Calcolo della convoluzione e sue proprietà
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La convoluzione (Sistemi LTI, risposta impulsiva e convoluzioneUn sistema lineare tempo-invariante (LTI) è completamente descritto dalla sua risposta impulsiva $h=\Sigma[\delta]$: l'uscita è la convoluzione $y=x*h$, cioè $y(t)=\int x(u)h(t-u)du$ (somma $\sum_k x(k)h(n-k)$ nel discreto). Il teorema discende da linearità e tempo-invarianza applicate alla scomposizione del segnale in impulsi.Sistemi LTI, risposta impulsiva e convoluzione →) è un'operazione da saper eseguire "a mano" su segnali semplici (rettangoli, esponenziali, sequenze finite) e da saper manipolare con le sue proprietà. In frequenza diventerà un semplice prodotto (Proprietà della trasformata di FourierCon le proprietà (linearità, simmetrie, ritardo $\leftrightarrow e^{-j\omega t_0}$, modulazione $\leftrightarrow$ traslazione in frequenza, scala, dualità, convoluzione $\leftrightarrow$ prodotto, Parseval $E=\frac1{2\pi}\int|X|^2$, derivata $\leftrightarrow j\omega$, moltiplicazione per $t\leftrightarrow j,d/d\omega$, integrazione) quasi tutte le trasformate si ottengono da poche coppie base senza integrare.Proprietà della trasformata di Fourier →), ma in molti esercizi il calcolo diretto è la via più veloce.
Supporto della convoluzione
Siano con supporto e con supporto . Nell'integrale il prodotto è non nullo solo quando e , cioè . Il risultato è non nullo solo se i due intervalli e si sovrappongono:
- inizio: il ribaltato , il cui lato destro è in , comincia a sovrapporsi a quando , cioè ;
- fine: l'ultima sovrapposizione è quando il lato sinistro del ribaltato raggiunge , cioè .
Le durate si sommano. Nel discreto, con su e su si ha supporto : due sequenze di e campioni danno campioni. Questa regola permette di sapere in anticipo dove l'uscita è non nulla, e di controllare il risultato.
Il metodo grafico a casi
Per :
- disegnare e in funzione di , scrivendo i supporti;
- ribaltare uno dei due (conviene quello con l'espressione più semplice), ottenendo ;
- traslarlo di ottenendo : il ribaltato scorre verso destra al crescere di ;
- distinguere i casi in base alla posizione relativa dei supporti: "ancora non si toccano" (risultato ), "si sovrappongono parzialmente", "uno è contenuto nell'altro", "non si toccano più" (risultato ). Il cambio di caso avviene quando un estremo di incontra un estremo di o un punto di discontinuità;
- per ogni caso scrivere l'integrale con gli estremi corretti (l'intervallo di sovrapposizione) e calcolarlo;
- controllare: continuità tra i casi (se i segnali sono limitati la convoluzione è continua) e supporto.
Esempi svolti
1. . Con (supporto ) il supporto della convoluzione è . Dato che in sovrapposizione il prodotto vale , è la lunghezza della sovrapposizione.
- o : nessuna sovrapposizione, .
- : copre , che si sovrappone a nell'intervallo , di lunghezza .
- : sovrapposizione , lunghezza .
Quindi (un triangolo di base 2 e altezza 1; l'area è ✓).
2. Due rettangoli di base diversa. e con . Il risultato è un trapezio: base maggiore , base minore , altezza (la sovrapposizione massima è la lunghezza del rettangolo più corto). Numericamente , : supporto , altezza per , rampe da a . L'area totale è (area del trapezio: ✓).
Grafico interattivo: Convoluzione rect(t/2) * rect(t): trapezio di base 3 (da −1,5 a 1,5), base minore 1 e altezza 1
3. Due esponenziali causali. , con . Supporto . Per è . Per la sovrapposizione è : Se l'integrale vale , quindi Per l'integrando vale e l'integrale è . Il caso è un limite di quello generale (derivata di rispetto a ): il fattore è tipico di un polo doppio. Si controlla con Laplace in Antitrasformata di Laplace di funzioni razionaliPer antitrasformare una funzione razionale $X(s)=b(s)/a(s)$ si porta in forma propria con la divisione tra polinomi (resto $\to$ $\delta$ e derivate), si scompone in fratti semplici con il metodo dei limiti (poli semplici), con i termini in $1/(s-p)^k$ (poli multipli) o con $\frac{A(s-\sigma)+B\omega}{(s-\sigma)^2+\omega^2}$ (coppie complesse), e si antitrasforma termine a termine scegliendo causale o anticausale secondo la ROC.Antitrasformata di Laplace di funzioni razionali →.
4. Esponenziale e rampa (tema d'esame giugno 2024). e . Per : Il primo integrale è . Per il secondo si integra per parti: . Quindi Verifica: in vale (continuità), e la derivata in è . Con Laplace: , e dà ✓.
5. Un rettangolo e un esponenziale (esempio con un caso in più). e , che vale su . Supporto del risultato: . Per : .
- : sovrapposizione (il ribaltato vive per ): .
- : sovrapposizione : .
I due rami coincidono in : ✓. Il segnale cresce finché dura il rettangolo e poi decade con la costante di tempo dell'esponenziale: è la risposta di un filtro RC a un impulso di tensione.
Grafico interattivo: Metodo grafico per t = 1: x(u) = rect((u − 1)/2) (1 su (0, 2)) e h(1 − u) = e^(−(1−u)) per u < 1 (la risposta impulsiva ribaltata e traslata); l'area colorata, dove i due si sovrappongono (u tra 0 e 1), vale 1 − e^(−1) ≈ 0,63
Grafico interattivo: Risposta di e^{−t}u(t) all'ingresso rect((t−1)/2) (1 su (0,2)): sale come 1−e^{−t} fino a t = 2, poi decade come e^{−t}(e²−1)
6. Sinusoide ed esponenziale. e , . Per linearità si convolve ogni termine. Con : . Con la formula di Eulero si trova . La costante dà . Quindi . È il caso "a regime": l'uscita contiene solo costante e sinusoide alla stessa frequenza, con ampiezza e fase modificate (si ritroverà in Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidaleGli esponenziali complessi $e^{j\omega t}$ sono autofunzioni dei sistemi LTI stabili: escono moltiplicati per la risposta in frequenza $H(\omega)=\int h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau$. Per un sistema reale, $A\cos(\omega_0t+\varphi)$ esce come $A|H(\omega_0)|\cos(\omega_0t+\varphi+\arg H(\omega_0))$: la frequenza non cambia, cambiano ampiezza e fase.Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale →).
7. Caso discreto. per (e per ): è la somma corrente di un esponenziale, tende a (l'area di ). I primi valori sono
Proprietà
Per segnali per cui le convoluzioni esistono:
| Proprietà | Enunciato |
|---|---|
| linearità | |
| commutatività | (cambio di variabile ) |
| associatività | |
| elemento neutro | |
| traslazione | se e allora |
| area | |
| durata | |
| derivata | |
| gradino |
Dimostrazione della regola dell'area. ; scambiando l'ordine di integrazione e ponendo : . È un modo rapidissimo di controllare un risultato: per l'esempio 2, area ; per l'esempio 4 non vale (le aree sono infinite).
Conseguenze utili. Per la traslazione, convolvere segnali già traslati somma i ritardi: , cioè ritardo di . Per la commutatività si può sempre scegliere quale dei due segnali ribaltare. Con la regola del neutro, : convolvere con una somma di impulsi dà una somma di copie traslate: per esempio .
Convoluzione con segnali periodici
- Aperiodico periodico. Se ha periodo e è assolutamente integrabile, è periodico di periodo : . Nel discreto: aperiodico periodico di periodo dà periodico di periodo . Ed è proprio la situazione di un sistema LTI stabile con ingresso periodico (Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodicoLe proprietà della serie di Fourier (linearità, ribaltamento, coniugio, ritardo $\to$ fattore $e^{-jk\omega_0t_1}$, modulazione $\to$ traslazione dei coefficienti, derivata $\to$ fattore $jk\omega_0$, Parseval $P=\sum|a_k|^2$, convoluzione periodica $\to$ prodotto) permettono di calcolare i coefficienti senza integrare. Un LTI stabile con ingresso periodico produce uscita periodica con coefficienti $b_k=H(k\omega_0)a_k$.Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodico →).
- Periodico periodico (stesso periodo): l'integrale su diverge. Si usa la convoluzione periodica, con l'integrale limitato a un periodo, . Ha le stesse proprietà, ma l'elemento neutro è il pettine (non la ). Nel discreto è la convoluzione circolare (Trasformata di Fourier discreta (TFD)La TFD è la serie di Fourier dei segnali discreti periodici di periodo $N$: servono solo $N$ armoniche, $X(k)=\frac1N\sum_{n=0}^{N-1}x(n)e^{-j2\pi kn/N}$ e $x(n)=\sum_{k=0}^{N-1}X(k)e^{j2\pi kn/N}$. È un prodotto matrice-vettore in $\mathbb{C}^N$ (la matrice di Fourier); la convoluzione circolare diventa prodotto, $N X(k)Y(k)$. La FFT la calcola in $O(N\log N)$.Trasformata di Fourier discreta (TFD) →).
Errori comuni
- Dimenticare di individuare tutti i casi (scambiare i due segnali non cambia il risultato, ma può semplificare i conti);
- Usare gli estremi di integrazione sbagliati: il ribaltato è non nullo per ;
- Non verificare la continuità tra i rami e il supporto;
- Applicare la regola dell'area quando le aree sono infinite.
Versione ripasso
Supporto. Se ha supporto e ha supporto :
- Le durate si sommano. Nel discreto due sequenze di e campioni danno campioni.
- Il ribaltato è non nullo per : serve per impostare gli estremi.
Metodo grafico a casi. Ribaltare un segnale (conviene quello più semplice), traslarlo di , distinguere le posizioni relative dei supporti (nessuna sovrapposizione, parziale, totale), scrivere l'integrale sull'intervallo di sovrapposizione e controllare la continuità tra i casi.
Esempi svolti
- : per la sovrapposizione ha lunghezza , per ha lunghezza . Quindi , con area .
- con : trapezio di base maggiore , base minore , altezza . Con , l'area è .
- per ; per vale (polo doppio).
- (tema giugno 2024). Verifica: in vale , la derivata è , e con Laplace .
- : vale per e per ; i due rami coincidono in .
- Costante più coseno: a regime (Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidaleGli esponenziali complessi $e^{j\omega t}$ sono autofunzioni dei sistemi LTI stabili: escono moltiplicati per la risposta in frequenza $H(\omega)=\int h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau$. Per un sistema reale, $A\cos(\omega_0t+\varphi)$ esce come $A|H(\omega_0)|\cos(\omega_0t+\varphi+\arg H(\omega_0))$: la frequenza non cambia, cambiano ampiezza e fase.Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale →).
- Discreto: per ; primi valori .
Proprietà. Linearità; commutatività (); associatività; ; traslazioni che si sommano; (si scambiano gli integrali e si pone ); ; .
- Convolvere con dà : una somma di copie traslate.
Periodici. Aperiodico periodico di periodo è periodico di periodo , se l'aperiodico è assolutamente integrabile (Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodicoLe proprietà della serie di Fourier (linearità, ribaltamento, coniugio, ritardo $\to$ fattore $e^{-jk\omega_0t_1}$, modulazione $\to$ traslazione dei coefficienti, derivata $\to$ fattore $jk\omega_0$, Parseval $P=\sum|a_k|^2$, convoluzione periodica $\to$ prodotto) permettono di calcolare i coefficienti senza integrare. Un LTI stabile con ingresso periodico produce uscita periodica con coefficienti $b_k=H(k\omega_0)a_k$.Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodico →). Periodico periodico con lo stesso periodo: si usa la convoluzione periodica (integrale su un periodo), con neutro . Nel discreto è la convoluzione circolare (Trasformata di Fourier discreta (TFD)La TFD è la serie di Fourier dei segnali discreti periodici di periodo $N$: servono solo $N$ armoniche, $X(k)=\frac1N\sum_{n=0}^{N-1}x(n)e^{-j2\pi kn/N}$ e $x(n)=\sum_{k=0}^{N-1}X(k)e^{j2\pi kn/N}$. È un prodotto matrice-vettore in $\mathbb{C}^N$ (la matrice di Fourier); la convoluzione circolare diventa prodotto, $N X(k)Y(k)$. La FFT la calcola in $O(N\log N)$.Trasformata di Fourier discreta (TFD) →).
Errori tipici
- Dimenticare un caso o sbagliare gli estremi del ribaltato.
- Non controllare continuità e supporto del risultato.
- Applicare la regola dell'area quando le aree sono infinite (es. ).
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 12 · somma di due geometriche indipendenti
- Esercizio - segnalazione binaria su canale con eco, periodo di simbolo minimo e probabilità d'errore (esercizi del corso, cap. 3, es. 37)
- Esercizio - Convoluzione 2D a mano
- Esercizio 1 · quale sistema è LTI, risposta impulsiva e uscita con ingresso rettangolare (tema d'esame aprile 2024)
- Esercizio 3 · convoluzione di esponenziale e rampa, stabilità e uscita sinusoidale (tema d'esame giugno 2024)
- Esercizio 5 · finestra rettangolare discreta e derivata in frequenza della TFtd (tema d'esame giugno 2024)
- Esercizio 9 · filtro y(n) = x(n) - x(n-2) e ingresso a durata finita (tema d'esame febbraio 2026)
- Esercizio 15 · trasformata di sinc e sinc quadro, energia e convoluzione (tema d'esame giugno 2023)
- Esercizio 16 · trasformata di segnali triangolari e prodotto con una finestra (tema d'esame febbraio 2025)
Teoria collegata
- Polinomi - rappresentazione per coefficienti e per valori e convoluzione
- Distribuzione gaussiana (normale)
- Funzione caratteristica
- Funzione generatrice dei momenti
- Somma di variabili aleatorie indipendenti
- Teorema del limite centrale e approssimazione normale
- Reti neurali convolutive (CNN)
- Proprietà della trasformata di Fourier
- Segnali e sistemi in Python - campioni, convoluzione e filtri
- Serie di Fourier - proprietà e sistemi LTI in regime periodico
- Sistemi LTI, risposta impulsiva e convoluzione
- Teorema del campionamento, interpolazione e aliasing
- Trasformata di Fourier di segnali periodici e generalizzati
- Trasformata di Fourier discreta (TFD)
- Potenza elettrica, impedenza e adattamento di carico
- Convoluzione