Nella lezione precedente ci siamo occupati di definire e calcolare la potenza di un segnale. In questa lezione applicheremo il concetto al caso dei segnali periodici.
Calcolare la potenza di segnali periodici, infatti, risulta più semplice in quanto è sufficiente integrare il quadrato del valore assoluto di un segnale esclusivamente per un suo periodo e dividerlo per esso.
In questa lezione vedremo come si ricava la formula per il calcolo della potenza di segnali periodici. Partiremo dal caso semplice di segnali sinusoidali, poi studieremo il caso della combinazione lineare di segnali sinusoidali per poi passare al caso generale di segnali periodici generici.
Infine introdurremo il concetto di Valore efficace.
Concetti Chiave
La potenza di un segnale sinusoidale è pari alla sua ampiezza al quadrato fratto 2: ;
La potenza della somma di più segnali sinusoidali è data dalla somma delle singole potenze;
Per un segnale periodico generico la potenza è data dall'integrale del suo valore assoluto al quadrato effettuato su di un singolo periodo fratto il periodo stesso;
In generale la potenza di una combinazione lineare di più segnali periodici generici non è pari alla somma delle singole potenze.
Potenza di un Segnale Sinusoidale
Proviamo ad analizzare l'Energia e la Potenza di un semplice segnale sinusoidale:
La prima cosa da notare è che questo segnale ha Energia Infinita, infatti l'integrale dell'energia non converge:
Inoltre, una qualsiasi funzione reale elevata al quadrato è simmetrica rispetto all'asse delle y, motivo per cui possiamo calcolare l'integrale partendo da 0 e moltiplicando il risultato per 2:
Sappiamo che questo segnale è periodico di periodo:
T_0 = \frac{2\pi}{\omega}
Introduciamo una nuova variabile intera N che indica il numero di periodi su cui integrare. Per cui, al posto di far tendere la durata dell'intervallo all'infinito, facciamo tendere all'infinito il numero di periodi su cui andiamo ad integrare:
P = \lim_{N \rightarrow +\infty} \frac{1}{NT_0} \cdot \int_{0}^{N \cdot T_0} A^2 \cdot \cos^2(\omega \cdot t + \phi_0) dt
Ma poichè l'integrale svolto su ogni periodo è sempre uguale, possiamo riscrivere l'integrale come:
Dunque, un segnale sinusoidale è un Segnale di Potenza, in quanto l'integrale della potenza converge.
Possiamo affermare che:
Definizione
Potenza di un Segnale Sinusoidale
Dato un segnale sinusoidale con frequenza f = \frac{\omega}{2 \cdot \pi}, ampiezza A e fase iniziale \phi_0 qualsiasi:
x(t) = A \cdot \cos(\omega \cdot t + \phi_0)
La Potenza del segnale è pari alla sua ampiezza al quadrato fratto 2:
\begin{equation}
\label{eq:sinusoidal_power}
P = \frac{A^2}{2}
\end{equation}
Esempio: Potenza di un segnale sinusoidale
Proviamo a calcolare la potenza del segnale seguente:
x(t) = 3 \cdot \sin(4 \cdot \pi \cdot t)
In questo caso abbiamo la funzione seno anzichè coseno. Tuttavia, il seno può essere visto come un coseno sfasato di 90°, per cui possiamo riscrivere il segnale come:
In ogni caso, la potenza di questo segnale è indipendente dalla frequenza e dalla sua fase iniziale e applicando la formula \ref{eq:sinusoidal_power} otteniamo:
P_x = \frac{A^2}{2} = \frac{9}{2}
Potenza di una somma di sinusoidi
Proviamo, ora, a calcolare la potenza di una somma di sinusoidi o meglio di una combinazione lineare di sinusoidi.
Supponiamo di voler calcolare la potenza del seguente segnale:
w(t) = A_1 \cdot \cos(2\pi f_1 t + \phi_1) + A_2 \cdot \cos(2\pi f_2 t + \phi_2)
Le due sinusoidi hanno ampiezze, frequenze e fasi differenti:
Concentriamoci un attimo sulla somma all'interno dell'integrale. Possiamo riscriverla in questo modo:
\left[ A_1 \cdot \cos(2\pi f_1 t + \phi_1) + A_2 \cdot \cos(2\pi f_2 t + \phi_2) \right]^2
\begin{array}{l}
A_1^2 \cdot \cos^2(2\pi f_1 t + \phi_1) + \nonumber \\
A_2^2 \cdot \cos^2(2\pi f_2 t + \phi_2) + \nonumber \\
A_1 \cdot A_2 \cdot \cos(2\pi f_1 t + \phi_1) \cdot \cos(2\pi f_2 t + \phi_2) \nonumber
\end{array}
Quindi l'integrando è dato dalla somma di tre contributi. Dato che l'operazione di limite e quella di integrale sono lineari, ossia il limite di una somma è dato dalla somma dei limiti così come l'integrale di una somma è dato dalla somma degli integrali, possiamo riscrivere la potenza come la somma che segue:
\begin{align}
P_w = & \lim_{T \rightarrow \infty} \frac{1}{T} \int_{0}^{T} A_1^2 \cdot \cos^2(2\pi f_1 t + \phi_1) dt \, + \nonumber\\
& + \lim_{T \rightarrow \infty} \frac{1}{T} \int_{0}^{T} A_2^2 \cdot \cos^2(2\pi f_2 t + \phi_2) dt \, + \nonumber\\
& \lim_{T \rightarrow \infty} \frac{1}{T} \int_{0}^{T} A_1 \cdot A_2 \cdot \cos(2\pi f_1 t + \phi_1) \cdot \cos(2\pi f_2 t + \phi_2) dt \nonumber
\end{align}
Nella somma i primi due termini sono equivalenti alle potenze dei singoli segnali sinusoidali, per cui possiamo riscrivere il tutto come:
In pratica, nei due integrali abbiamo due sinusoidi. La prima ha frequenza f_1 + f_2 mentre la second ha frequenza f_1 - f_2. Per cui possiamo riscrivere il tutto come:
A questo punto, come abbiamo fatto in precedenza, al posto di far tendere l'intervallo di integrazione T all'infinito, possiamo introdurre una variabile intera N che indica il numero di periodi su cui integrare e farla tendere all'infinito. Per cui possiamo riscrivere il tutto in questo modo:
Quindi un'onda a dente di sega positiva è un Segnale di Potenza e la sua potenza vale \frac{1}{3}.
Valore Efficace di un Segnale
Un utile concetto spesso usato in ingegneria e nella teoria dei segnali è quello del Valore efficace.
Dato un segnale di potenza x(t), il suo valore efficace, chiamato anche Root Mean Square in inglese (abbreviato come RMS) si definisce come:
x_{RMS} = \sqrt{P_x}
Tale valore può essere interpretato come quel valore che deve possedere un segnale continuo affinché possegga la stessa potenza del segnale in questione.
Definizione
Valore Efficace o Root Mean Square (RMS)
Il valore efficace di un segnale di potenza x(t) è definito come:
x_{RMS} = \sqrt{P_x}
Un segnale di energia ha valore efficace pari a zero.
Ad esempio, nel caso di un segnale sinusoidale:
x(t) = A \cdot \cos(2 \pi f t + \phi)
Abbiamo che la potenza vale:
P_x = \frac{A^2}{2}
per cui il valore efficace è pari a:
x_{RMS} = \frac{A}{\sqrt{2}}
A volte, nel caso sinusoidale, si approssima tale valore a:
x_{RMS} \approx 0.707 \cdot A
ossia circa il 70\% dell'ampiezza del segnale sinusoidale.
In sintesi
Questa lezione è fondamentale nello studio dei segnali. Abbiamo visto la potenza dei segnali sinusoidali e come la potenza di una combinazione lineare di più sinusoidi possa essere calcolata.
In particolare, nel caso di segnali sinusoidali la potenza è indipendente da frequenza e fase iniziale ed è pari a \frac{A^2}{2}, ossia dipende solo dall'ampiezza.
Sommando più segnali sinusoidali otteniamo che la potenza è data dalla somma delle singole potenze. Cosa che invece non è vera per segnali periodici generici.
Abbiamo ricavato la formula più semplice per calcolare la potenza di un generico segnale periodico.
Infine abbiamo visto il concetto di Valore Efficace, ossia quel valore che un segnale continuo deve possedere per avere la stessa potenza di un segnale periodico.