常用傅里叶变换对_第四章 频率域滤波-(四)单变量的离散傅里叶变换(DFT)之由取样后的函数的连续变换得到的DFT...

2023-05-16

周末去书店,最显眼位置的推荐书,将近一半跟华为有关。原来知识分子也要蹭热度。

由取样后的函数的连续变换得到的DFT

有时候,不是我们学不懂,而是大神们太低估我们跟他之间的鸿沟。作为一名不务正业的程序员的工科生,反正我读不懂标题是觉得很难受的。

1. 取样后的函数?

何为取样后的函数?我们往前翻一翻,在取样定理中就聊过了。

取样是为了干什么?当然是为了把时域的连续函数变成计算机可以处理的离散点。

2. 什么是取样后的函数的连续变换?

我们要理解这里的连续变换指的是什么?简单的说就是离散时间傅里叶变换(DTFT)。不要觉得引入了新名词就觉得高大上,他是对取样后函数的傅里叶变换,我们在取样函数的傅里叶变换这一节中已经详细的说过了。

可见,对取样后的函数做傅里叶变换是一个连续的周期函数。

即:一个在时域上的离散函数,傅里叶变换后它的频域上的变换可以是连续的,并且是周期的。

3. 什么是由取样后的函数的连续变换得到的DFT?

DFT(DiscreteFourier Transform)离散傅里叶变换的缩写。它是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式,将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换(DTFT)频域的采样。

没找到雷神画的,自己标注一下吧

取样后的函数是变成离散的计算机可以处理的数据了,但是变换后的频域上还是连续的啊。怎么让计算机连频域上的数据都可以处理呢?对!老方法再用一次,对频域信号进行采样呗~

好了,这个标题的信息量有些大,读懂了标题,我相信内容就简单多了!


为了方便,我们把常用的一些符号先贴过来!

  • equation?tex=f%28t%29 为原函数,
    equation?tex=F%28%5Cmu%29 为原函数
    equation?tex=f%28t%29 的傅里叶变换;
  • equation?tex=%5Ctilde%7Bf%7D%28t%29 为取样后函数,
    equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 为取样后函数
    equation?tex=%5Ctilde%7Bf%7D%28t%29 的傅里叶;
  • equation?tex=H%28%5Cmu%29 为频域内的一个带通滤波器;
  • equation?tex=F%28%5Cmu%29%3DH%28%5Cmu%29+%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 ,用带通滤波器又截取了
    equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 的一个周期;

寻找

之前,我们一直讨论了一个取样过、带限的、扩展到

equation?tex=-%5Cinfty
equation?tex=%5Cinfty 范围的函数的傅里叶变换
equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 ,如下图,它也是一个扩展到扩展到
equation?tex=-%5Cinfty
equation?tex=%5Cinfty 范围的周期函数。

我们知道了

equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29
equation?tex=%5Ctilde%7Bf%7D%28t%29 的傅里叶变换:

equation?tex=%5Ctilde%7Bf%7D%28t%29
equation?tex=f%28t%29经过
equation?tex=%5Cdelta%28t-n+%5CDelta+T%29 采样而来,所以:

注:
何为
equation?tex=f_n ,这里其实是借鉴了冲激函数采样的公式

equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 为周期为
equation?tex=1+%2F+%5CDelta+T 的无限周期连续函数。因此,我们只需要表征
equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 的一个周期,对一个周期取样是DFT的基础。

假设我们想要在周期

equation?tex=%5Cmu%3D0
equation?tex=%5Cmu%3D1+%2F+%5CDelta+T 之间得到的
equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29
equation?tex=M 个等间距样本,可以通过加如下频率处取样得到:

注:
这里已经开始对频率域的
equation?tex=%5Ctilde%7BF%7D%28%5Cmu%29 进行一个周期采样啦。

equation?tex=%5Cmu 代入上式,我们用
equation?tex=F_m 表示得到的结果:

哈哈,

equation?tex=F_m 不就是我们定义的DFT吗?(对频域上连续函数进行采样),没错,这就是离散傅里叶变换的表达式!

有没有

equation?tex=IDFT

当然有,它应该是一个原函数

equation?tex=f%28t%29 的M个样本组成的集合

总结:

  1. 我们可以把DFT和IDFT两个表达式互带一下,结果肯定是恒等的,所以他们互为逆变换。
  2. 有意思的是,我们虽然引入了采样间隔
    equation?tex=%5CDelta+T ,但是在DFT以及IDFT中并没有关于采样间隔的表示。这说明离散傅里叶变换对适用于任何均匀采样的有限离散样本集。
  3. 为了方便起见,我们一般把离散傅里叶变换对写成如下方式:
  4. 离散傅里叶变换对都是无限周期的,即
    equation?tex=F%28u%29%3DF%28u%2Bk+M%29
  5. 卷积也有离散表达式,并且卷积和式周期的:

完美!

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