Прямоугольный сигнал
Принцип неопределенности для сигнала
Рассмотрим спектры некоторых сигналов.
Определим аналитически прямоугольный импульс следующим образом:
где А – амплитуда импульса;
t - длительность импульса (рисунок 16).
Рисунок 5 – Прямоугольный импульс
По общей формуле прямого интегрального преобразования Фурье (5) для спектра прямоугольного импульса получим:
, (6)
где - площадь импульса.
Для построения графика спектра (рисунок 6) рассмотрим несколько частных случаев:
1) при , в силу свойства предела ;
2) нули функции определятся из условия:
,
откуда
;
3) при
Рисунок 7 – Спектр прямоугольного импульса
Рассмотрим произведение где длительность импульса, ширина спектра (f - циклическая частота). Длительность прямоугольного импульса определена и равна . Что же касается спектра, то он безграничен, хотя спектральная плотность убывает с ростом частоты.
Будем считать (произвольно), что верхней границей спектра, определяющей его ширину, является частота, при которой спектральная функция первый раз обращается в нуль, то есть . Ширина спектра равна разности частот:
,
откуда .
Таким образом, произведение ширины спектра прямоугольного импульса на его длительность есть величина постоянная, равная единице.
Дельта–функция
Аналитически дельта–функция определяется в виде:
Осуществить переход от прямоугольного импульса к дельта–функции возможно при выполнении следующих условий:
.
Действительно, при амплитуда импульса А будет стремиться к бесконечности, однако его площадь, согласно свойству дельта–функции (1), останется величиной постоянной:
.
Спектр дельта–функции, в соответствии с (28), равен:
,
то есть дельта–функция имеет равномерный единичный спектр на всех частотах (рисунок 8). Такой спектр по аналогии с белым светом называют «белым».
Рисунок 8 – Белый спектр
Интересно проследить деформацию спектра прямоугольного импульса при уменьшении его длительности. При спектральная функция становится все более пологой и в пределе стремится к единичному значению (рисунок 9).
Рисунок 9 – Деформация спектра
Найдем для дельта–функции произведение . Длительность ее известна и стремится к нулю. Наибольшей будем считать частоту, при которой , то есть:
,
откуда . Естественно, что при .
В результате . Вновь получили константу, несмотря на то, что спектр по частоте безграничен.