傅里叶变换是将信号从时域变换的频域的变换。
时域与频域
时域描述了信号在时间上的变换,例如,声音信号的时域描述了声压随时间的变化;而频域则描述了信号在频率上的变化,例如将声音信号从时域变换到频域后,我们可以知道声音在各个频率上的强度。频域实际上给了我们另一种看待信号的视角。
函数的内积
将离散信号看作是是向量,那么两个信号在区间 的内积可以看作是这两个向量的内积:
把同样的定义推广到连续信号上,可以得到连续信号内积的定义:
不难发现,函数的内积满足交换律和分配律。在这个基础上,可以定义函数的正交性。如果两个函数在某区间上的内积为0,则称这两个函数在这个区间上正交。
这时有一个非常重要的结论:对于两个频率之比为有理数的正弦函数,他们正交的条件是频率不同或频率相同但是相位差为 的奇数倍。即 的条件是 ,或 但是 。证明如下:
其中, 是两个正弦函数的一个公共周期,这里的 指在任意周期区间上积分。当 时,积分中的两个 函数在周期区间上积分为 ,故此时整个积分为 ;当 时,积分的结果变为:
因此当 时,原积分为 。根据这个结论,我们很容易得到一个推论,即下面的函数在任意周期区间上相互正交:
傅里叶级数与狄利克雷条件
既然上面的函数系是相互正交的,那是否能作为函数的一组基底来组成并表示任何函数呢?更形式化一点,是否任何周期函数都能写成下面的形式呢:
其中 是这个函数的基波频率(最低频率)。上面的级数叫作傅里叶级数。之所以希望将函数写成这种形式,是因为这种形式可以清晰地看出函数在各个频率上的分解。例如,如果级数中有一项为 ,那我们可以知道这个信号中频率为 的部分强度为 。
这个问题的答案由德国科学家狄利克雷于1829年找到并证明。具体来说,如果一个函数满足以下三个条件(称为狄利克雷条件),那么它就可以被写成傅里叶级数的形式:
- 绝对可积性:这个函数在一个周期内绝对值的积分必须有限,即 。这一条件保证了函数的“能量”有限,避免发散。
- 有限个极值点:函数在一个周期内只能有有限个极大值和极小值。这排除了无限振荡的函数(如 在 附近的行为),确保函数变化不过于剧烈。
- 有限个第一类间断点:函数在一个周期内允许存在有限个第一类间断点(即左右极限存在但不相等,或存在可去间断点)。例如,方波信号在跳变点处满足此条件,但若有无穷多个间断点(如狄利克雷函数),则不满足。
通过辅助角公式和复指数函数,傅里叶变换还能写成下面两种形式:
周期函数的傅里叶变换
现在讨论如何求出这些系数。对于 而言,我们知道后面的级数在任何周期区间上的积分都是 ,所以有 ,那么 。
那如何求出剩下的系数呢?我们已经知道的事实是, 之间是相互正交的,而傅里叶级数正好是由这些项组成的。因此,只需要求函数与 或 的内积,就可以消掉其它项,剩下 或 。以 为例,就有了:
因此 的值就是:
这样, 就像一个个滤波器,滤出了各个频率上的分量。至此我们就得到了各个系数的表达式:
如果降低一点直观性,采用傅里叶级数的复指数形式有更加简洁的过程和更加统一的结果:
下面来推导这个公式。
首先,函数 和 在 时正交,因为:
仿照之前的思路,将 左右同时乘上 并积分,可以得到:
考虑右侧求和中每一项积分的值:
所以:
周期函数傅里叶级数的性质
把信号分解为傅里叶级数的过程看作是一个变换,记作 。为了叙述的方便,下面我们采用傅里叶级数的复指数形式,即 。那么, 将 变换到 ,记作 。为了强调在变换前 的自变量是时间,从这里开始我们使用 而不是 。
线性
是线性的,这意味着如果:
那么
时移性
当信号 发生了一个时移,即 时,新信号的傅里叶级数 的表达式为:
也就是说,时移会使得傅里叶级数同时乘上 ,但每个系数的模长都不变。
时间反转性
当信号 在时间上发生了反转,即 时,新信号的傅里叶级数为:
这里积分中指数函数幂部分变号是因为积分区间也发生了改变。如原来是在 上求的积分,现在需要在 上求。
所以:
相乘性质
如果两个信号相乘,得到的新信号的傅里叶级数是原信号傅里叶级数的卷积,即:
在离散情况下,这个性质还可以归纳为 时域乘积,频域卷积;时域卷积,频域乘积
帕塞瓦尔定理
帕塞瓦尔定理可以通俗地表达为:一个周期信号的平均功率是各频率上分量的平均功率之和 。形式化地说,我们有:
离散周期信号的傅里叶级数
在上面的内容中,我们得到了最原始的傅里叶级数。但这个结论还不够好,因为它存在许多限制,例如要求信号是连续的、周期的。所以还需要将它推广到更一般的情况下。我们首先将其推广到离散周期信号上。
考虑一个周期为 的离散信号 ,其基波频率为 ,我们希望得到数列 ,使得:
这里只使用 项级数,是因为信号的周期为 ,从而 。我们也可以将上面的式子写成下面的形式:
其中 表示对任意一个周期区间求和。
为了继续沿用连续情况下的思路,我们首先验证离散情况下 的正交性。考虑以下求和:
将复指数展开,得到:
当 时,显然原式值为 . 在其它情况下,由于周期性,我们只用证明原式在 时的情况:
使用等比数列求和公式知:
其中 为公比, ,所以原式值为 。 因此,我们得到结论:
那我们就可以沿用之前的思路,将 两侧同乘 并求和,得到:
假设我们现在要求的系数是 ,其中 ,是和 有一样取值范围的变量。右侧求和不为 的条件是 是 的倍数,因为限制了 在一个周期内取值,故仅在 时求和不为零,因此原式可以写成:
于是 ,即:
离散周期信号傅里叶级数的性质
大部分离散信号和连续信号傅里叶级数的性质都非常类似甚至相同,下面列举几个与连续情况有差异的性质。设离散信号 变换后的傅里叶级数为 :
相乘性质
离散信号满足时域乘积,频域卷积;时域卷积,频域乘积:
离散信号的帕塞瓦尔定理
与连续情况下类似,离散信号满足:
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