Harmonická analýza


       V elektrotechnike a najmä v elektronike sa stretávame so signálmi najrôznejších priebehov. Môžu to byť signály sínusového a), pravouhlého b), impulzného c), pílovitého d), trojuholníkovitého e), schodovitého f)  priebehu, ale aj signály s nie presne definovaných priebehov a tvarov g).

Priebehy signálov

       So signálmi pravouhlého a impulzného priebehu sa najčastejšie stretávame v číslicovej technike, so signálmi pílovitého, trojuholníkovitého a schodovitého priebehu sa stretávame v automatizačnej a regulačnej technike. V analógovej technike sa zasa stretávame najčastejšie so signálmi sínusového tvaru a so signálmi s nie presne definovaným priebehom, ale môžeme sa za určitých okolností stretnúť aj s priebehmi blízkymi priebehom b)f), ktorých prítomnosť v nízkofrekvenčnej a vysokofrekvenčnej analógovej technike je vo väčšine prípadov nežiadúca.

Všimnime si teraz niekoľko príkladov z praxe, aký má vplyv prítomnosť signálov rôznych priebehov na správanie sa niektorých elektronických zariadení.

  -

Pripojme na stredotónový reproduktor generátor so signálom sínusového priebehu s frekvenciou 50 Hz. Zvuk z reproduktora bude hlboký, nevýrazný a slabý. Ak teraz pripojíme na reproduktor signál pravouhlého priebehu s frekvenciou 50 Hz, zvuk bude výraznejší, hlasný a piskľavý.
       Prečo pravouhlý signál z reproduktora vyvolá výrazne silnejší vnem, kým sínusový signál je počuť veľmi slabo ?

Reproduktor so signálom

-

Predstavme si, že máme selektívny zosilňovač naladený na frekvenciu napr. 9 kHz. Ak privedieme na vstup zosilňovača signál sínusového priebehu s frekvenciou 1 kHz, na výstupe zosilňovača sa neobjaví žiaden signál. Ak teraz privedieme na vstup zosilňovača signál pravouhlého priebehu s frekvenciou 1 kHz, na výstupe zosilňovača sa nám objaví signál sínusového priebehu s frekvenciou 9 kHz.
       Odkiaľ sa vzal na výstupe selektívneho zosilňovača signál s frekvenciou 9 kHz, ak na vstup sme privádzali vždy signál s frekvenciou 1 kHz ?

Selektívny zosilňovač 9 kHz

-

Predstavme si, že budeme zaznamenávať na magnetofónovú pásku alebo CD disk tón "komorné a1" ( je to tón o frekvencii 440 Hz, podľa ktorého zjednocujú ladenie svojich nástrojov hráči v orchestri pred koncertom, alebo skúškou a od ktorého sú odvodené frekvencie všetkých tónov používaných v hudbe v rovnomerne temperovanom ladení ), ktorý budú hrať tri rôzne nástroje - klavír, saxsofón a husle a vytvoríme tri samostatné záznamové stopy so zaznamenaným komorným a1. Záznam budeme robiť mikrofónom so selektívnym zosilňovačom naladeným na frekvenciu 440 Hz. Po prehratí všetkých troch zaznamenaných stôp zistíme, že všetky obsahujú signál sínusového priebehu s frekvenciou 440 Hz. Určiť, ktorú stopu sme robili ktorým nástroj, už nebudeme vedieť.
       Ako je to možné, že informácia o hudobnom nástroji sa v zaznamenanej stope stratila a ostali všade len sínusové signály s frekvenciou 440 Hz ?

Nahrávanie selektívnym zosilňovačom 440 Hz


       Nájsť odpovede na tieto otázky, ale aj na mnohé ďalšie, nám umožňuje matematická disciplína nazývaná "Harmonická analýza". Jej úloha je nájsť matematický popis signálov najrôznejších priebehov. Na základe matematického popisu by malo byť možné určiť fyzikálnu podstatu vzniku signálu daného priebehu a zároveň predvídať správanie sa obvodu, ktorým tento signál prechádza.

       Harmonická analýza vychádza zo skutočnosti, že periodické signály s priebehmi rôznych tvarov môžeme nahradiť veľkým množstvom sínusových a kosínusových ( harmonických ) priebehov s rôznymi frekvenciami a amplitúdami. Ich opätovným súčtom ( superpozíciou ) dostávame pôvodný signál ( ide o opačný proces analýzy, nazývaný syntéza.)  Tento rozklad a opätovné skladanie nie je možné urobiť so signálmi sínusového a kosínusového priebehu. Tie sú nedeliteľné !    Môžeme povedať, že harmonická analýza sa zaoberá prevodom periodických signálov z časovej oblasti do frekvenčnej oblasti a naopak.

       Jednotlivé zložky rozloženého signálu nazývame harmonické zložky.  Harmonickú zložku, ktorej frekvencia je rovnaká ako je frekvencia analyzovaného vstupného signálu, nazývame základná harmonická zložka  f0  ( zjednodušene "základná harmonická".)  Ďalšie zložky rozkladu s vyššími frekvenciami  n. f0  nazývame vyššie harmonické zložky ( zjednodušene "vyššie harmonické".)  Pre frekvencie vyšších harmonických zložiek platí, že ich frekvencie sú  celočíselným násobkom frekvencie základnej harmonickej zložky.

       Úlohou harmonickej analýzy je teda určiť frekvencie  fn  jednotlivých harmonických zložiek analyzovaného vstupného signálu, ich amplitúdy An  a fázové posuny  jn.


O tom ako sa to robí hovorí nasledujúca stať - Fourierová veta a Fourierový rozvoj.



!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu