时域频域的四种傅里叶变换

### 傅里叶变换时域频域表达式 #### 连续时间傅里叶变换(CTFT) - **正变换**:对于连续时间信号 \(x(t)\),其傅里叶变换 \(X(j\omega)\) 定义为 \[X(j\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}x(t)e^{-j\omega t}dt\] 其中 \(t\) 是时间变量,\(\omega\) 是角频率,单位为弧度/秒。 - **逆变换**:从频域信号 \(X(j\omega)\) 恢复时域信号 \(x(t)\) 的表达式为 \[x(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(j\omega)e^{j\omega t}d\omega\] #### 离散时间傅里叶变换(DTFT) - **正变换**:对于离散时间序列 \(x[n]\),其离散时间傅里叶变换 \(X(e^{j\Omega})\) 定义为 \[X(e^{j\Omega})=\sum_{n = -\infty}^{\infty}x[n]e^{-j\Omega n}\] 这里 \(n\) 是离散时间序号,\(\Omega\) 是数字频率,单位为弧度(无量纲)。 - **逆变换**:从频域序列 \(X(e^{j\Omega})\) 恢复时域序列 \(x[n]\) 的表达式为 \[x[n]=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(e^{j\Omega})e^{j\Omega n}d\Omega\] #### 离散傅里叶变换(DFT) - **正变换**:对于长度为 \(N\) 的离散序列 \(x[n]\),\(n = 0,1,\cdots,N - 1\),其离散傅里叶变换 \(X[k]\) 定义为 \[X[k]=\sum_{n = 0}^{N - 1}x[n]e^{-j\frac{2\pi}{N}kn}, \quad k = 0,1,\cdots,N - 1\] - **逆变换**:从频域序列 \(X[k]\) 恢复时域序列 \(x[n]\) 的表达式为 \[x[n]=\frac{1}{N}\sum_{k = 0}^{N - 1}X[k]e^{j\frac{2\pi}{N}kn}, \quad n = 0,1,\cdots,N - 1\] ### 波形图总结 #### 连续时间傅里叶变换(CTFT) - **时域波形**:通常是连续变化的信号,例如正弦信号 \(x(t)=A\sin(\omega_0t+\varphi)\),其波形是周期性的连续曲线。 - **频域波形**:\(X(j\omega)\) 一般是复数函数,通常分别绘制其幅度谱 \(|X(j\omega)|\) 和相位谱 \(\angle X(j\omega)\)。对于正弦信号,幅度谱在 \(\omega=\pm\omega_0\) 处有冲激。 #### 离散时间傅里叶变换(DTFT) - **时域波形**:是离散的序列,例如 \(x[n] = A\sin(\Omega_0n+\varphi)\),其波形是离散的点。 - **频域波形**:\(X(e^{j\Omega})\) 也是复数函数,同样绘制幅度谱 \(|X(e^{j\Omega})|\) 和相位谱 \(\angle X(e^{j\Omega})\)。DTFT 的频域是周期为 \(2\pi\) 的函数。 #### 离散傅里叶变换(DFT) - **时域波形**:是有限长的离散序列。 - **频域波形**:\(X[k]\) 是离散的复数序列,绘制幅度谱 \(|X[k]|\) 和相位谱 \(\angle X[k]\),其长度与时域序列长度相同。 ### Python 代码示例绘制简单波形 ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 连续时间信号(正弦波) t = np.linspace(0, 1, 1000) x_t = np.sin(2 * np.pi * 5 * t) # 计算 CTFT(近似) omega = np.linspace(-20, 20, 1000) X_jomega = np.zeros(len(omega), dtype=complex) for i, w in enumerate(omega): X_jomega[i] = np.trapz(x_t * np.exp(-1j * w * t), t) # 绘制时域波形 plt.figure(figsize=(12, 6)) plt.subplot(2, 1, 1) plt.plot(t, x_t) plt.title('Time Domain Signal') plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Amplitude') # 绘制频域幅度谱 plt.subplot(2, 1, 2) plt.plot(omega, np.abs(X_jomega)) plt.title('Frequency Domain Amplitude Spectrum') plt.xlabel('Angular Frequency (rad/s)') plt.ylabel('Magnitude') plt.tight_layout() plt.show() ```
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