase.
Erros frequentes
Não multipliques a amplitude apenas pela parte real de H. Regime permanente pressupõe que o transitório desapareceu.