Representación de señales en MATLAB ( T.II.1)
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- José María Espejo Castellanos
- hace 7 años
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1 Representación de señales en MALAB (.II. ste aneo incluye una reerencia del código Matlab utilizado para calcular y visualizar el espectro en recuencia de las señales continuas utilizadas en las prácticas, así como su justiicación. Se distinguen dos casos, señales de tipo energía (tienen energía inita y señales de tipo potencia (con duración ininita y por tanto energía ininita, pero potencia inita. n las prácticas, la mayoría de las señales se considerarán periódicas e ininitas, por lo tanto de tipo PONCIA. Para señales de tipo energía n la asignatura de Sistemas Lineales se utiliza la transormada de Fourier para representar el espectro. Para señales de tipo energía, se utiliza esta representación, ya que su módulo al cuadrado tiene un sentido ísico, que es la densidad espectral de energía: ( G ( Para obtener en Matlab la F de una señal continua, se acude a aproimaciones numéricas. Dada una señal ( t, la integral que involucra el cálculo de su F se puede epresar como el límite de un sumatorio, del siguiente modo: jπt jπ ( ( ( ( n t e dt lim n e n que equivale a epresar la integral deinida como el sumatorio de las areas de rectángulos (de base t encerrados bajo la unción (t, cuando t tiende a cero (integral de Riemann. n Matlab, las señales se describen como vectores de muestras, por lo tanto, la aproimación utilizada se basará en el muestreo de la señal original. Supondremos una señal de energía inita (t deinida en el intervalo t<. Ahora bien, la recuencia de muestreo s, ha de ser suicientemente elevada para que no se produzca solapamiento espectral, es decir, que cumpla el criterio de Nyquist: s > ma donde ma es la recuencia máima de la señal (t. De orma similar, podemos obtener el número de muestras en la señal muestreada según: N / n estas condiciones, se puede aproimar la integral de una señal deinida en t< por un conjunto de muestras tomadas con una recuencia de muestreo s según jπt jπt jπ ( ( ( ( ( n t e dt t e dt n e N n Obsérvese que el sumatorio es precisamente la DF de una señal discreta [n](n t, multiplicada por t, muestreando la variable continua t, desde t hasta t - t, y tomado N valores discretos muy próimos (tantos más cuanto menor sea t, que en Matlab denotaremos como inct. Por lo tanto, la epresión inct*t( arrojará una señal discreta:
2 [] ( donde N, [, N ] Señal que contiene el valor aproimado de N muestras de la F de (t. Sin embargo, dado que la unción t obtiene la DF en el intervalo Ω,π, en el que Ω π, π corresponde a pulsaciones [ [ negativas, si queremos representar la transormada centrada en el origen es necesario recolocar la segunda mitad del vector al principio del vector (tshit( para obtener la aproimación de la F: par. [] ( ( Dado que donde N N, N,, donde se asume que N es [] representa muestras de una señal continua, (, en un intervalo de pulsaciones π π ω,, solamente se pueden representar tonos en la banda, (o lo que F es lo mismo s Fs,, por lo que se recomienda representarla siempre en ese intervalo (y sin olvidar que es una aproimación muestreo-. Para recuperar la señal en el dominio temporal se hará uso de la epresión (/inct*it(, obtenida de orma análoga. Si se ha recolocado el vector con tshit, hay que volverlo a colocar en la posición original con itshit. Recuerde que tanto t como it devuelven en general valores complejos. Si bien en el caso de que la transormada uera real, la it también debería serlo. Sin embargo, en algunos casos, aparece una parte imaginaria residual muy pequeña, que puede ocasionar problemas en la representación o la reproducción, en el caso de audio, de las señales. Por eso es necesario asegurarse de que la señal no tiene parte imaginaria, utilizando la unción real(. A menudo se le pedirá que calcule la energía o la potencia de una señal. Para calcular la energía se utilizará una aproimación similar a la empleada para la F N ( t dt ( n n Y para el cálculo de la potencia media N S INRVALO (la potencia total, considerando todo el eje temporal es nula, por ser la señal de duración ininita y energía inita se podría calcular a partir de la energía en el intervalo en el que se ha deinido la señal en Matlab, según ( P A veces no se dispone de la señal, sino de su espectro (su F calculada según se ha indicado. La relación de Parseval nos permite calcularlo directamente a partir del espectro, sin realizar la transormada inversa. sta relación se puede aproimar para el caso de las señales en Matlab por s s ( t dt ( d ( n Δ Δ n N n N n F N F N N n Fs n, N donde d se ha aproimado por el paso en el vector de recuencias correspondiente Fs/N/.
3 Por ejemplo, para calcular la energía de una señal emplearíamos: sum((abs(.^*inct; % n el tiempo sum((abs(.^/; % n recuencia, o bien sum((abs(.^*(fs/n; Señales de tipo potencia n general, consideraremos que las señales son de duración ininita (energía ininita y potencia limitada. Aunque en Matlab las señales han de ser de duración inita, consideraremos que la señales bajo estudio son ininitas pero periodicas de período (no tiene por qué ser el período principal, por lo que nos permitiremos considerar tan solo un período de la misma. Para el cálculo del espectro se utiliza, en lugar de la transormada, el desarrollo en serie de Fourier. Para señales de tipo potencia PRIÓDICAS, se utiliza esta representación, ya que su módulo al cuadrado tiene un sentido ísico, que es la densidad espectral de potencia, que se deine a partir de la autocorrelación temporal de la señal original, y que guarda relación con los coeicientes del desarrollo en serie de Fourier según: S a δ ( ( Si la señal se ha muestreado a la recuencia de Nyquist, s, tomándose N puntos, de orma que cumpla que s N N se obtendrán N coeicientes del desarrollo, distribuidos entre y (correspondiendo a N las recuencias s y s, obteniéndose N / ( S a δ ( Δ, donde N / Δ Por tanto, para el cálculo de la potencia de la señal, nos basta con tener el vector que contenga los coeicientes a. Los coeicientes se pueden obtener a partir de la unción t de Matlab utilizando la siguiente relación con la transormada de Fourier, ya que (t se considera periódica: a jπ Δ t ( t e dt ( ( Por lo tanto, se obtiene que las epresiones son las mismas que en el caso anterior salvo por un actor de escala (divisor en la ransormada directa, y multiplicador en la inversa. s importante destacar que la señal debe ser periódica para que la epresión sea correcta, entrando un número entero de periodos en el intervalo. Por lo tanto, para el cálculo de los coeicientes del desarrollo de Fourier en MALAB, utilice ainct/*t( (/N*t(, donde N/inct*s son el número de muestras de un periodo (no necesariamente el undamental de la señal ( nτ, y es un vector que contiene esos valores. Para recuperar la señal en el dominio temporal se hará uso de la epresión /inct*it(an*it(a si es periódica, que arrojará una señal discreta (una aproimación a las muestras a de la señal temporal. s Observe que los a se representan respecto a índices, mientras que lo que interesará en general es representarlo en unción de la recuencia. Por lo tanto.
4 N / N / a δ ( Δ (.. Señales no periódicas n caso de trabajar con señales no periódicas, estrictamente, no eiste el desarrollo en serie de Fourier. Sin embargo se puede seguir utilizando (/ en Matlab desde el punto de vista práctico como una aproimación. 3 Representación de señales en las prácticas de eoría de la comunicación n las prácticas se trabajará undamentalmente con señales sinusoidales las cuales, obviamente, son de potencia ininita. Si se aplica la transormada de Fourier se obtendrán deltas de una amplitud no ija y dependiente del intervalo temporal considerado. Recuerde que una delta tiene amplitud ininita y es ininitamente estrecha, así que en Matlab es imposible representarla. Lo único que se conserva es el área que encierra que es la unidad, ya que, por deinición δ ( d Por comodidad, se representará (/ en lugar de (. Por ejemplo, consideremos la señal t cos π t (.5δ +.5δ + ( (, y su transormada de Fourier será ( ( La igura representa la transormada utilizando 5 (arriba y 5 (abajo. Como se puede observar, la amplitud es distinta, aunque el área encerrada sigue siendo la esperada (.5amplitud Δ Sin embargo, si se divide la transormada de Fourier respecto a se obtiene directamente el valor que multiplica a la delta (a la derecha, independientemente de los parámetros y s utilizados para representarla..5 ( con 5, Δ..5 (/ con 5, Δ..4 (.5 (/ ( con 5, Δ..5 (/ con 5, Δ..4 ( 5 (/ Si además, la señal es periódica, los valores de (/ coinciden estrictamente con los coeicientes a del desarrollo en serie de Fourier. Si no lo es, no eiste estrictamente el desarrollo en serie de Fourier, pero se puede seguir utilizando (/ desde el punto de vista práctico.
5 4 Resumen n las prácticas de eoría de la comunicación se utilizarán las siguientes herramientas para calcular y representar los espectros de las señales: - Señales: se utilizará la representación (/, tanto si son periódicas como si no lo son. - Funciones de transerencia: se representarán utilizando la transormada de Fourier H(. Las siguientes tablas muestran un resumen del código a utilizar. Plantilla básica Fs...; inct /Fs;...; % *Fs muestras N Fs*; % /inct; t [:/Fs:-/Fs]; % iempo muestreado para los segundos [, [-Fs/:Fs/N:Fs/ Fs/N]; % Frecuencia [-Fs/,Fs/ nergía en el tiempo sum((abs(.^*inct ipo de señal nergía (energía inita Potencia (potencia inita ipo de espectro Densidad de energía ( G ( Densidad de potencia ( (sólo señales periódicas S a δ ( Herramienta matemática Señal spectro spectro Señal nergía Potencia ( (ransormada de Fourier tshit(inct*t( real((/inct*it( itshit( sum((abs(.^*fs/n sum((abs(.^/ (considerando -<t< n el intervalo t<, donde está deinida la potencia media es P/ (/ (Normalizamos la ( respecto a Para señales periódicas (/a (desarrollo en serie de Fourier. a/ real( (/inct*it( itshit(a* Ininita (considerando -<t< n el intervalo t<, P sum((abs(a.^
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