第一章:信号频谱与傅氏变换
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2026-01-29
Note
本章从工程应用角度出发,系统讨论傅里叶级数与傅里叶变换、离散频谱与连续频谱,核心思想是将复杂信号分解为若干正弦信号的叠加,从而在频率域研究信号特征,为后续数字信号处理奠定理论基础。
§1 有限区间上信号的傅氏级数和离散频谱
1. 把有限区间上的复杂波分解为简谐波的叠加
在区间 [t0,t0+T] 上,实函数 x(t) 可以分解成许多简谐波得叠加,称为 x(t) 的傅氏级数展开式。
x(t)=b0+n=1∑∞(ansin2πnf0t+bncos2πnf0t)
其中 f0=1/T,b0 为直流分量,其余项为 n 次谐波。
引入振幅 An 与相位 φn
an=Ancosφn,bn=Ansinφn
则谐波项可写为
Ansin(2πnf0t+φn)
2. 复数形式的傅氏级数和离散频谱
利用欧拉公式 eiφ=cosφ+isinφ,傅氏级数可改写为复数形式:
x(t)=n=−∞∑∞cnei2πnf0t,f0=T1
系数 cn(称为离散频谱)由下式确定:
cn=T1∫t0t0+Tx(t)e−i2πnf0tdt
- 振幅谱:∣cn∣
- 相位谱:argcn
傅氏级数展开定理
设 x(t) 在区间 [t0,t0+T] 上连续或仅有有限个第一类间断点及极值点,则其可展成傅氏级数:
x(t)=n=−∞∑∞cnei2πnf0t,f0=T1
其中
cn=T1∫t0t0+Tx(t)e−i2πnf0tdt
§2 傅氏变换,连续信号与频谱
1. 傅里叶变换,连续信号与频谱
对定义在 (−∞,+∞) 上的信号 x(t),若满足一定条件,有
X(f)=∫−∞∞x(t)e−i2πftdt
x(t)=∫−∞∞X(f)ei2πftdf
- 频谱 X(f):复函数,表示各频率谐波 ei2πft 的权重
- 振幅谱:A(f)=∣X(f)∣
- 相位谱:φ(f)=argX(f)
2. 几类基本信号的频谱
| 信号 | s(t) | S(f) |
|---|---|---|
| 方波 | {1,0,∣t∣<δ∣t∣>δ | πfsin2πδf |
| 三角波 | {1−∣t∣/δ,0,∣t∣<δ∣t∣>δ | (πf)2δsin2πδf |
| 钟形波 | e−βt2 (β>0) | βπe−π2f2/β |
| 半余弦波 | {cos(πt/2δ),0,∣t∣≤δ∣t∣>δ | π(1−(4δf)2)4δcos2πδf |
| 单边指数衰减 | {e−αt,0,t>0t<0 (α>0) | α+i2πf1 |
| 双边指数衰减 | e−α∣t∣(α>0) | α(α2+(2πf)2)2α2 |
3. 频谱的基本性质
性质1(共轭性质)
若 x(t) 的频谱为 X(f),则 x(t) 的频谱为 X(−f)。
特例:当 x(t) 为实信号时,X(−f)=X(f)。
性质2(时移定理)
若 x(t) 的频谱为 X(f),则 x(t−t0) 的频谱为 X(f)e−i2πft0。
物理意义:时移不改变振幅谱,仅使相位谱增加线性项 −2πft0。
性质3(对称定理)
若 x(t) 的频谱为 X(f),则 X(t) 的频谱为 x(−f)。
性质4(频移定理)
若 x(t) 的频谱为 X(f),则:
- x(t)ei2πf0t 的频谱为 X(f−f0);
- x(t)cos2πf0t 的频谱为 21[X(f−f0)+X(f+f0)];
- x(t)sin2πf0t 的频谱为 2i1[X(f−f0)−X(f+f0)]。
性质5(翻转定理)
若 x(t) 的频谱为 X(f),则 x(−t) 的频谱为 X(−f)。
性质5'(时间展缩定理)
若 x(t) 的频谱为 X(f),a=0,则 x(at) 的频谱为 ∣a∣1X(af)。
| 运算 | 时间域 | 频率域 |
|---|---|---|
| 线性叠加 | ax(t)+by(t) | aX(f)+bY(f) |
| 时域微分 | dtndnx | (i2πf)nX(f) |
| 频域微分 | (−i2πt)nx(t) | dfndnX(f) |
§3 傅氏级数与傅氏积分,离散频谱与连续频谱
1. 傅氏级数与傅氏积分的关系
- 傅氏积分:适用于无限长信号,频率 f 连续取值,频谱 X(f) 为连续谱。
- 傅氏级数:适用于有限区间或周期信号,频率只能取离散值 nf0,频谱 cn 为离散谱。
2. 离散频谱与连续频谱
连续谱抽样定理
设信号 x(t) 满足 x(t)=0 当 t∈/[t0,t0+T](即有限长度信号),其连续频谱为 X(f)。则以间隔 fΔ=1/T 对 X(f) 抽样所得离散值
X(nfΔ)=X(Tn),n=0,±1,±2,…
可完全恢复原信号 x(t)(t∈[t0,t0+T])及其连续频谱 X(f)。
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