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对应关系1(傅里叶级数与傅里叶变换的意义):
1,时域的周期 对应 频域的离散 2,时域的非周期 对应 频域的连续 3,时域的非周期信号 对应 傅里叶变换Transform 4,时域的周期信号 对应 傅里叶级数Series对于第一条而言,周期信号可写成傅里叶级数的求和形式(频谱离散)。
也就是说,因为,傅里叶分析的本质使用三角波合成任意波形,又因为,三角波都是周期信号,且都是正负向无穷的信号,因此,如果说一个波形,在时域是周期且无穷的,那么就只需要有限个三角波合成就行了,有限个意味着离散(注意,“有限个”也能有无穷多个,但依然还是离散的)。比如说,如果说一个时域信号本身就是一个正弦信号,那么用于合成他的频域信号,只需要对应频率上的一个点(有可能是一对点)就行了。
而非周期信号,也就是上面说的第二条,他是傅里叶变换的积分形式(频谱连续)。
因为,原始信号是非周期的,而非周期,就意味着不连续或者说很剧烈的跳变,不连续的信号需要用无穷多个正弦波和余弦波合成,(因为,正弦信号和余弦信号本身就不是那种跳变非常明显的信号,所以,用他们来合成一个不连续且剧烈跳变的信号是一个短板,例如,在合成方波信号时,就会出现Gibbs现象)。正因为是无穷多个正弦波和余弦波合成的,所以说是连续的,连续意味着无穷。
小结:周期信号只需要有限个周期信号就可以合成,而非周期信号,需要无限个周期信号合成。
对应关系2(傅里叶级数到傅里叶变换的转化):
级数是对变换的采样,变换是级数的包络。(把非周期信号看成是周期无限大的周期信号)
从周期信号的傅里叶级数到非周期信号的傅里叶变换的秘籍,就是傅里叶自己曾经说过的一句话:
下面我们用一个例子来说明关系2:
先看一下周期方波信号的傅里叶级数:
该方波的周期为T,即,以T为周期循环。在【-T1~T1】处为1,在【-T/2~-T1】处和【T1~T/2】处为0。
原始信号的长度为2*T1,随着基波周期T的不断增加4*T1,8*T1,16*T1(这也意味着周围方波信号中,方波与方波之间的间隔越来越大),采样间隔2Pi/T越来越小。
把非周期信号看成是周期无限大的周期信号:
我们把下图反过来看,假设我们的原始信号是下图中的b,b是一个周期信号,且周期为T。如果我们把这个周期信号的周期T放到无限大,就变成了下图中的a,虽然他依然还是一个周期信号,但是他的其他Copys都在无穷远处。
这种时域上的变换,对应在频域上等同于不断地缩小傅里叶级数之间的样本间隔2Pi/T,直到变成“连续”的傅里叶级数,也就是傅里叶变换。这也是从求和到求积分的转化。
补充(离散时间傅里叶变换举例):
对应关系3(数字信号的基本性质):
5,时域的连续 对应 频域的非周期 6,时域的离散 对应 频域的周期
最起第一列,分别是连续时间信号和他的傅里叶变换,是非周期的。第二列为连续时间周期信号的傅里叶级数,他的频域信号是对第一列傅里叶变换的采样(根据关系2),同样也是非周期的。从第三列和第四列开始,输入信号都变成了离散时间信号,我们先看第三列,他的输入是对第一列输入信号的采样,而他的傅里叶变换是第一列傅里叶变换的周期函数。时域的采样间隔和傅里叶变换的复制周期严格对应。同样,上图中的第四列,输入信号,也是对第二列的连续周期信号的采样,同理,采样后的傅里叶级数在频域也第二列的傅里叶级数的周期函数。当然,我们也可以把第四列的傅里叶级数,看成对第三列的傅里叶变换的采样(根据关系2)。
(全文完)
作者 --- 松下J27
参考文献:
1,The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing,Steven W. Smith
2,信号与系统,第二版,奥本海姆
3,https://en.wikipedia.org/wiki/Discrete_Fourier_transform
格言摘抄:满了一把,得享安静。强如满了两把,劳碌捕风。---《圣经-传道书》
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