2. Sygnały i układy analogowe (repetytorium)

2.2. Energia i moc sygnału

W teorii sygnałów wyobrażamy sobie, że x(t) to napięcie przyłożone do opornika 1 W. Wówczas prąd jest równy napięciu, moc chwilowa wynosi x2(t), a energia wydzielona w czasie T wynosi 

E=\int_{0}^{T}{x^2(t)dt} (3)

Moc średnią otrzymamy dzieląc energię przez czas: 

P=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}x^2(t)dt (4)

Sygnały o nieskończonym czasie trwania mogą mieć skończoną energię, np. sygnał 

x(t)=exp{(}-at),\qquad t\in(0,\infty),\qquad a>0     ma energię

E=\int_{-\infty}^{\infty}{x^2(t)dt}=\int_{0}^{\infty}{(e^{-at})^2dt}=\int_{0}^{\infty}{e^{-2at}dt}=\frac{1}{-2a}e^{-2at}\left|\ _0^\infty\right.=\frac{1}{-2a}[0-1]=12a

Z kolei sygnały o nieskończonej energii mogą mieć skończoną moc średnią, do takich należy sygnał o stałej wartości chwilowej  x\left(t\right)=A i sygnał harmoniczny  x\left(t\right)=A\cos{2\pi f_0}t
Istotnie,  moc chwilowa sygnału o stałej wartości chwilowej A  wynosi A2 i taka sama jest też moc średnia P. 
Aby obliczyć moc średnią, w ogólnym przypadku oblicza się energię wydzieloną w czasie  T, E_T=\int_{-T/2}^{T/2}{x^2(t)dt} , następnie dzieli się ją przez T i szuka się granicy dla T\rightarrow\infty:

P=\lim\limits _{T\rightarrow \ \infty }\frac{E_{T}}{T} (5)

Dla sygnału harmonicznego   x\left(t\right)=A\cos{2\pi f_0}t   otrzymuje się kolejno:  

x^2(t)=A^2{cos}^2{(}2\pi⥂f_0t)=A^2[\frac{1}{2}+\frac{1}{2}cos(4π⥂f_0t)]=\frac{A^2}{2}+\frac{A^2}{2}cos(4π⥂f_0t)

 

E_T=\int_{-T/2}^{T/2}{x^2(t)dt}=\int_{-T/2}^{T/2}{\frac{A^2}{2}dt}+\frac{A^2}{2}\int_{-T/2}^{T/2}{cos{(}4\pi f_0t)dt}=

=\frac{A^2T}{2}+\frac{A^2}{8\pi f_0}\left[sin{(}4\pi f_0t)\right]_{-T/2}^{T/2}=\frac{A^2T}{2}+\frac{A^2}{8\pi f_0}[sin{(}2\pi f_0T)+sin{(}2\pi f_0T)]=

=\frac{A^2T}{2}+\frac{A^2}{4\pi f_0}sin{(}2\pi\ f_0T)

 

P=\lim\limits _{T\rightarrow \infty }\frac{E_{T}}{T} =\lim\limits _{T\rightarrow \infty }[\frac{A^{2}}{2} +\frac{A^{2}}{4\pi f_{0} T} sin(2\pi f_{0} T)]=\frac{A^{2}}{2}