Tese de Mestrado Ciencias da Fala e da Audição Jorge Humberto
Conceitos de Sinais e Sistemas Mestrado em Ciências da Fala e da Audição
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1AT 2004
Conceitos de Sinais e SistemasMestrado em Ciências da Fala e da Audição
António Teixeira
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2AT 2004
Aula 5• Sistemas
– propriedades
– sistemas lineares e invariantes no tempo
• Sistemas em MATLAB
• Resposta no tempo de sistemas
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3AT 2004
Sistemas
Os sinais, que estudamos até agora, são apenas metade da história...
ver capítulo 4 de Rosen & Howell
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4AT 2004
O que são sistemas• De uma forma simples:
– algo que executa uma operação ou transformaçãooperação ou transformação de um sinal de entrada para produzir um sinal de saída
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5AT 2004
Exemplos de sistemas• Amplificador
– ex: saída(t) = 2 x entrada(t)– Este sistema não tem memória: a saída em cada
instante só depende da entrada nesse instante
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6AT 2004
Exemplos de sistemas• Integrador
– Este sistema tem memória: a saída em cada instante depende da entrada nesse instante e do passado
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7AT 2004
Propriedades
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8AT 2004
Homogeneidade• Se ao sinal de entrada inp(t) corresponde out(t)
– representado por inp(t) out(t)
• entãok x inp(t) k x out(t)
• Se sabemos a saída de um sistema homogéneo a uma sinusóide de amplitude 1 V a 300 Hz também sabemos a resposta a uma sinusóide de 2 V e 300 Hz.– Basta multiplicar a saída do primeiro por 2
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9AT 2004
• A homogeneidade implica que a amplitude da saída tem de ser proporcional à da entrada.
entrada
saída
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10AT 2004
Exemplos • O sistema que converte a pressão no tímpano e o
movimento do ossículo “stapes” é homogéneo– Medições efectuadas em gatos, sinusóide de 315 Hz
• O movimento da membrana basilar em resposta a alterações de pressão já não é homogéneo
• Na zona de funcionamento normal o gravador de cassetes é linear– A níveis elevados de sinal uma sinusóide não é
posteriormente reproduzida como sinusóide, não existe homogeneidade
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11AT 2004
Aditividade
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12AT 2004
Aditividade• Se
inp1(t) out1(t)inp2(t) out2(t)
• Então inp1(t) + inp2(t) out1(t) + out2(t)
• Se um sistema é aditivo, conhecendo a saída para dois sinais também se conhece a saída para a soma de ambos, que é a soma das duas saídas
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13AT 2004
Linearidade• Linearidade = Homogeneidade + Aditividade
• inp1(t) out1(t)
• inp2(t) out2(t)
• então
a x inp1(t) + b x inp2(t) a x out1(t)+b x out2(t)
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14AT 2004
Invariância temporal• Dado
inp(t) out(t)
• Entãoinp(t) atrasado d segundos out(t) atrasado de d
segundos
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15AT 2004
• inp(t) out(t)
• inp(t-d) out(t-d)
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16AT 2004
Sistemas LTI• LTI = Linear Time Invariant
– sistemas e que se verifica simultaneamente as duas propriedades de linearidade e invariância temporal
– classe de sistemas para os quais existem ferramentas poderosas de análise
– Sistemas não lineares são muitas vezes aproximados por sistemas lineares
– Em certas zonas um sinal não invariante no tempo pode ser considerado como aproximadamente invariante no tempo
• Um exemplo é o sinal de voz que varia continuamente mas que numa escala da ordem das dezenas de milisegundos é considerado geralmente como invariante
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17AT 2004
Outras propriedades• Memória
– já vimos no integrador
• Estabilidade– Um sistema é estável se responde a um sinal
limitado em amplitude com um sinal limitado em amplitude.
• Invertibilidade
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18AT 2004
Sistemas em MATLAB - funções
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19AT 2004
Funções• Corresponde ao conceito de programa ou
subprograma com entradas/saídas definidas formalmente
• Uma função aceita argumentos de entrada e devolve argumentos na saída
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20AT 2004
Função como ficheiro “.m” • Um ficheiro “.m” onde se pretende definir uma
função deve obedecer à seguinte organização mínima– Linha de definição– 1ª linha informativa– Texto de help– Corpo da função– Comentários
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21AT 2004
Definição de funções• Linha de definição (caso mais simples)
function f = fibo(n)
Argumento de Entrada
Nome da Função
Argumento de Saída
Palavra Chave
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22AT 2004
Definição de funções• Linha de definição (caso geral)
function [y w z] = qqcoisa(x,u,v)
Argumentos de Entrada
Nome da Função
Argumentos de Saída
Palavra Chave
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23AT 2004
Documentação
Informação sinóptica para o “help”
1ª linha: Informação sumária. Utilizada pelo lookfor
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24AT 2004
Corpo da função
Corpo da função
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25AT 2004
Exemplos
Objectos privados da função.
Não existem no “workspace” genérico
Invocação deficiente
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26AT 2004
Nomes de funções• Os nomes de funções seguem as mesmas regras de
nomeação de variáveis.• Aceitam-se no máximo 31 caracteres incluindo “_”.
O primeiro caracter tem de ser uma letra.• O nome do ficheiro “.m” que contém a função deverá
ser gravado como “nome_da_função.m”Eg. function y = aveg(x)... => ficheiro aveg.m
• Caso assim não seja o nome interno é ignorado.• Esta prática é fortemente desaconselhada
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27AT 2004
Caracterização no tempo de sistemas
Da resposta impulsional à convolução
ver capítulo 9 de Rosen & Howell
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28AT 2004
Resposta a um impulso• Comecemos assumindo que se conhece a
resposta de um sistema (sistema Z) a um impulso rectangular de amplitude 3 mV e de duração 1 milisegundo– obtido experimentalmente ou dado por alguém
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29AT 2004
• Termos a resposta a um sinal em particular não parece levar-nos muito longe !
• Precisamos de uma forma eficiente de caracterizar a resposta de sistemas por forma a “prever” a sua saída para qualquer sinal
• Sendo o sistema LTI a situação não é assim tão má. Vejamos ...
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30AT 2004
Utilizando a homogeneidade• Com base na homogeneidade (decorrente da
linearidade) podemos saber a resposta a impulsos de qualquer amplitude
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31AT 2004
Usando a invariância temporal• Com base na invariância temporal podemos
saber a resposta a impulsos em qualquer posição temporal
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32AT 2004
Usando a aditividade• Conseguimos saber a saída para a soma dos
dois impulsos anteriores
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33AT 2004
• Podemos generalizar para a soma de um qualquer número de sinais de entrada
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34AT 2004
Problemas !• Infelizmente nem todos os sinais (nem mesmo
a maioria) pode ser perfeitamente aproximado por impulsos de 1/3 ms– por exemplo o sinal triangular seguinte
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35AT 2004
Resultado para a onda triangular
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36AT 2004
Melhorar o processo ..• Usar impulsos mais estreitos ...
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37AT 2004
Melhorar (II)• Ainda mais estreitos ...
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38AT 2004
Impulso de duração infinitesimal• Não existe razão para não
continuar o processo
• Chega-se a um impulso tão estreito que não tem duração !! Para ter energia terá de ser de amplitude imfinita !!
• Como não podemos variar a amplitude– já é infinita
• fala-se em variar a área , ou energia– que é o que aparece agora no
eixo dos yy
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39AT 2004
O impulso• A este sinal da largura/duração infinitesimal,
inifinito em amplitude e de energia finita chama-se IMPULSO– em Engª é conhecido por delta (de Dirac)
[n] para o caso discreto
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40AT 2004
Generalização a outros sinais• Qualquer sinal pode ser
representado como a soma de impulsos adequadamente alterados em termos de amplitude e de posição no tempo.
• Ex: um ciclo de uma sinosóide de 1 kHz
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41AT 2004
Convolução• Como qualquer sinal pode ser expresso como a soma
de impulsos, conhecendo a resposta de um sistema LTI a um impulso significa que podemos obter a saída para qualquer sinal.
• Portanto, os sistemas LTI são caracterizados completamente pela sua resposta impulsional
• Não se utiliza a técnica apresentada para obter a saída– como os impulsos são infinitesimais seria necessário um
número infinito deles para representar qualquer sinal– A FORMA DE CALCULAR passa pela utilização de uma
operação designada por CONVOLUÇÃO • Demo
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42AT 2004
TPC •
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43AT 2004
Aula 6• Convolução
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