第三章 傅立叶变换1PPT讲稿.ppt
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1、第三章 傅立叶变换1第1页,共44页,编辑于2022年,星期二此外,此外,a0、an及及bn又分别称为又分别称为“直流分量、余弦分量的幅度、正弦分量的幅度直流分量、余弦分量的幅度、正弦分量的幅度”。2.Dirichlet 条件条件:当周期信号当周期信号 f(t)满足以下条件时,才能进行傅立叶级数展开满足以下条件时,才能进行傅立叶级数展开(1)在一个周期内在一个周期内,f(t)的间断点数目有限;的间断点数目有限;(2)在一个周期内在一个周期内,f(t)的极值数目有限;的极值数目有限;(3)在一个周期内在一个周期内,f(t)绝对可积,绝对可积,即即3.简化形式简化形式:(1)余弦形式余弦形式 关系
2、关系:(2)正弦形式正弦形式 关系关系:另外另外,第2页,共44页,编辑于2022年,星期二4.建立建立“频谱频谱”的概念:的概念:基基 频频 频频率率 f f1 1=1/T=1/T1 1,基基 波波 频频率率为为基基频频的分量,的分量,称称为为“基波基波”。谐谐 波波 频频率率 2f 2f1 1,3f,3f1 1,nfnf1 1,的分量的分量 ,分,分别别称称为为“二次二次谐谐波、三次波、三次谐谐波波”。幅度幅度谱谱是指是指将将幅度幅度值值(如如c cn n)作作为为函函数数、频频率率 作作为为自自变变量,量,绘绘制的制的关关系曲系曲线线。相位相位谱谱是指是指将将相位相位值值(如如 )作作为
3、为函函数数、频频率率 作作为为自自变变量,量,绘绘制的制的关关系曲系曲线线。5.周期信号频谱的特点:周期信号频谱的特点:“谱线谱线”的概念的概念在幅度在幅度谱谱中中,每每条条线线的高度代表的高度代表该频该频率分量的幅度大小率分量的幅度大小,称称为谱线为谱线.cn c0 c3c1 c2 0 1 3 1 1 n 1 1 幅度谱幅度谱 0 1 3 1 1 n 1 1 n n 相位谱相位谱 特点特点 周期信周期信号号的的频谱频谱是离散是离散谱谱!其其频谱频谱只只会会出出现现在在 =0=0、1 1、2 2 1 1等离散的等离散的频频率位置率位置上。上。第3页,共44页,编辑于2022年,星期二例:某周期
4、信号如图所示,试求其傅立叶级数,及幅度谱和相位谱。例:某周期信号如图所示,试求其傅立叶级数,及幅度谱和相位谱。f(t)E -T1 0 T1 t解:解:或者是:或者是:;第4页,共44页,编辑于2022年,星期二最后,求其幅度谱和相位谱:最后,求其幅度谱和相位谱:0 1 3 1 1 n 1 1 n n 相位谱相位谱 cn E/T/T1 1 0 1 幅度谱幅度谱=0,第5页,共44页,编辑于2022年,星期二二、指数形式的傅里叶级数二、指数形式的傅里叶级数周期信号的傅里叶级数展开也可表示为指数形式周期信号的傅里叶级数展开也可表示为指数形式已知已知1、根据欧拉公式得:、根据欧拉公式得:把上式代入已知
5、中得:把上式代入已知中得:第6页,共44页,编辑于2022年,星期二令令为指数形式傅里叶级数的系数,简称为为指数形式傅里叶级数的系数,简称为第7页,共44页,编辑于2022年,星期二为复数形式为复数形式2、重要关系、重要关系(Fn与其他系数的关系与其他系数的关系)见书见书92页页3、指数形式表示的信号频谱见图、指数形式表示的信号频谱见图93页页 4、帕赛瓦尔定理能量守恒定理,平均功率、帕赛瓦尔定理能量守恒定理,平均功率利用傅里叶级数的有关结论研究周期信号的功率特性利用傅里叶级数的有关结论研究周期信号的功率特性第8页,共44页,编辑于2022年,星期二周期信号的平均功率是三角形式的傅里叶级数,或
6、者是指数形式的傅里叶级数,周期信号的平均功率是三角形式的傅里叶级数,或者是指数形式的傅里叶级数,两边平方,并在一个周期内进行积分两边平方,并在一个周期内进行积分上式表明:上式表明:周期信号的平均功率傅里叶级数展开直流成分,基波及各谐波分量周期信号的平均功率傅里叶级数展开直流成分,基波及各谐波分量有效值的平方和,也即时域和频域的能量守恒称帕赛瓦定理(或方程)有效值的平方和,也即时域和频域的能量守恒称帕赛瓦定理(或方程)第9页,共44页,编辑于2022年,星期二三、函数的对称性与傅里叶系数的关系三、函数的对称性与傅里叶系数的关系f(t)是实函数而且它的波形满足某种对称性,使表达式变的简单地。是实函
7、数而且它的波形满足某种对称性,使表达式变的简单地。波形的对称性有两类:波形的对称性有两类:1、对整个周期对称有偶函数和奇函数、对整个周期对称有偶函数和奇函数2、对半周期对称有奇谐函数、对半周期对称有奇谐函数对称条件:对称条件:(1)、偶函数:若信号波形相对于纵轴是对称的,即满足、偶函数:若信号波形相对于纵轴是对称的,即满足f(t)=f(-t),此时此时f(t)是偶函数是偶函数第10页,共44页,编辑于2022年,星期二上式关系得,上式关系得,1、偶函数的、偶函数的Fn为实数。为实数。2、偶函数的傅里叶级数中不会含有正弦项为、偶函数的傅里叶级数中不会含有正弦项为0,只可能含有直流项,只可能含有直
8、流项和余弦项。和余弦项。(2)、奇函数:若信号波形相对于原点是对称的,即满足、奇函数:若信号波形相对于原点是对称的,即满足f(t)=f(-t),此时此时f(t)是偶函数是偶函数第11页,共44页,编辑于2022年,星期二上式关系得,上式关系得,1、只有正弦分量。、只有正弦分量。2、奇函数的傅里叶级数中不会含有直流项和余弦项。、奇函数的傅里叶级数中不会含有直流项和余弦项。(3)、奇谐函数:若信号波形沿时间轴平移半个周期并相对于时间轴上下反转,此时波形并不发、奇谐函数:若信号波形沿时间轴平移半个周期并相对于时间轴上下反转,此时波形并不发生变化,即满足生变化,即满足f(t)=f(tT1/2),这样函
9、数为奇谐函数或称为半波对称函数这样函数为奇谐函数或称为半波对称函数如图如图P9635奇谐函数奇谐函数第12页,共44页,编辑于2022年,星期二上式表明,上式表明,当当f(t)为实奇谐函数时,实奇谐函数的傅里叶级数中,没有直流分量,不含偶)为实奇谐函数时,实奇谐函数的傅里叶级数中,没有直流分量,不含偶次谐波项,只含有基波和奇次谐波的正弦,余弦项,而不会包含偶次谐波项。次谐波项,只含有基波和奇次谐波的正弦,余弦项,而不会包含偶次谐波项。第13页,共44页,编辑于2022年,星期二四四.傅立叶有限项级数与最小方均误差傅立叶有限项级数与最小方均误差:1.方均误差方均误差EN:假设,用假设,用SN(t
10、)表示表示 f(t)的前的前2N+1项级数项级数即即若用若用SN(t)近似表示近似表示 f(t),则误差为:,则误差为:方均误差为方均误差为:经过整理,可得:经过整理,可得:例:例:f(t)0 tf(t)既是偶函数、又是奇谐函数既是偶函数、又是奇谐函数,只有直流项和只有直流项和余弦项余弦项无直流项,只有基波和奇次谐无直流项,只有基波和奇次谐波的正弦、余弦项波的正弦、余弦项只有基波和奇次谐波的余弦项只有基波和奇次谐波的余弦项!且且=n=1,5,n=3,7,第14页,共44页,编辑于2022年,星期二 考察其有限项级数考察其有限项级数 SN:S1=S2=S3=分别用分别用S1、S2、S3来近似表示
11、原函数来近似表示原函数 f(t),波形示意图见教材波形示意图见教材 P P99 99。相应的方均误差相应的方均误差EN:结论:结论:有限项级数的项数有限项级数的项数N取得愈多、则波形愈逼近原信号取得愈多、则波形愈逼近原信号f(t),且且EN愈小。当愈小。当n时,SN(t)=f(t)。当当f(t)是脉冲信号时是脉冲信号时,其傅立叶级数中的高频分量主要影响的是它的跳变沿;低频分量主要影响其傅立叶级数中的高频分量主要影响的是它的跳变沿;低频分量主要影响脉冲顶部的形状脉冲顶部的形状。换言之,信号言之,信号f(t)的波形变化越剧烈、它所包含的高频分量越丰富;变化越缓的波形变化越剧烈、它所包含的高频分量越
12、丰富;变化越缓慢、则所含低频分量越丰富。慢、则所含低频分量越丰富。当用有限项级数愈逼近原信号当用有限项级数愈逼近原信号f(t)时时,如果其中任一频谱分量的幅度或相位发生变化时,则最后如果其中任一频谱分量的幅度或相位发生变化时,则最后叠加形成的输出波形会失真。叠加形成的输出波形会失真。2.吉布斯现象吉布斯现象:第15页,共44页,编辑于2022年,星期二二二.周期锯齿脉冲信号周期锯齿脉冲信号:f(t)0 T1 t奇函数奇函数 f(t)的傅立叶系数的傅立叶系数 a0、an都为都为0,利用积分结果:利用积分结果:则则 结论结论 周期周期锯齿锯齿脉冲信脉冲信号号的的频谱频谱中,不包含直流分量和余弦分量
13、,只有正弦分中,不包含直流分量和余弦分量,只有正弦分量;而且,各次量;而且,各次谐谐波的幅度以波的幅度以 的的规规律收律收敛敛。第16页,共44页,编辑于2022年,星期二三三.周期三角脉冲信号周期三角脉冲信号:f(t)E 0 tf(t)是偶函数是偶函数,故其的正弦分量的系数故其的正弦分量的系数 bn=0。利用积分结果:利用积分结果:则则=且且=0=0,则则0,当当n为偶数时为偶数时当当n为奇数时为奇数时从而从而结论结论:周期三角脉冲的频谱只含有直流、基波和奇次谐波的余弦项。且谐波的幅:周期三角脉冲的频谱只含有直流、基波和奇次谐波的余弦项。且谐波的幅度以度以 的规律收敛。的规律收敛。第17页,
14、共44页,编辑于2022年,星期二3.4 傅立叶傅立叶变换 非周期信号非周期信号的的频谱分析方法分析方法一一.定义的引出定义的引出:0 1 -T -T1 1 0 0 T T1 1 2T2T1 1 0 0 T T1 1 0 1 0 0 t tT1增大增大T1 可以发现可以发现:当当T1时,谱线的间隔时,谱线的间隔1 1,离散离散谱谱线变谱谱线变密;密;当当T1无无穷大大时,谱线的间隔谱线的间隔1 1 无限小无限小,离散离散谱谱就就变变成了成了连续谱连续谱。的值的值0,因此,不能因此,不能再用再用 作作为非周期非周期信号信号频谱的度量指的度量指标。但同但同时应时应注意到:注意到:第18页,共44页
15、,编辑于2022年,星期二当当T1无无穷大大时:谱线间隔谱线间隔1d离散频率变量离散频率变量 n1连续频率变量连续频率变量 有限的数值有限的数值又又=原周期信号的傅立叶级数原周期信号的傅立叶级数当当 T1时:T1即即第19页,共44页,编辑于2022年,星期二二二.傅立叶变换的含义傅立叶变换的含义:正变换的定义是正变换的定义是j F(F()一般是一般是复复函函数数,从而从而又又 F(F()称称为为f(t)f(t)的的“频谱频谱密度密度函函数数”。注注 意:意:表示的是非周期信号的各频率分量的相对大小,而不是其幅度值;表示的是非周期信号的各频率分量的相对大小,而不是其幅度值;表示的是非周期信号的
16、各频率分量之间的相位关系。表示的是非周期信号的各频率分量之间的相位关系。但是:也将但是:也将 曲线称为非周期信号的曲线称为非周期信号的“幅度频谱幅度频谱”;将将 曲线称为非周期信号的曲线称为非周期信号的“相位频谱相位频谱”。当当 f(t)是实函数时是实函数时,是是 的偶函数;的偶函数;是是 的奇函数。的奇函数。三三.傅立叶变换存在的条件傅立叶变换存在的条件:充分条件充分条件:第20页,共44页,编辑于2022年,星期二3.5 3.6 几种典型非周期信号的傅立叶几种典型非周期信号的傅立叶变换一一.矩形脉冲信号矩形脉冲信号:幅度为幅度为 E、脉宽为、脉宽为的的对称脉冲对称脉冲f(t)E-/20/2
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