傅里叶变换(二):非周期信号的傅里叶变换

Junity 发布于 28 天前 236 次阅读


AI 摘要

在这篇文章中,我们将探索如何将傅里叶级数的概念扩展到非周期信号,从而揭示其背后的频谱特征。你将了解到,如何通过将非周期信号视为无限周期信号,来体会傅里叶变换的奥妙。这一过程不仅涉及到函数到函数的映射,还引入了绝对可积性、最值的限制等重要条件。无论是连续信号还是离散信号,傅里叶变换都为信号分析提供了强大的工具,揭开了信号处理领域的神秘面纱。准备好迎接这段激动人心的旅程了吗?

在上一篇文章中,我们介绍了对于周期信号而言,如何求其的傅里叶级数;现在我们继续将其推广到非周期信号上。进行这一推广的基本思路是将非周期信号看作是周期无限大的周期信号。

将傅里叶级数推广到非周期信号后,得到的结果就不再是离散的级数了,而是一个连续的频谱。这个过程实际上是一个函数到函数的映射,因此被称为傅里叶变换

用求和的极限得到积分

在推广傅里叶级数之前,我们先使用求和的极限来得到积分。定积分实际上是在坐标轴上围成的曲边梯形的面积,而我们可以使用微元法来求出这个面积。假设要求 f(x) 在区间 [a,b] 上的定积分,可以将这个区间分为 N 份,每一份的长度为 Δx 。然后:

abf(x)dxi=1Nf(a+iΔx)Δx

其中 Δx=baN 是每份区间的长度。记 x=a+iΔx ,当 N 时:

abf(x)dx=limΔx0i=0N

同理,就有了:

limΔx0i=0Nf(x)Δx=abf(x)dx

而当积分上下限为正负无穷时,这个式子就可以写成:

limΔx0i=f(iΔx)Δx=f(x)dx

连续信号的傅里叶变换

连续周期信号的傅里叶级数为:

f(x)=n=anenωxj=n=1T(Tf(t)enωtjdt)enωxj=n=ω2π(Tf(t)enωtjdt)enωxj

T ,也即 ω0 时:(在求和变为积分时,原来的 nω 等于新的 ω

limω0n=ω2π(Tf(t)enωtjdt)enωxj=12π(f(t)eωtjdt)eωxjdω

于是:

f(x)=12π(f(t)eωtjdt)eωxjdω

把其中的 f(t)eωtjdt 提取出来,就得到了一个变换对:

F(ω)=f(x)eωxjdxf(x)=12πF(ω)eωxjdω

上面的式子称为傅里叶变换,它将一个信号变换为它的频谱表示;下面的变换称为傅里叶逆变换,它将频谱变换回原信号。

非周期连续信号的狄利克雷条件

将周期信号的狄利克雷条件推广,可以得到非周期信号的狄利克雷条件:

  • f(x) 绝对可积:|f(x)|dx<
  • 在任意有限区间, f(x) 只有有限个最值。
  • 在任意有限区间,f(x) 只有有限个间断点,且每个不连续点都是有限值。

非周期离散信号的傅里叶变换

和连续信号一样,先考虑离散信号的傅里叶级数:

x[n]=k=Nakekωnj=k=N1N(t=Nx[t]ekωtj)ekωnj

然后求 N ,即 ω0 时的极限:

x[n]=limω0k=Nω2π(t=Nx[t]ekωtj)ekωnj=limω0k=ω2π(t=Nx[t]ekωtj)ekωnj=12π(t=x[t]eωtj)eωnjdω

所以得到了一个变换对:

X(ω)=t=x[t]eωtjx[n]=12πX(ω)eωnjdω

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最后更新于 2025-02-13