Risposta in frequenza: differenze tra le versioni
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In [[Analisi dei sistemi dinamici|teoria dei sistemi dinamici]], la '''risposta in frequenza''' o '''risposta armonica''' di un [[sistema dinamico]] è la descrizione della sua [[output|uscita]] (una funzione del tempo) utilizzando come variabile la [[frequenza]] invece che il tempo (ovvero nel [[dominio della frequenza]]). La descrizione in frequenza di un sistema dinamico, da un punto di vista matematico, avviene tramite il formalismo della [[rappresentazione spettrale dei segnali]]
L'analisi in frequenza del comportamento di un sistema viene svolta molto spesso quando si ha a che fare con [[sistema dinamico lineare|sistemi lineari]] in configurazione [[teoria della stabilità|stabile]], i quali hanno la fondamentale proprietà di rispondere ad un input puramente sinusoidale con un'uscita della stessa frequenza, ovvero restituiscono la medesima sinusoide in ingresso, sfasata e moltiplicata per un fattore scalare. Se il sistema è un [[sistema dinamico lineare stazionario]] (LTI) tale fattore moltiplicativo non varia nel tempo; per tale motivo la risposta in frequenza di sistemi LTI viene caratterizzata completamente dall'uscita del sistema quando in ingresso vi è un impulso che contiene tutte le frequenze, in particolare un impulso a [[delta di Dirac]]. La risposta in frequenza è in tal caso esplicitata dalla [[funzione di trasferimento]], definita come la [[trasformata di Laplace]] della [[risposta all'impulso]] a delta di Dirac. ▼
▲L'analisi in frequenza del comportamento di un sistema viene svolta molto spesso quando si ha a che fare con [[sistema dinamico lineare|sistemi lineari]] (in configurazione [[teoria della stabilità|stabile]]), i quali hanno la fondamentale proprietà di rispondere ad un input puramente sinusoidale con un'uscita della stessa frequenza, ovvero restituiscono la medesima sinusoide in ingresso
<!--Non è stata invece sviluppata una teoria completa per i sistemi tempo-invarianti che non sono lineari.-->
==Descrizione==
{{vedi anche|Rappresentazione spettrale dei segnali}}▼
Definire la risposta in [[frequenza]] di un sistema consiste nello stabilire quale è la relazione fra ingresso e uscita
In [[elettronica]] e telecomunicazioni la risposta in frequenza è un fattore di grande importanza, che caratterizza numerose applicazioni. Tra le applicazioni più comuni vi sono i [[Filtro (elettronica)|filtri]] elettrici, elettronici o ottici, circuiti in grado di elaborare il segnale privandolo di alcune sue componenti in frequenza, spesso per ripulirlo da disturbi. Sono detti filtri [[filtro passa basso|passa basso]], [[filtro passa banda|passa banda]] o [[filtro passa alto|passa alto]] grazie alla loro peculiarità di lasciar passare frequenza basse, intermedie o elevate. Nel caso di [[Filtro attivo|filtri attivi]], la risposta in frequenza si usa per progettare filtri con particolari caratteristiche. Infine, lo studio in frequenza è indispensabile nell'analisi e sintesi degli [[Amplificatore (elettronica)|amplificatori]] lineari e negli amplificatore a [[retroazione]].
===Serie di Fourier===
La determinazione della risposta ad un segnale periodico <math>s(t)</math> di forma qualsiasi
▲{{vedi anche|Rappresentazione spettrale dei segnali}}
Il comportamento del sistema viene analizzato applicando dei segnali sinusoidali di tutte le frequenze comprese tra zero ed infinito. Nota la risposta del sistema a segnali sinusoidali di frequenza qualsiasi, è possibile risalire alla risposta ad un segnale periodico non sinusoidale. Applicando ad un sistema stabile, con legame tra ingresso ed uscita rappresentato da una equazione differenziale lineare a coefficienti costanti, un segnale sinusoidale <math>e(t)=E_m \sin{\omega t}</math>, svanito il periodo transitorio, il segnale d'uscita risulta sinusoidale, della stessa frequenza di quello d'ingresso e del tipo <math>u(t)=U_m \sin{(\omega t+\phi)}</math>. L'ampiezza <math>U_m</math> e lo sfasamento <math>\phi</math>, sono generalmente, funzioni della frequenza: <math>U_m(\omega)</math>, <math>\phi(\omega)</math>. La risposta in uscita del sistema è della stessa forma del segnale d'entrata, della stessa frequenza e vi si differenzia nell'ampiezza e nella fase. Il rapporto delle ampiezze è detto guadagno, il cui valore è funzione della frequenza d'eccitazione.▼
:<math>s(t)=A_0+\sum_{n=1}^\infty(A_n\cos (\omega_0 n t) +B_n \sin (\omega_0 n t))</math>
▲La determinazione della risposta ad un segnale periodico di forma qualsiasi è assicurata dallo sviluppo in [[serie di Fourier]] del segnale medesimo:
:<math>
:<math>
Per segnali non periodici si deve ricorrere ad una [[trasformata integrale]], come la [[trasformata di Fourier]]:
▲:<math>B_n=\frac{2}{T}\int_{0}^T{e(t)\sin{n\omega_0tdt}}</math>
:<math>f(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}F(\omega_n)e^{j\omega_nt}d\omega_n</math>
== Sistemi dinamici lineari ==
{{Vedi anche|
La risposta in uscita di un [[sistema dinamico lineare]] ha la stessa forma e la stessa frequenza del segnale d'entrata, ma vi si differenzia nell'ampiezza e nella fase.
Dalla teoria sui sistemi lineari dinamici, <math>u_{in}(t)</math> è un segnale generico in ingresso ad un sistema la sua risposta può essere scritta nel caso più generale:▼
▲
▲
:<math>a_n \frac{d^n}{dt^n} u_{out}(t) + a_{n-1} \frac{d^{n-1}}{dt^{n-1}} u_{out}(t) + \dots + a_0 u_{out}(t) = b_m \frac{d^m}{dt^m} u_{in}(t) + b_{m-1} \frac{d^{m-1}}{dt^{m-1}} u_{in}(t) + \dots + b_0 u_{in} (t)</math>▼
▲:<math>a_n \frac{d^n}{dt^n}
La funzione di trasferimento è data da:
:<math>k(i \omega) = \frac{b_m (i \omega)^m + b_{m-1} (i \omega)^{m-1} + \dots + b_0}{a_n (i \omega)^n + a_{n-1} (i \omega)^{n-1} + \dots + a_0}</math>
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cioè la risposta in frequenza per qualsiasi sistema dinamico lineare è una funzione razionale di <math>i \omega</math> con coefficienti uguali al sistema.
▲detta [[funzione di trasferimento]]. La risposta in frequenza di un sistema lineare e stazionario <math>f(\omega)=k(i\omega)</math> è la [[trasformata di Fourier]] della risposta impulsiva. Quindi la risposta impulsiva e quella in frequenza sono una la trasformata dell'altra:
:<math>k(i \omega) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-i\omega t} \cdot h(t) \, dt</math>
:<math>h(t) = \frac{1}{2 \pi} \int_{-\infty}^{\infty} k(i \omega) e^{i\omega t} \, d\omega</math>
==Formalismo di Laplace==
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