Per confrontare segnali servono grandezze che li riassumano: quanto durano, quanto valgono in media, quanta energia e quanta potenza portano.
Il supporto di x(t) è l'insieme dei t in cui ∣x(t)∣>0 e la durata è la misura del supporto. Per una sequenza xn il supporto è l'insieme degli indici con ∣xn∣>0 e la durata è un numero intero. Se il segnale tende a zero senza annullarsi, si fissa una soglia sotto cui è trascurabile: in senso stretto la durata è infinita, in pratica dipende dalla soglia.
Fra le sequenze elementari, δn vale 1 solo per n=0 e un vale 1 per n≥0. La rettangolare ha durata N, la triangolare 2N−1:
La finestra contiene 2N+1 campioni. Dividere per 2N dà lo stesso limite.
Perché energia e potenza
Una comunicazione riesce se il segnale arriva al ricevitore abbastanza forte rispetto al rumore. Il rapporto segnale-rumore (SNR) è il rapporto fra la potenza del segnale utile Ps e quella del rumore Pr, e si esprime in decibel:
SNRdB=10log10PrPs
La probabilità di errore Pe è la probabilità che il ricevitore legga un messaggio diverso da quello inviato, per esempio 1 al posto di 0. Diminuisce quando l'SNR cresce. Se il rumore non si può ridurre, per sbagliare meno bisogna trasmettere con più potenza. Energia e potenza servono a descrivere le prestazioni di una comunicazione.
Energia e segnali di energia
L'energia è l'area sotto il quadrato del segnale:
Ex=∫−∞+∞∣x(t)∣2dtEx=n=−∞∑+∞∣xn∣2
È reale e non negativa. Per un segnale reale il modulo si toglie, per uno complesso serve a ottenere un numero reale. Due classi di segnali:
di energia:0<Ex<+∞impulsivo:∫−∞+∞∣x(t)∣dt<+∞
Le classi si sovrappongono ma non coincidono. Un segnale non nullo, limitato e di durata strettamente finita è di energia e impulsivo. Invece x(t)=rect(t)∣t∣−1/2 è impulsivo ma non di energia: l'area sotto ∣x∣ è finita, vale 22, mentre sotto ∣x∣2 c'è 1/∣t∣ e l'area diverge.
Per x(t)=rect(t) il quadrato vale 1 sul supporto, quindi l'energia è l'area del rettangolo. Per x(t)=tri(t)=1−∣t∣ si integra una metà e si raddoppia:
Erect=∫−1/21/21dt=1Etri=2∫01(1−t)2dt=32
L'esponenziale causale x(t)=Ae−αtu−1(t), con A reale e α>0 perché l'integrale converga, vale Ae−αt per t≥0 e 0 prima. La durata è infinita in senso stretto, ma l'energia è finita:
Per A=0 è dunque di energia e impulsivo: un segnale di durata infinita può avere energia finita.
x(t)=e−αtu−1(t), con A=1
t
x(t)
∣x(t)∣2
Più rapido è il decadimento (α grande), meno area resta sotto ∣x(t)∣2 e minore è l'energia.
Potenza e segnali periodici
La potenza è l'energia in una finestra centrata nell'origine, divisa per l'ampiezza della finestra, che si allarga. È un'energia media per unità di tempo, cioè il valore medio di ∣x(t)∣2:
Per x(t)=c, con c=0, l'energia e l'integrale di ∣x∣ sono infiniti: non è né di energia né impulsivo. La potenza invece è finita:
Px=T→+∞limT1∫−T/2T/2c2dt=c2
La durata infinita non basta a stabilire la classe: l'esponenziale causale ha durata infinita ed è di energia, la costante è di potenza. Anche il rumore additivo, in generale a durata infinita, si caratterizza con la potenza.
Un segnale periodico di periodo T0 somma repliche di un segnale g(t) traslate di nT0. Ha durata infinita ed è di potenza: la media si fa su un solo periodo.
Il quadrato oscilla a frequenza doppia attorno ad A2/2, che è la potenza. Cambiando φ le curve scorrono, la media resta.
Treno di impulsi rettangolari. Somma repliche di un rettangolo alto 1 e largo D≤T0, centrate nei multipli di T0. In un periodo il segnale è non nullo per una durata D:
Per le sequenze, yn=xn−M lascia invariate energia e potenza. Traslare sposta l'area sotto ∣x∣2 senza cambiarla. Moltiplicare per A moltiplica l'altezza di ∣x∣2 per ∣A∣2. Con a=2 il segnale dura la metà e l'area si dimezza. La potenza resta uguale, perché finestra e area si scalano dello stesso fattore.
y(t)=Ax(a(t−t0)), con x=rect
t
∣x(t)∣2
∣y(t)∣2
Traslare (t0) non cambia l'area sotto ∣y(t)∣2; A la moltiplica per A2, a la divide per a.
Esercizio. Energia di z(t)=rect(t−3)+2rect(t/2−1). Il primo rettangolo ha altezza 1 e supporto [5/2,7/2]. Nel secondo t/2−1=(t−2)/2: centro 2, larghezza 2, altezza 2, supporto [1,3]. Dove i supporti si sovrappongono le ampiezze si sommano e poi si elevano al quadrato, quindi conviene disegnare prima z. I tre tratti hanno ampiezza 2, 3, 1 e lunghezza 3/2, 1/2, 1/2:
Ez=23⋅22+21⋅32+21⋅12=11
L'energia della somma non è la somma delle energie, 1+8=9: la differenza, 2, viene dalla sovrapposizione.
z(t)=rect(t−3)+2rect(t/2−1)
t
z(t)
∣z(t)∣2
L'energia è l'area sotto ∣z(t)∣2: nel tratto sovrapposto si sommano le ampiezze, poi si eleva al quadrato.
Impulso matematico
L'impulso matematico è il limite di rettangoli sempre più stretti e più alti, con area 1. Con rectΔt(t)=rect(t/Δt):
δ(t)=Δt→0limΔt1rectΔt(t)
La durata tende a zero e l'ampiezza in t=0 a +∞. Si disegna con una freccia verso l'alto. Non è l'impulso discreto δn: l'analogia è solo che l'area di δ(t) è 1, come il campione di δn in n=0.
Da rettangolo a impulso
t
Δt1rectΔt(t)
Al diminuire di Δt il rettangolo si stringe e si alza, ma l'area resta 1: al limite è δ(t).
È una funzione generalizzata: non si valuta punto per punto, ma sotto il segno di integrale, dove agisce su un segnale di test x(t):
L'ultima è la proprietà di campionamento, per x continuo in t0: δ(t−t0) preleva il valore di x in t0. È il modo di prelevare campioni da un segnale continuo. Per esempio, la rect si annulla in t=1:
∫−∞+∞rect(t)δ(t−1)dt=rect(1)=0
Proprietà di campionamento, con x(t)=tri(t)
x(t0)t
x(t)
δ(t−t0)
Spostando t0 l'impulso δ(t−t0) preleva il valore di x in t0; fuori dal supporto del triangolo l'integrale vale 0.
Convoluzione
La convoluzione è una terza operazione fra segnali, dopo somma e prodotto punto per punto. Il risultato è ancora un segnale nella variabile t:
φxy(t)=∫−∞+∞x(τ)y(t−τ)dτ=x(t)∗y(t)
τ è la variabile di integrazione, t un parametro che si fa variare su tutto R. Per ogni t:
si disegnano x(τ) e y(τ);
si ribalta y rispetto all'asse verticale: y(−τ);
si trasla di t, ottenendo y(t−τ): a destra se t>0, a sinistra se t<0;
si fa il prodotto x(τ)y(t−τ);
se ne calcola l'area, che è il valore di φxy in t.
Due rettangoli.x vale 1 in [−4,4], y vale 1 in [0,3]. Dopo ribaltamento e traslazione il supporto di y(t−τ) è [t−3,t].
Per t<−4 i supporti sono disgiunti, il prodotto è nullo e φxy(t)=0.
Per −4≤t≤−1 la sovrapposizione va da −4 a t:
φxy(t)=∫−4t1dτ=t+4
È una retta di pendenza 1 che parte da 0 in t=−4. In t=−1, quando y(t−τ) è tutto dentro x(τ), vale 3: l'area di y.
Le slide completano il calcolo con lo stesso metodo. Per −1≤t≤4 il rettangolo y(t−τ) resta dentro x(τ) e l'area è 3. Per 4≤t≤7 la sovrapposizione va da t−3 a 4 e vale 7−t. Per t>7 i supporti sono di nuovo disgiunti. Il risultato è un trapezio: