Що саме є гармоніками і як вони «з’являються»?


29

Читаючи так багато джерел в Інтернеті, я все ще не можу зрозуміти, чому різні форми хвиль мають гармоніку.

Наприклад: при проектуванні схеми дурної амплітудної модуляції (АМ), яка подає квадратну хвилю від мікроконтролера до антени, як утворюються гармоніки? Сигнал просто "увімкнено" або "вимкнено", як існують перша, третя та п'ята гармоніки і чому вони слабшають?

Я чув, що осцилоскопи здатні вимірювати до п’ятої гармоніки квадратної хвилі (чи чогось подібного) важливо, але чому це зробить читання різним? Чи не відповідають цим гармонікам такі речі, як передача даних (високий = 1, низький = 0) і мають значення лише в таких ситуаціях, як аудіо чи радіочастота?

Чому у синусоїдальних хвиль не так багато гармонік? Тому що форма хвилі завжди рухається і не плоска, що йде вгору (трикутник) або горизонтальна (квадрат), а кругла зі значенням, що завжди змінюється?


2
У мене складається враження, що ви використовуєте "гармоніки" розмовно - порушення високої частоти. Гармоніки (частоти) пов'язані з визначенням розкладу ряду Фур'є - тож у вас виникнуть гармоніки, якщо ви розкладете квадратну хвилю на синусоїди. Теоретично ви могли б використовувати іншу ортонормальну основу - див. Коментар @ supercat нижче.
Шрідхар

Відповіді:


30

Синусоїдальні хвилі не мають гармонік, тому що саме синусоїдальні хвилі, які в поєднанні, можуть будувати інші форми хвиль. Фундаментальна хвиля - це синус, тому вам не потрібно нічого додавати, щоб зробити її синусоїдальним сигналом.

Про осцилоскоп. Багато сигналів мають велику кількість гармонік, деякі, як квадратна хвиля, теоретично нескінченні.

введіть тут опис зображення

Це часткова побудова квадратної хвилі. Синій синус, який показує 1 період, є основним. Потім є третя гармоніка (у квадратних хвиль немає навіть гармонік), фіолетова. Його амплітуда становить 1/3 основної, і ви можете бачити, що це втричі більша частота основи, оскільки вона показує 3 періоди. Те саме для п’ятої гармоніки (коричневого кольору). Амплітуда становить 1/5 основної і показує 5 періодів. Додавання цих дає зелену криву. Це ще не гарна квадратна хвиля, але ви вже бачите круті краї, і хвиляста горизонтальна лінія в кінцевому підсумку стане повністю горизонтальною, якщо ми додамо більше гармонік. Так ось ви побачите квадратну хвилю на області, якщо буде показано лише до п’ятої гармоніки. Це дійсно мінімум, для кращої реконструкції знадобиться більше гармонік.

Як і кожен несинусоїдальний сигнал, модульований сигнал AM створюватиме гармоніки. Фур'є довів, що кожен повторюваний сигнал може бути деконструйований на фундаментальну (таку ж частоту, що і форму хвилі), і гармоніки, які мають частоти, кратні основній. Це стосується навіть неповторних форм сигналів. Тож навіть якщо ви не бачите, як вони виглядали, аналіз завжди можливий.

введіть тут опис зображення

Це основний сигнал AM, а модульований сигнал є добутком сигналу несучої та базової смуги. Тепер

сiн(fС)сiн(fМ)=cос(fС-fМ)-cос(fС+fМ)2

Таким чином, ви бачите, що навіть добуток синусів можна виразити як суму синусів, це обидва косинуси (гармоніки можуть зміщувати свою фазу, в даному випадку на 90 °). Частоти і - це бічні смуги зліва та справа від несучої частоти .(fС-fМ)(fС+fМ)fС

введіть тут опис зображення

Навіть якщо ваш сигнал базової смуги є більш складним виглядом сигналом, ви можете розбити модульований сигнал на окремі синуси.


9
@JohnQuinn, У реальному житті квадратна хвиля складається зі спектрального вмісту, як показано. Здійснення миттєвого переходу сигналу з 0 В на 5 В вимагає нескінченної кількості енергії, насправді існує деякий час підйому до квадратної хвилі, і це визначає необхідну кількість спектрального вмісту. Високошвидкісні цифрові сигнали можуть бути дияволом для небажаної радіаційної передачі, якщо це дозволено, оскільки час швидкого підйому означає, що ви керуєте деякими дуже високими частотами.
Кортук

2
@JohnQuinn, Будь-який сигнал, який існує, може складатися з грехових хвиль, саме так ми дивимось, який спектральний вміст є сигналом (тобто, кількість яких частот існує), і більшість схем може розглядатися як такі, що впливають на частоти по-різному . Коли я працював асистентом з викладання, я найчастіше навчав розуміння частотної області як топ-5 у справах, які дозволяють інженеру-електрику бути чудовим.
Кортук

4
@John - Ніхто не складає сигнал від гармонік, але математика каже, що вони є. Частотний спектр буде нескінченно широким. Якщо ви передаєте такий сигнал через фільтр низьких частот, його форма зміниться, оскільки гармоніки відрізані. Обмежена смуга пропускання області працює як фільтр низьких частот.
stevenvh

2
@John - Так, це може здатися неправдоподібним, але якщо ви вмикаєте та вимикаєте один раз на секунду, у цього сигналу буде присутній 1 ГГц. І синус 3 Гц і т. Д. Ви можете ізолювати кожну з них, пропускаючи квадратну хвилю через вузький смуговий фільтр. Якби ви фільтрували 0,8 Гц до 1,2 ГГц, ви б чітко бачили синус 1 Гц! В цьому все винен Фур'є! ;-)
stevenvh

6
"тому що саме синусоїди, які поєднуються, можуть будувати інші форми хвиль". Насправді ви також можете використовувати будь-який інший комплект ортонормальних хвиль (наприклад, вейвлет). Причина тригонометричних функцій / складних експоненцій є найбільш популярною в тому, що вони є власними векторами диференціального оператора, тому перетворення Фур'є негайно вирішує лінійні диференціальні рівняння. Але якби вони були не такі важливі, певна трансформація, ймовірно, перемогла б.
Ліворуч

23

Відповідь Pentium100 є цілком повною, але я хотів би дати набагато простіше (хоча і менш точне) пояснення.

Причиною тому, що синусоїди мають (в ідеалі) лише одну гармоніку, полягає в тому, що синус - це "найгладший" періодичний сигнал, який ви можете мати, і тому він "найкращий" з точки зору безперервності, похідності тощо. З цієї причини зручно виражати форми хвиль через синусоїди (ви можете це робити і з іншими хвилями, а також вони ).С

Просто приклад: чому у воді ви зазвичай бачите вигнуті хвилі? (ради цього ігноруйте вплив пляжу чи вітру) Знову ж таки, це тому, що саме форма вимагає менше енергії для формування, оскільки всі пандуси та краї гладкі.

У деяких випадках, як і орган Хаммонда , синусоїди фактично використовуються для складання сигналу, тому що при розкладанні можливо синтезувати безліч (практично всіх) звуків.

Існує прекрасна анімація від LucasVB, що пояснює розклад Фур'є квадратної хвилі:

Ці зображення краще пояснюють розклад квадратної хвилі в гармоніках:

введіть тут опис зображення

введіть тут опис зображення


18

Ви можете розкласти будь-яку форму хвилі на нескінченний ряд синусоїд, що додаються разом. Це називається аналізом Фур'є (якщо повторюється початкова форма хвилі) або перетворенням Фур'є (для будь-якої форми хвилі).

У разі повторюваної форми хвилі (як квадратної хвилі), коли ви робите аналіз Фур'є, ви виявляєте, що всі синуси, що складають форму хвилі, мають частоти, цілі, кратні частоті вихідної форми хвилі. Вони називаються "гармоніками".

Синусова хвиля матиме лише одну гармонічну - основну (ну, це вже синус, тому вона складається з одного синуса). Квадратна хвиля матиме нескінченну серію непарних гармонік (тобто, щоб зробити квадратну хвилю з синусів, потрібно додати синуси кожної непарної кратної основної частоти).

Гармоніки генеруються шляхом спотворення синусоїди (хоча ви можете генерувати їх окремо).

Чому це важливо:

  1. Ви можете зробити синусоїду з будь-якої хвилі фіксованої частоти, якщо у вас є фільтр, який пропускає основну частоту, але блокує 2х частоту (як би ви залишали лише одну гармоніку на місці).
  2. Насправді ви можете зробити синусоїду, яка має іншу частоту, ніж оргінальна - просто використовуйте смуговий фільтр, щоб передати потрібну гармоніку. Ви можете використовувати це для отримання синусоїди частоти, кратної частоті іншої синусоїди - просто спотворюйте початковий синус і виберіть потрібну гармоніку.
  3. Радіочастотні системи повинні випускати форми хвиль, які не містять гармонік поза дозволеним діапазоном частот. Ось як джерело живлення ШІМ (робоча частота ~ 100 кГц, квадратна хвиля) може перешкоджати FM-радіо (робочі частоти 88-108 МГц, 11-12 МГц (ІФ)).
  4. Якщо ви хочете мати квадратну хвилю з дуже швидким підйомом / падінням, пропускна здатність вашої системи повинна бути набагато ширшою, ніж основна частота вашої квадратної хвилі.

Я читаю це як "фадж має гармоніки, тому що якщо ви набиваєте шоколад разом із надзвичайною силою, тертя розтоплює його для роздуття", чому це важливо, що синуси можуть створювати квадрати, якщо все, що я використовую, - це квадрат? Це тому, що час підйому не миттєво має значення, що він не є "ідеальним" і еквівалентний кількості синусоїд? Я все ще не розумію, чому виведення квадратної хвилі частотою 100 кГц у космос може генерувати інші частоти, 100 кГц = 100 к циклів в секунду, як на землі електричні поля починають коливатися на гармоніках? Grr! Можливо, потрібно прочитати їх ще кілька разів ..
Джон Квін

1
@JohnQuinn пояснення досить точне, але очевидно, це не так просто ... спробуйте подивитися вікі для перетворення / аналізу Фур'є
clabacchio

@JohnQuinn, тому що квадратна хвиля - це багато частот. Синусоїда є основою; для створення інших форм сигналів вам потрібно додати інші синусоїди. Відповідь Пентіума пояснює, як квадратна хвиля складається з непарних гармонік основи. Це саме те, що воно є.
Рорі Також Тесп

1
@JohnQuinn, ви не зрозумілі, частотна область - це не те, що хтось, як очікується, миттєво зрозуміє. Квадратні хвилі прості для розуміння, оскільки їх можна генерувати від включення та відключення вимикача. Мені не подобається казати комусь, що вам потрібна сума синусоїд, щоб генерувати сигнал, сигнал генерується якимись засобами, в цьому випадку легко за допомогою перемикача, але його можна розкласти на набір синусоїд і для багатьох проблем переглядати це як набір частот набагато простіше.
Кортук

1
Можливо, варто відзначити, що будь-яка хвиля також може бути розкладена на ряд багатьох інших хвиль; синусоїди навряд чи є унікальними в цьому плані. Те, що робить синусоїди унікальними, це те, що якщо дві синусоїди поєднуються і подаються в лінійну ланцюг, вихід, отриманий в результаті комбінації, буде відповідати сумі виходів, які будуть вироблятися з окремих хвиль, за вирахуванням вихідних (як правило, рівня постійного струму ), які будуть створені без введення даних. Інші форми хвиль зазвичай додають додаткових взаємодій.
supercat

7

Похідна - швидкість зміни - синусоїди - ще один синусоїд з тією ж частотою, але зміщений фазою. Реальні компоненти - дроти, антени, конденсатори - можуть слідувати за змінами (напруги, струму, напруженості поля тощо) похідних, а також вони можуть слідувати за вихідним сигналом. Швидкість зміни сигналу, швидкість зміни сигналу, швидкість зміни швидкості зміни сигналу тощо існують і є кінцевими.

Гармоніки квадратної хвилі існують тому, що швидкість зміни (перша похідна) квадратної хвилі складається з дуже високих, раптових піків; нескінченно високі шипи, у граничному випадку так званої ідеальної квадратної хвилі. Реальні фізичні системи не можуть дотримуватися такої високої швидкості, тому сигнали спотворюються. Ємність та індуктивність просто обмежують їх здатність швидко реагувати, тому вони дзвонять.

Так само, як дзвіночок не може бути зміщений і не спотворений зі швидкістю, з якою його вдаряють, і таким чином накопичує та вивільняє енергію (вібруючи) повільнішими темпами, так і ланцюг не реагує на швидкість, з якою він вражається шипи, які є ребрами квадратної хвилі. Він занадто дзвенить або коливається, коли енергія розсіюється.

Один концептуальний блок може виходити з того, щоб концепція гармонік була вищою за частоту, ніж фундаментальна. Частотою квадратної хвилі ми називаємо кількість переходів, яку вона робить за одиницю часу. Але повернімося до цих похідних - швидкість зміни сигналу робить величезною порівняно зі швидкістю зміни синусоїди на тій же частоті. Ось де ми стикаємося з більш високими компонентними частотами: такі високі темпи зміни мають атрибути синусоїд високих частот . Високі частоти мають на увазі високі темпи зміни квадратного (або іншого несинусоїдного) сигналу.

Швидко піднімається край характерний не для синусоїди з частотою f , а для синусоїди набагато більш високої частоти. Фізична система слідує за нею найкраще, але може бути обмежена швидкістю, реагує набагато більше на компоненти низької частоти, ніж на вищі. Тож ми повільно люди бачимо велику амплітуду, низькі частотні реакції і називаємо це f !


"Швидко піднімається край характерний не для синусоїди з частотою f, а для синусоїди набагато вищої частоти". Що це не так. На зображенні в моїй відповіді видно, що всі синуси мають однаковий нахил. Саме нескінченна сума всіх цих схилів робить його нескінченно крутим.
stevenvh

Але це моя думка - нахил не типовий для синусоїди - Гаразд, я перекваліфікував його вище - на будь-якому «f». Це набагато вище, суттєвим моментом є те, що фізична система не може точно відслідковувати ROC.
JRobert

У мене було те саме запитання, яке задав ОП. Я визнав вашу відповідь найкращою, не ображаючи інших, але той факт, що ми можемо представляти квадратні хвилі як нескінченну суму синусоїд - це найперше, що ми дізнаємось, займаючись аналізом Фур'є, легко зрозуміти, що більше синусоїди, які ви додаєте, чим ближче до ідеальної квадратної хвилі. Те, що не інтуїтивно зрозуміло, - це саме те, що запитував ОП. Чи є в природі гармоніки чи це просто математичний інструмент, який допомагає нам аналізувати явище? Якщо ви не почнете думати про швидкість змін, я не думаю, що ви зможете відповісти належним чином на це питання.
Жоао Педро

5

На практиці причина, що гармоніки "з'являються", полягає в тому, що лінійні схеми фільтрації (як і багато нелінійні схеми фільтрації), призначені для виявлення певних частот, сприйматимуть певні форми низьких частот як ті, що їх цікавлять. Щоб зрозуміти чому, уявіть собі велику пружину з дуже великою вагою, яка кріпиться до ручки через досить пухку пружину. Якщо потягнути за рукоятку, не дуже сильно перенесуть велику вагу, але велика пружина і вага матимуть певну резонансну частоту, і якщо рухати ручку вперед-назад з такою частотою, можна додати енергії великій вазі та пружині , збільшуючи амплітуду коливань до тих пір, поки вона не буде значно більшою, ніж могла бути вироблена "безпосередньо", потягнувши за рихлу пружину.

Найефективніший спосіб передачі енергії у велику пружину - це тягнути плавним малюнком, відповідним синусоїді - такою ж схемою руху, що і велика пружина. Однак інші схеми руху працюватимуть. Якщо перенести ручку за іншими шаблонами, частина енергії, яка потрапляє на скупчення пружинної ваги протягом частин циклу, буде виведена під час інших. Приклади простого прикладу: припустимо, що він просто заклинює ручку до крайніх кінців ходу зі швидкістю, що відповідає резонансній частоті (еквівалентній квадратній хвилі). Переміщення ручки з одного кінця на інший так само, як вага досягне кінця подорожі, зажадає набагато більше роботи, ніж очікування, коли вага спочатку переміститься назад, але якщо в цей момент ручку не перемістити, весна на ручці буде боротися з вагою ' s спроба повернутися в центр. Тим не менш, чітко переміщення ручки з одного крайнього положення в інше все-таки спрацює.

Припустимо, вага має одну секунду, щоб гойдатися зліва направо, а інша - повертати назад. Тепер поміркуйте, що станеться, якщо один рухати ручку від однієї крайньої рухи до іншої вже раніше, але затримується по три секунди на кожній стороні замість однієї секунди. Кожен раз, коли переводити ручку з однієї крайньої в іншу, вага і пружина матимуть по суті таке ж положення і швидкість, як вони мали дві секунди раніше. Отже, вони матимуть приблизно стільки ж енергії, скільки їм було б дві секунди раніше. З іншого боку, подібні добавки енергії будуть траплятися лише на третину так часто, як це було б, коли "час затримки" склав лише одну секунду. Таким чином, переміщення ручки вперед / назад на частоті 1/6 Гц додасть вазі третину стільки енергії в хвилину (потужність), скільки рухається вперед і назад на частоті 1/2 Гц Аналогічна ситуація трапляється, якщо рухати ручку вперед та назад на частоті 1/10 Гц, але оскільки рухи будуть 1/5 так часто, як на 1/2 Гц, потужність буде 1/5.

Тепер припустимо, що замість того, щоб час затримки було нечитним числом, один робить його парним числом (наприклад, дві секунди). У такому сценарії положення ваги та пружини для кожного руху ліворуч праворуч буде таким самим, як його положення на наступному русі справа наліво. Отже, якщо рукоятка додасть якусь енергію до пружини в першій, така енергія буде по суті відмінена останньою. Отже, весна не зрушиться.

Якщо замість того, щоб робити крайні рухи ручкою, рухати її більш плавно, то при менших частотах руху рукоятки може бути більше разів, коли хтось бореться з рухом комбінації ваги / пружини. Якщо рухати ручку за синусоїдальним малюнком, але на частоті, істотно відмінній від резонансної частоти системи, енергія, яку людина передає в систему при натисканні на «правильний» шлях, буде досить добре врівноважена енергією, яка витрачається виходити із системи, виштовхуючи "неправильний" шлях. Інші структури руху, які не такі екстремальні, як квадратна хвиля, принаймні на деяких частотах передаватимуть у систему більше енергії, ніж виведена.


1

ще простіша аналогія - це уявити батут.

електрифікація провідника аналогічна розтягуванню мембрани батута, роблячи так, що "розтягує" (спотворює) енергетичні поля, пов'язані з цим проводом.

підніміться на середину батута, дотягнітьсь і захопіть мембрану батутного підлоги. тепер встаньте і потягніть / розтягніть його вгору, коли ви йдете, так що є пік приблизно на висоті талії.

це, безумовно, впливає на збереження деякої енергії в мембрані.

Тепер, якщо ви просто відпустите це, він не буде просто плавно плисти вниз і перестати рухатися. вона швидко опуститься вниз, а потім ВІБРАТИ ... коливаючись туди-сюди, ще куди більше разів "самостійно" ... коли він зменшує свою накопичену енергію.

якщо замість цього, ви поступово опускаєте його назад на місце ... він не може бурхливо оснаститися куди завгодно, і тому нічого не викликає / не дозволяє йому вібрувати "самостійно". єдине вібруюче його виконання - це ви від нього переміщення.

всі частоти (будь-якої форми хвилі) мають математичні гармоніки, форми хвиль з раптовими потенційними змінами дають простішу можливість цих гармонік виразитись як коливання реального світу.


1
Ви надали аналогію щодо того, як вібрують речі. Вібрація не обов'язково призводить до гармонік. Вібрація може бути однотонною.
Нік Алексєєв

1

Просто доповнення до цього питання,

Чи не відповідають цим гармонікам такі речі, як передача даних (високий = 1, низький = 0) і мають значення лише в таких ситуаціях, як аудіо чи радіочастота?

що я думаю, ніхто не сказав: це не має значення. Зазвичай нам цікаво передавати імпульси в цифрових схемах, тому в більшості випадків ми не беремо до уваги цю хвильову феноменологію. Це тому, що, хоча квадратна хвиля має свої гармоніки (а не нескінченна кількість гармонік у реальному світі), тому знадобиться певний час, щоб піднятися / впасти, ваша схема схеми зазвичай "усвідомлює" це. Це одна з найбільших переваг цифрової електроніки / цифрового зв'язку: від заданої точки (напруги) вгору сигнал інтерпретується як 1, а з заданої точки вниз, це 0. У більшості випадків це не дуже важливий точний формат квадратної хвилі, оскільки вона відповідає певним часовим умовам.

Але зауважте, що якщо ваша квадратна частота сигналу піднімається до точки, коли довжина хвилі приблизно в порядку величини її лінії передачі (може бути провідниковою доріжкою друкованої плати), то ви можете взяти до уваги цю хвильову феноменологію. У вас ще є схема в руці, але можуть виникнути деякі хвильові явища. Отже, залежно від вашого "лінійного" опору, деякі частоти можуть мати різну швидкість поширення інших частот. Оскільки квадратна хвиля складається з багатьох гармонік (або в ідеалі нескінченності), ви, мабуть, будете спотвореною квадратною хвилею в кінці вашої лінії електропередачі або провідної колії (адже кожна гармоніка буде рухатися з різною швидкістю).

Хороший приклад, коли це може статися, - це коли ми використовуємо USB передачу даних по ланцюгу. Зауважте, що швидкість передачі даних дуже висока (квадратичні хвилі високої частоти), тому вам потрібно враховувати опір вашої лінії електропередачі. Інакше у вас, мабуть, будуть проблеми в спілкуванні.

Коротше кажучи, все має значення, і все працює разом, але вирішувати, чи важливі ці речі у вашому проекті / аналізі, чи ні.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.