四种傅里叶变换的简述

四种傅里叶变换的简述

文章目录

  • 四种傅里叶变换的简述
    • CTFS 连续时间傅里叶级数
    • CTFT 连续时间傅里叶变换
    • DTFT 离散时间傅里叶变换
    • DTFS 离散时间傅里叶级数
    • DFT 离散傅里叶变换
    • FFT 快速傅里叶变换
    • FFT 快速傅里叶变换
    • 【附1】狄利克雷收敛条件 和 绝对可和条件
    • 【附2】缩写-全称对照

CTFS 连续时间傅里叶级数

满足 狄利克雷收敛条件 的周期信号可以精确的展开为 傅里叶级数

x ( t ) = ∑ k = − ∞ + ∞ X k e j k ω 0 t x(t) = \sum_{k=-\infty}^{+\infty}X_{k}e^{jk\omega_{0}t} \\ x(t)=k=+Xkejkω0t

其中

傅里叶级数的系数
X k = 1 T ∫ − T 2 T 2 x ( t ) e − j k ω 0 t X_{k} = \frac{1}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}x(t)e^{-jk\omega_{0}t} Xk=T12T2Tx(t)ejkω0t
周期和基频
T = 2 π ω 0 T = \frac{2\pi}{\omega_{0}} T=ω02π

CTFT 连续时间傅里叶变换

满足 狄利克雷收敛条件 的非周期信号,可以认为是周期无穷大的信号用CTFS的特例

于是有
X ( j ω ) = ∫ − ∞ + ∞ x ( t ) e − j ω t d t x ( t ) = 1 2 π ∫ − ∞ + ∞ X ( j ω ) e j ω t d ω \begin{aligned} X(j\omega)&=\int_{-\infty}^{+\infty}x(t)e^{-j\omega t}dt \\ x(t)&=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{+\infty}X(j\omega)e^{j\omega t}d\omega \end{aligned} X()x(t)=+x(t)etdt=2π1+X()etdω
满足狄利克雷收敛条件,则可以做傅里叶变换
一些不满足狄利克雷收敛条件的信号在引入奇异信号之后,也有傅里叶变换
所以满足狄利克雷收敛条件是可以做傅里叶变换的充分不必要条件

DTFT 离散时间傅里叶变换

满足绝对可和条件,则可以进行DTFT
X ( Ω ) = ∑ n = − ∞ + ∞ x ( n ) e − j Ω n x ( n ) = 1 2 π ∫ 2 π X ( Ω ) e j Ω n d Ω \begin{aligned} X(\Omega)&=\sum_{n=-\infty}^{+\infty}x(n)e^{-j\Omega n} \\ x(n)&=\frac{1}{2\pi}\int_{2\pi}X(\Omega)e^{j\Omega n}d\Omega \end{aligned} X(Ω)x(n)=n=+x(n)ejΩn=2π12πX(Ω)ejΩndΩ
Ω称为数字角频率
X(Ω) 一般以 2π 为周期

DTFS 离散时间傅里叶级数

周期序列一般不满足绝对可和条件,但经过 2 步:

  1. 对非周期信号取样,得到周期化的频谱

  2. 对周期化的频谱取样,得到离散化的时域信号

于是就有了离散时间周期序列与周期的傅里叶级数的对应
X ( k ) = ∑ n = 0 N − 1 x ( n ) e − j k ( 2 π N ) n ) x ( n ) = 1 N ∑ n = 0 N − 1 X ( k ) e j k ( 2 π N ) n ) \begin{aligned} X(k) &= \sum_{n=0}^{N-1}x(n)e^{-jk(\frac{2\pi}{N})n)} \\ x(n) &= \frac{1}{N}\sum_{n=0}^{N-1}X(k)e^{jk(\frac{2\pi}{N})n)} \end{aligned} X(k)x(n)=n=0N1x(n)ejk(N2π)n)=N1n=0N1X(k)ejk(N2π)n)

x(n) 以 N为周期
只有时频域都是离散化的DTFS(有时也简写为DFS),才有可能通过计算机进行处理。

四种傅里叶变换的简述_第1张图片

DFT 离散傅里叶变换

由于DTFS的时频域都是周期序列,即样点无限长,所以无法通过计算机进行处理。因此只取出DTFS的主值序列交由激素那几进行处理,这种变换称为DFT,即离散傅里叶变换。
四种傅里叶变换的简述_第2张图片

不过注意到“取主值”操作隐含了周期性,所以相应的移位、卷积等操作会变为“圆周移位”、“圆周卷积”。
在满足奈奎斯特抽样定理的情况下,通过“插值重构”的方式可以将原始的连续信号恢复出来。

FFT 快速傅里叶变换

FFT 快速傅里叶变换

DFT在运算时因为其计算量太大,在很多平台上的计算开销难以承受,所以诞生之后一直不温不火。直到FFT算法的诞生,使傅里叶变换可以大范围的运用到数字计算系统上,才打开了现代化数字通信的大门。

DFT的计算复杂度为 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2),而 FFT 的计算复杂度为 O ( n log ⁡ n ) O(n\log n) O(nlogn)

【附1】狄利克雷收敛条件 和 绝对可和条件

狄利克雷收敛条件:

  1. 在(t0 , t0+T)区间内有定义
  2. x(t) 绝对可积,即:

∫ t 0 t 0 + T ∣ x ( t ) ∣ d t < ∞ \int_{t_{0}}^{t_{0}+T}|x(t)|dt<\infty t0t0+Tx(t)dt<

  1. x(t) 的极大值极小值数目有限

  2. x(t) 的第一类间断点的数目有限

绝对可和条件:
∑ n = − ∞ + ∞ ∣ x ( t ) ∣ < ∞ \sum_{n=-\infty}^{+\infty}|x(t)|<\infty n=+x(t)<

【附2】缩写-全称对照

缩写 英文全称 中文全称
CTFS Continues Time Fourier Series 连续时间傅里叶级数
CTFT Continues Time Fourier Transformation 连续时间傅里叶变换
DTFT Discrete Time Fourier Transformation 离散时间傅里叶变换
DTFS Discrete Time Fourier Series 离散时间傅里叶级数

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