EECE 491 Lecture 5, Spring 2016

American University of Beirut · Discrete-time Signal Processing · 47 pages

All EECE 491 files
EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 1

Stuck on a question? A tutor can walk you through it.

EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 2 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 3 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 4 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 5 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 6 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 7 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 8 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 9 EECE 491 Lecture 5, Spring 2016, page 10

Showing the first 10 of 47 pages. Download the PDF to see all of it.

More EECE 491 files

Show the text of this lab
Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 1 EECE 491: Discrete‐time Signal Processing Mohammad M. Mansour Dept. of Electrical and Compute Engineering American University of Beirut Lecture 5: Frequency Domain Analysis of LTI Systems Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 2 Announcements  Reading – Chapters 4 and 5, Proakis Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 3 Outline  Part I: Frequency analysis of signals  Part II: Frequency analysis of LTI systems  Part III: LTI Systems as Frequency Selective Filters Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 4 Part I: Frequency analysis of signals Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 5 Frequency‐Domain and Time‐Domain Signal Properties  Continuous‐time – Fourier Series for periodic signals – Fourier Transform for aperiodic signals  Discrete‐time – Fourier Series for periodic signals – Fourier Transform for aperiodic signals Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 6 Frequency Analysis: Analogy to Analysis of White Light Spectrum Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 7 Fourier Representations of Signals Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 8 I ‐ Fourier Series for Continuous‐Time Periodic Signals  continuous‐time, finite/periodic on with period  Fourier coefficients ck: complex valued in general – If x(t) even, ck’s are real  Power density spectrum:     2 0 2 0 1 j kF t k k j kF t k p T p x t c e c x t e dt T            2 2 1 x k k p Tp P x t c T       Power exists only at discrete frequencies (line spectrum) Line spacing = Reciprocal of period Power signal (Parseval’s theorem for power signals)   kc X k  Sometimes we use notation   x t  ,    0 1/ Tp F  Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 9 Example 1  Determine Fourier Series and power density spectrum of 0 0 0 1 sin , 1, 2, p T p p k p A c Adt T T kF A c k T kF               Pulse width � Period �� Samples of this plot at � � ����� Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 10 Example 1 (cont’d) 2 2 2 2 2 0 0 0 sin , 1, 2, k p p kF A A c c k T T kF                                   �� fixed; pulse width � varies Fixed pulse width � ; period �� varies ��� � �. � ���� � � ��� � �. � ����� � � ��� � �. �� ����� � � Time bet samples �/�� fixed Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 11 II ‐ Fourier Transform for Continuous Time Aperiodic Signals  x(t): continuous‐time, aperiodic with finite duration on [‐Tp/2, +Tp/2]  Energy:         2 2 j Ft j Ft x t X F e dF X F x t e dt                x t X F          2 1 2 j t j t F x t X e d X x t e dt                   Energy signal     2 2 Ex x t dt X F dF         Parseval’s theorem for aperiodic finite energy signals   2 Sxx  X F Energy density spectrum (spectrum) complex Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 12 Example 2 Rectangular pulse   /2 2 /2 sin j Ft X F A e dt F A F              2  Main lobe where most of the energy is Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 13 Example 2 (cont’d) Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 14 III ‐ Fourier Series for Discrete‐Time Periodic Signals  CT signal: periodic with period Tp – Frequency range extends from ‐ to . Can have infinite number of frequency components  DT signal: periodic with period N – Frequency range is ‐ to . Can have at most N frequency components separated by radians or f = 1/N cycles  Spectrum of a periodic signal x(n) with period N is a periodic sequence as well with a period N.  Power density spectrum:     1 2 / 0 1 2 / 0 1 N j kn N k k N j kn N k n x n c e c x n e N            periodic k N k c c      kc X k  Sometimes we use notation   1 1 2 2 0 0 1 N N x k n k P x n c N         2  / N Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 15 Example 3   cos 2 x n n  Spectrum of Real since x(n) even Spectrum of with period 4    x n  1,1,0,0 Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 16 Example 4  Find spectrum of the DT periodic square wave below       1 2 / 0 1 / 1 , 0,1, , 1 0, , sin / otherwise sin / L j kn N k n j k L N c Ae k N N AL k N N kL N A e N k N                        Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 17 IV‐ Fourier Transform of DT Aperiodic Signals (DTFT)  Frequency range of               is ‐ to .  is periodic  Energy:         2 1 2 j n j n n x n X e d X x n e                   2 2 1 2 x n E x n X d             Parseval’s theorem for aperiodic finite energy signals     2 Sxx X    Energy density spectrum   j X e  Sometimes written as   j X e    j X e  Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 18 Convergence of the Fourier Transform (DTFT)  Define the periodic version  converges uniformly to            as – That is for every w,  Uniform convergence is guaranteed if x(n) is absolutely summable:  However, some sequences are not absolutely summable, but are square summable, i.e., they have finite energy (weaker condition)     j n n X x n e            N j n N n N X x n e               if n j n n n x n X x n e x n                      2 x n E x n       XN      X  N       as XN X N      Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 19 Example 5  Consider important class of finite‐energy signals:  Its inverse FT is   1 0 c c X                0 sin 0 c c c n x n n n n               Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 20 Example 5 (cont’d)  Now determine the DTFT of  x(n) is not absolutely summable but is square summable (i.e. has finite energy). Hence the sequence below converges in the mean‐square sense  To illustrate this, define the finite sum   0 sin 0 c c c n x n n n n                 sin j n j n c n n n x n e e n                sin N j n c N n N n X e n         Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 21 Example 5 (cont’d): Gibbs Phenomenon   sin N j n c N n N n X e n         oscillatory overshoot at As � increases, oscillations become more rapid But size of ripple stays the same c    Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 22 Summary 1. CT signals have aperiodic spectra – Lack of periodicity due to the fact that the complex exponential               is a function of a continuous variable t, and hence not periodic in F. – Frequency range extends from �∞ to ∞ 2. DT signals have periodic spectra: Both the Fourier series and the Fourier transform are periodic with period 3. Periodic signals have discrete spectra – They are described by means of Fourier series – Coefficients provide “lines” that constitute the spectrum – Line spacing 4. Aperiodic energy signals have continuous spectra – Follows from the fact that            is a function of               and              is a function of          , which are continuous in the variables F and     . • Periodicity with “period” � in one domain implies discretization with “spacing” 1/� in the other domain • The converse is also true j2 Ft e  2    1/ or 1/ p f N F T       X F j2 Ft e    X  j n e   Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 23 Symmetry Properties of DTFT   real x n Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 24 Symmetry Properties of DTFT Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 25 Example 6  Draw the for the Fourier transform   1 , 1 j X ae                    , , , R I X X X X      Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 26 Example 7  Determine the DTFT of  Since x(‐n) = x(n) then X(w) is real. Obtain   0 elsewhere A M n M x n            1 sin 2 sin / 2 M X A            Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 27 Important Fourier Transform Theorems Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 28 The Concept of Bandwidth Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 29 Examples of Bandlimited Signals Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 30 Outline Part II: Frequency analysis of LTI systems Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 31 Response of LTI Systems to Complex Exponentials  LTI system:  Excite with an exponential of amplitude A and frequency w:  Response:  The function exists if system is BIBO stable (h(n) absolutely summable):  Hence the response is – Same frequency, but amplitude multiplied by H(w)       k y n h k x n k        j n, x n Ae n            j k j n k y n A h k e e                  j k k H h k e          k h k          j n y n AH  e     H  Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 32 Example 1  Find response of system h(n) to x(n):  Solution:  Input has frequency     1 2 n h n u n          j n/2, x n Ae n            1 1 1 2 j k j k H h k e e            26.6 1 2 1 2 5 1 2 j H e j                 26.6 /2 /2 26.6 2 5 2 , 5 j j n j n y n A e e Ae n                    / 2    Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 33 Example 2  Determine H(w) for the moving average filter:  Solution:         1 1 1 3 y n x n x n x n            1 1 1 , , 3 3 3 h n              1 1 1 1 2cos 3 3 j j H e e             1 1 2cos 3 H       0, 0 2 / 3 , 2 / 3                 even odd Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 34 Response to other Sinusoids         1 1 j j n j n x n Ae y n A H e  e                    2 2 j j n j n j j n x n Ae y n A H e e A H e e                                    1 2 1 2 1 cos 2 1 cos 2 x n x n x n A n y n y n y n A H n                                          1 2 1 2 1 sin 2 1 sin 2 x n x n x n A n j y n y n y n A H n                          Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 35 Example 3  Find response to this input:  Solution:   10 5sin 20cos , 2 x n n n n             1 1 1 2 j H e        1 @ 0: 0 2 1 1 2 H      26.6 2 @ 2 : 2 5 j H e                2 @ : 3 H        10 40 20 sin 26.6 cos , 2 3 5 y n n n n                   Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 36 Response to Aperiodic Signals  From convolution theorem:  Output of an LTI system cannot contain frequency components that are not contained in the input signal – An LTI system can only cause magnitude and phase distortion  The output response can be obtained as  Also       Y H X         2 1 2 j n y n Y e d                    2 2 2 2 yy xx Y H X S H S               2 2 2 1 2 1 2 y yy xx E S d H S d               Energy density spectrum Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 37 Example 4  Find response of system h(n) to x(n):  Solution:     1 2 n h n u n            1 4 n x n u n            1 1 1 2 j k j k H h k e e                  1 1 1 1 1 2 4 j j Y H X e e                       1 1 1 4 j X e            2 1 5 17 1 cos cos 4 16 2 yy xx S H S                   Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 38 Frequency Response of LTI Systems  For rational transfer functions, we have:       j n z e j n H H z h n e                 A z H z B z        0 1 0 1 1 1 1 1 M M j j k k k k k N N j k j k k k k z e b e H b a e p e                             1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 M M k k k k k N N k k k k k z z b z H z b a z p z                        B H A               * * * * * 1 1 0 0 * * * 1 1 1 1 1/ 1 1 M M k k k k N N k k k k z z z z H z b b p z p z                           * * * * * 1 1 0 0 * * 1 1 1/ 1 1 1 1 z e j M M j j k k k k N N j j k k k k H H z z e z e b b p e p e                         coefficients zeros poles Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 39 Frequency Response of LTI Systems  For real coefficients ak’s and bk’s (i.e., when h(n) is real): – Zeros (zk’s ) and poles (pk’s ) are either real or occur in complex conjugate pairs  Therefore, we have  This implies  We know that       2 * H H H         * * 1 1/ H z  H z and     H* H                   2 * 1 z e j H H H H H H z H z                         1 hh hh r l h l h l R z H z H z            2 Fourier Transform hh H r l    Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 40 Example 5  Determine for the system:  Solution: – ROC includes unit circle, hence exists           0.1 1 0.2 2 1 y n y n y n x n x n           1 1 2 1 , ROC: 0.5 1 0.1 0.2 z H z z z z                 1 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 0.1 0.2 1 0.1 0.2 2 1.05 0.08 0.2 z z H z H z z z z z z z z z z z                           2 2 2 1 cos 1.45 0.16cos 0.8cos H           2 H    H  Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 41 Computation of the Frequency Response Function  Express in polar form:             1 1 0 0 1 1 1 1 M M j j k k j N M k k N N j j k k k k z e e z H b b e p e e p                                j j k k k j j k k k e z V e e p U e             Evaluate H(w) at w  Evaluate H(z) at point L , j k e p      CL CA CL CA AL , j k e z      CL CB CL CB BL         j j k k k j j k k k e p U e e z V e               AL BL N  M Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 42 Computation of the Frequency Response Function  Phase interpretation: Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 43 Geometric Interpretation of Poles and Zeros  Assume a zero zk and a pole pk are on the unit circle  Presence of a zero close to unit circle causes               at frequencies that correspond to points on unit circle close to that point, to be small  Poles have opposite effect  Placing a pole close to a zero cancels effect of zero, and vice versa         j j k k k j j k k k e z V e e p U e                 , and consequently become zero k k At z V H          , becomes 0 and consequently becomes k k At p U H         H  Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 44 Example 6  Find the frequency response of:  Solution: H has – Zero at � � 0 – Pole at � � 0.8   1 1 0.8 1 0.8 z H z z z       0.8 j j e H e          1 1 1.64 1.6cos sin tan cos 0.8 H              Frequency closest to pole Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 45 Part III: LTI Systems as Frequency Selective Filters Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 46 Ideal Frequency Selective Discrete‐Time Filters Magnitude responses What about phase?       Y H X     Prof. M. Mansour EECE 491: Discrete‐time Signal Processing 47 Phase Response of Ideal Filters  An ideal filter has linear phase response. Why?  Assume a signal is passed through a filter with frequency response:  In general, linear phase  The derivative of            is called group delay: – Time delay that a signal component at frequency w undergoes as it passes through filter   0 1 2 0 elsewhere Ce j n H               C, n0 constants         0 1 2 j n , Y H X CX e                  0  y n Cx n n   Linear phase translates into delay This is tolerable and not considered distortion Phase: –wn0     g d d          n0         