矛盾性:在时域描述一个不连续的信号要求信号的有无穷的频率成分,但实际情况中不可能采样到无穷的频率成分。
实际中的信号采样系统只能采样一定的频率范围,对不连续信号(或有无穷频率成分的信号)采样将会存在频率截断。
频率截断会引起时域信号在不连续处产生“振铃效应”,这个现象成为吉布斯现象。
吉布斯现象:由于频率截断现象,具有无穷频率分量的信号在时域的不连续处会产生“振铃效应”。
- 对连续时间周期信号可以进行傅里叶级数展开,如果只取其中的前有限项,将得到信号的一个最小均方误差逼近。当项目增至无穷时,这个逼近在均方意义上收敛于原信号,但并不是一致收敛的。对于信号的跳变点,傅里叶级数的部分和将在该点附近出现波动,如将其输入理想低通滤波器,则相当于对其频率作了截断,将会出现类似的效果。
- Gibbs 现象的产生有两个条件:(1) 对信号频谱的锐截止;(2) 原信号存在跳变点
吉布斯现象形成的原因是:频率截断。
“频率截断”可以简单地理解为一个理想的低通滤波器(截止频率为 w c w_c wc),如下图所示:
幅频特性 | 相频特性 |
---|---|
低通滤波器只保留 ∣ w ∣ ≤ w c |w|\le w_c ∣w∣≤wc的频率成分,因此输入信号的高频部分将被截断,丢失了部分频率信息势必会在时域上产生一定的影响。
下面将分别考虑低通滤波器对单位阶跃信号,矩形脉冲信号,周期矩形脉冲信号的响应来分析吉布斯现象:
低通滤波器的单位阶跃响应
理想的低通滤波器的频率响应为
H ( j w ) = G 2 w c ( w ) e − j w t d H(jw) = G_{2w_c}(w)e^{-jwt_d} H(jw)=G2wc(w)e−jwtd
则单位阶跃响应为
S ( j w ) = H ( j w ) F ( u ( t ) ) = G 2 w c ( w ) e − j w t d ⋅ [ π δ ( w ) + 1 j w ] \begin{aligned} S(jw) &= H(jw)\mathscr{F}(u(t))\\ &= G_{2w_c}(w)e^{-jwt_d}\cdot [\pi \delta(w) + \frac{1}{jw}]\\ \end{aligned} S(jw)=H(jw)F(u(t))=G2wc(w)e−jwtd⋅[πδ(w)+jw1]
为求输出信号的时域波形,进行傅里叶反变换,有
s ( t ) = F − 1 ( S ( j w ) ) = 1 2 π ∫ − w c w c [ π δ ( w ) + 1 j w ] e − j w t d ⋅ e j w t d w = 1 2 + ∫ − w c w c 1 j w e j w ( t − t d ) d w = 1 2 + 1 2 π ∫ − w c w c 1 j w cos [ w ( t − t d ) ] d w + 1 2 π ∫ − w c w c 1 w sin [ w ( t − t d ) ] d w = 1 2 + 1 π ∫ 0 w c 1 w sin [ w ( t − t d ) ] d w = 1 2 + 1 π ∫ 0 w c ( t − t d ) sin x x d x \begin{aligned} s(t) &= \mathscr{F}^{-1}(S(jw))\\ &= \frac{1}{2\pi}\int_{-w_c}^{w_c} [\pi \delta(w) + \frac{1}{jw}]e^{-jwt_d}\cdot e^{jwt} \mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \int_{-w_c}^{w_c}\frac{1}{jw} e^{jw(t-t_d)} \mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \frac{1}{2\pi}\int_{-w_c}^{w_c}\frac{1}{jw}\cos{[w(t-t_d)]}\mathrm{dw} + \frac{1}{2\pi}\int_{-w_c}^{w_c}\frac{1}{w}\sin{[w(t-t_d)]}\mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \frac{1}{\pi}\int_{0}^{w_c}\frac{1}{w}\sin{[w(t-t_d)]}\mathrm{dw}\\ &= \frac{1}{2} + \frac{1}{\pi}\int_{0}^{w_c(t-t_d)} \frac{\sin x}{x} dx \end{aligned} s(t)=F−1(S(jw))=2π1∫−wcwc[πδ(w)+jw1]e−jwtd⋅ejwtdw=21+∫−wcwcjw1ejw(t−td)dw=21+2π1∫−wcwcjw1cos[w(t−td)]dw+2π1∫−wcwcw1sin[w(t−td)]dw=21+π1∫0wcw1sin[w(t−td)]dw=21+π1∫0wc(t−td)xsinxdx
其中上式的积分部分称为正弦积分。输出信号的时域波形如图所示,它具有以下特点:
理想低通滤波器的单位阶跃响应
低通滤波器对矩形脉冲信号的响应
矩形脉冲信号可以看成两个阶跃信号的相减,故输出信号可以看成低通滤波器的两个阶跃响应之差,易想象同样存在吉布斯现象。
G τ ( t ) = u ( t ) − u ( t − τ ) G_{\tau}(t)=u(t) - u(t-\tau) Gτ(t)=u(t)−u(t−τ)
低通滤波器对周期矩形脉冲信号的响应
设周期方波信号的周期为 T = 2 τ T=2\tau T=2τ,则周期方波信号可以表示为
f ( t ) = 2 G τ ( t ) ∗ δ 2 τ ( t ) − 1 f(t) = 2G_{\tau}(t) * \delta_{2\tau}(t) - 1 f(t)=2Gτ(t)∗δ2τ(t)−1
其频谱为( Ω = 2 π 2 τ = π τ \Omega = \frac{2\pi}{2\tau}=\frac{\pi}{\tau} Ω=2τ2π=τπ)
F ( j w ) = 2 τ S a ( τ 2 w ) Ω δ Ω ( w ) − 2 π δ ( w ) = ∑ n = − ∞ n ≠ 0 n = + ∞ 2 π S a ( n π 2 ) δ ( w − n Ω ) \begin{aligned} F(jw) &= 2\tau Sa(\frac{\tau}{2}w) \Omega \delta_{_{\Omega}}(w) - 2\pi\delta(w)\\ &= \sum_{n=-\infty \atop n\not =0}^{n=+\infty} 2\pi Sa(\frac{n\pi}{2}) \delta(w - n\Omega) \end{aligned} F(jw)=2τSa(2τw)ΩδΩ(w)−2πδ(w)=n=0n=−∞∑n=+∞2πSa(2nπ)δ(w−nΩ)
显然,则是一个偶函数( F ( j w ) F(jw) F(jw)为纯实数),也是一个奇谐函数(只有奇次谐波分量)。再考虑理想低通滤波器,其输出相应相当于只取 ∣ w ∣ < w c |w| < w_c ∣w∣<wc的频率分量,可以发现: