Name: convolution in lti systems and signal response
Uploaded: 2024-09-26T13:16:55.000Z
Duration: 1 min 24 s
Channel: JoVE

בכל מערכת LTI, הפיתול של שני אותות מסומן באמצעות אופרטור קונבולוציה, בהנחה שכל התנאים הראשוניים הם אפס.
אינטגרל הפיתול מחולק לשני חלקים: קלט אפס או תגובה טבעית ותגובת מצב אפס או תגובה מאולצת של המערכת, כאשר t0 מציין את הזמן הראשוני.
ניתן לפשט את אינטגרל הפיתול על ידי ההנחה שגם אות הקלט וגם תגובת הדחף הם אפס עבור ערכי זמן שליליים.
פיתול גרפי כולל ארבעה שלבים: קיפול, הזזה, כפל ואינטגרציה. שקול מעגל RC עם אות דופק קלט ותגובת פלט שצוינו. בתחילה, הקיפול מתבצע על ידי יצירת תמונת מראה של אות הקלט לאורך ציר Y. זה ואחריו שינוי קל, כפל, ואינטגרציה של האותות המתקבלים. הפיתול שנוצר מתואר בצורה גרפית.
בפיתול זמן בדיד, התגובה נקבעת על ידי החלת קלט על מערכת זמן בדידה ושימוש באינטגרל תגובת הדחף והפיתול.
הפיתול של אות הקלט הבדיד ותגובת הדחף יוצר את סכום הפיתול עבור תגובת המערכת.

קונבולוציה: מתמטיקה, גרפיקה ואותות בדידים

<div style="direction: rtl;">
 בכל מערכת LTI (מערכת ליניארית בלתי תלויה בזמן), הקונבולוציה של שני אותות מיוצגת באמצעות אופרטור הקונבולוציה, בהנחה שכל התנאים ההתחלתיים הם אפס. אינטגרל הקונבולוציה יכול להתחלק לשני חלקים: התגובה הטבעית או תגובת הקלט-אפס, והתגובה הכפויה או תגובת המצב-אפס, כאשר t_0​ מציין את הזמן ההתחלתי.
 
 כדי לפשט את אינטגרל הקונבולוציה, מניחים גם שאות הקלט וגם תגובת ההלם הם אפס עבור ערכי זמן שליליים. תהליך הקונבולוציה הגרפי כולל ארבעה שלבים: קיפול, הזזה, הכפלה ואינטגרציה.
 
 נבחן מעגל RC עם אות פולס קלט מוגדר ותגובת פלט. בשלב הראשון מבוצע קיפול על ידי יצירת תמונת מראה של אות הקלט לאורך ציר ה-y. לאחר מכן מבוצעת הזזה, שבה האות המקופל מוזז לאורך ציר הזמן. בשלב הבא מתבצעת הכפלה נקודתית של האות המקופל והמוזז. לבסוף, מתבצעת אינטגרציה של האות המתקבל לאורך זמן, שמספקת את תוצאת הקונבולוציה. תהליך זה ניתן להצגה באופן גרפי.
 
 בקונבולוציה בזמן בדיד, תגובת המערכת נקבעת על ידי החלת אות קלט על מערכת בזמן בדיד ושימוש בתגובת ההלם ובסכום הקונבולוציה. הקונבולוציה של אות הקלט הבדיד [x[n ותגובת ההלם [h[n יוצרת את סכום הקונבולוציה עבור תגובת המערכת:
 
 <img alt="Equation1" src="/files/ftp_upload/16049/16049_PT%20EQUATION_1.svg" style="text-align: center; height: 28px;">
 סכום זה מחשב את אות הפלט [y[n בכל שלב זמן בדיד nnn. הבנה של קונבולוציה רציפה ובדידה היא חיונית לניתוח מערכות LTI ולחיזוי התנהגותן בתגובה לקלטים שונים.
 
</div>

בכל מערכת LTI, הפיתול של שני אותות מסומן באמצעות אופרטור קונבולוציה, בהנחה שכל התנאים הראשוניים הם אפס.
הפיתול ...

convolution-math-graphics-and-discrete-signals

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

הנדסה חשמלית

Unit 1

יחידה 1

Linear Time- Invariant Systems

מערכות ליניאריות בעלות זמן בלתי משתנה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

Convolution: Math, Graphics, and Discrete Signals

convolution in lti systems and signal response

Convolution describes how a linear time-invariant, or LTI, system responds to an input signal. In an LTI system, the convolution of two signals is written with a convolution operator. The method assumes that all initial conditions are zero.

The convolution integral can be split into two parts. These are the zero-input response, also called the natural response, and the zero-state response, also called the forced response. The initial time is marked as t0. To make the integral easier to work with, both the input signal and the impulse response are taken to be zero for negative time values.

Graphical convolution follows four steps: folding, shifting, multiplication, and integration. First, folding makes a mirror image of the input signal along the y-axis. Then the folded signal is shifted, or slid, along the time axis. After that, the folded and shifted signals are multiplied point by point.

The last step is integration over time, which gives the convolution result. This process can be shown graphically for an RC circuit with a given input pulse signal and output response. The same idea also appears in discrete-time systems. There, the input signal x[n] and the impulse response h[n] are combined with the convolution sum to find the output y[n] at each discrete time step n. Knowing both continuous and discrete convolution helps describe LTI system behavior for different inputs.

Convolution in LTI Systems and Signal Response

convolution-in-lti-systems-and-signal-response

linear time-invariant systems

Impulse Response in LTI Systems

Linear time-invariant systems are defined by linear elements and constant parameters. A system is linear when it shows homogeneity and additivity. These two ideas together are called the superposition property. Superposition is a key rule for analyzing linear systems. For a linear time-invariant system, the response to an impulse at the input can describe the whole input-output behavior. An impulse is a very short, sudden input. Once the impulse response is known, the response to other inputs...

impulse response

RC Circuit Impulse Response

RC circuit impulse response describes how the capacitor voltage changes after a brief input signal. In this system, the voltage source is the input, and the capacitor voltage is the output. The state of the circuit before and after excitation is defined separately so the response can be tracked clearly. Kirchhoff’s law is used to write the input signal equation for the RC circuit. The capacitor current and voltage provide the output relation. After substituting the current expression and...

convolution: math, graphics, and discrete signals

Convolution describes how a linear time-invariant, or LTI, system responds to an input signal. In an LTI system, the convolution of two signals is written with a convolution operator. The method assumes that all initial conditions are zero. The convolution integral can be split into two parts. These are the zero-input response, also called the natural response, and the zero-state response, also called the forced response. The initial time is marked as t0. To make the integral easier to work...

convolution properties i

LTI System Tricks for Easier Convolution

LTI system properties can make convolution easier to work with. LTI stands for linear time-invariant. In these systems, the input signal and the impulse response can be handled in helpful ways that simplify the final output. The commutative property means the input and the impulse response can be switched without changing the result. The associative property says that when three functions are convolved, the order of grouping does not change the answer. For two LTI systems in series, this lets...

convolution properties ii

Convolution Rules for Width and Area

Convolution rules help describe how an output signal changes when two signals are combined in an LTI system. The main rules here are width, area, differentiation, and integration. These rules make convolution easier to analyze and use in signal processing. The width property says that if two input signals last for T1 and T2, the output response lasts for T1 plus T2. This is true no matter what shape the two functions have. For example, convolving two rectangular pulses with durations of 2...

deconvolution

Finding an Impulse Response from Signals

Deconvolution is a method for finding a system’s impulse response from known input and output signals. It is also called inverse filtering. This technique is useful when the system’s characteristics are not known directly and must be inferred from the signals that can be observed. One common way to do deconvolution is polynomial division. In this approach, the input and output sequences are treated as coefficients of polynomials written in descending order. Long division is then used to divide...

bibo stability of continuous and discrete -time systems

bibo-stability-of-continuous-and-discrete-time-systems

Testing System Stability with Convolution

System stability in signal processing is often tested with convolution. A system is BIBO stable, or bounded-input bounded-output stable, when every bounded input signal produces a bounded output signal. A bounded input signal has a modulus that never exceeds a set constant at any time. For a continuous-time Linear Time-Invariant, or LTI, system, BIBO stability is checked with the convolution integral. The input is bounded by a constant, and the convolution integral shows whether the output...

key terms and concepts

Learn how convolution predicts LTI system response using folding, shifting, multiplication, and integration, plus the discrete convolution sum for x[n] and h[n].

Convolution in LTI Systems and Signal Response | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

electrical engineering

Convolution in LTI Systems and Signal Response

Description

Transcript

Tags