离散傅里叶变换DFT

本文深入探讨了傅里叶变换的基础理论,详细解析了离散傅里叶变换(DFT)与快速傅里叶变换(FFT)的工作原理及应用。从时域离散信号到频域采样,再到MATLAB中的FFT函数使用,全面覆盖了信号处理中的关键概念。

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对DFT相关的内容做一个梳理。

傅里叶变换(FT)

在学习信号处理的过程中,我们最早接触的是时域连续信号的傅里叶变换:
X ( j Ω ) = ∫ − ∞ + ∞ x ( t ) e − j Ω t d t X(j\Omega) = \int_{-\infty}^{+\infty} x(t)e^{-j\Omega t}dt X(jΩ)=+x(t)ejΩtdt

而在实际应用中,经常接触到的是序列,即时域离散信号。我们可以把上式中的积分变为求和,自然而然地得到时域离散信号的傅里叶变换:
X ( e j ω ) = ∑ n = − ∞ + ∞ x ( n ) e − j ω n X(e^{j\omega}) =\sum_{n = -\infty}^{+\infty}x(n)e^{-j\omega n} X(e)=n=+x(n)ejωn

需要注意的是, X ( e j ω ) X(e^{j\omega}) X(e)具有 2 π 2\pi 2π周期性。 ω = 0 \omega=0 ω=0处代表低频, ω = π \omega=\pi ω=π处代表高频(这个下面会有解释)。

离散傅里叶变换(DFT)

上述时域离散信号的FT在频域上是连续的,这样对于计算机来说还是不能处理。这时候,DFT诞生了。设序列 x ( n ) x(n) x(n)长度为M,它的N点DFT为:
X ( k ) = ∑ n = 0 N − 1 x ( n ) e − j 2 π N k n , k = 0 , 1 , . . . , N − 1 X(k) =\sum_{n = 0}^{N - 1}x(n)e^{-j\frac{2\pi}{N}kn},\quad k=0, 1, ..., N-1 X(k)=n=0N1x(n)ejN2πkn,k=0,1,...,N1

要求 N ≥ M N\ge M NM(原因见下文)。而 x ( n ) x(n) x(n)的傅里叶变换为: X ( e j ω ) = ∑ n = − ∞ + ∞ x ( n ) e − j ω n = ∑ n = 0 N − 1 x ( n ) e − j ω n X(e^{j\omega}) =\sum_{n = -\infty}^{+\infty}x(n)e^{-j\omega n}=\sum_{n=0}^{N-1}x(n)e^{-j\omega n} X(e)=n=+x(n)ejωn=n=0N1x(n)ejωn可以看出, { X ( k ) } \{X(k)\} {X(k)} X ( e j ω ) X(e^{j\omega}) X(e) [ 0 , 2 π ] [0, 2\pi] [0,2π]上的等间隔采样。(因为FT具有 2 π 2\pi 2π周期性,所以在 [ 0 , 2 π ] [0, 2\pi] [0,2π]上采样就够了)

采样定理

时域采样定理

时域采样定理是这样的:

对模拟信号 x a ( t ) x_a(t) xa(t)进行时域等间隔理想采样(冲激采样),则理想采样信号 x ^ a ( t ) \hat x_a(t) x^a(t)的频谱是原模拟信号频谱以采样频率为周期周期延拓。对于带限信号,当采样频率大于2倍信号频率时,可以由采样信号无失真恢复原模拟信号。

上述采样定理针对的是理想采样,这在现实中不可实现。实际中采用的是时域离散采样,即 x ( n ) = x a ( n T ) x(n) = x_a(nT) x(n)=xa(nT)(注意:理想采样 x ^ a ( t ) \hat x_a(t) x^a(t)仍是模拟信号,而 x ( n ) x(n) x(n)时域离散信号)。 x ( n ) x(n) x(n)的傅里叶变换 X ( e j ω ) X(e^{j\omega}) X(e) x a ( t ) x_a(t) xa(t)的傅里叶变换 X ( j Ω ) X(j\Omega) X(jΩ)的关系为:
X ( e j ω ) = 1 / T × ∑ k = − ∞ + ∞ X a ( j Ω − j k Ω s ) X(e^{j\omega})=1/T\times\sum_{k=-\infty}^{+\infty}X_a(j\Omega-jk\Omega_s) X(e)=1/T×k=+Xa(jΩjkΩs)

其中, Ω s = 2 π / T = 2 π F s \Omega_s=2\pi/T=2\pi F_s Ωs=2π/T=2πFs ω = Ω T \omega=\Omega T ω=ΩT

X ( e j ω ) X(e^{j\omega}) X(e) ω \omega ω的函数, X a ( j Ω ) X_a({j\Omega}) Xa(jΩ) Ω \Omega Ω的函数,二者之间通过一个坐标变换 ω = Ω T \omega=\Omega T ω=ΩT 联系在了一起。也就是说,时域离散采样信号的频谱是模拟信号频谱以 Ω s \Omega_s Ωs为周期做周期延拓之后,再在横轴上做一个伸缩变换,再乘以一个系数得到的。

同理,对于时域离散采样,也要满足采样频率大于2倍信号频率,才能避免频谱混叠。

根据 ω = Ω T \omega=\Omega T ω=ΩT ω = 2 π \omega=2\pi ω=2π对应于 Ω = Ω s \Omega=\Omega_s Ω=Ωs ω = π \omega=\pi ω=π对应于 Ω = Ω s / 2 \Omega=\Omega_s/2 Ω=Ωs/2 Ω s / 2 \Omega_s/2 Ωs/2是折叠频率,这就是为什么说 ω = π \omega=\pi ω=π对应于高频部分了。

进一步地,如果 x ( n ) x(n) x(n)有限长(当然频域就无限长了),那么对 x ( n ) x(n) x(n)做DFT,就相当于对原模拟信号频谱的周期延拓在 [ 0 , Ω s ] [0, \Omega_s] [0,Ωs]上等间隔采样!

频域采样定理

对任意序列 x ( n ) x(n) x(n)的傅里叶变换 X ( e j ω ) X(e^{j\omega}) X(e),在 [ 0 , 2 π ] [0, 2\pi] [0,2π]上等间隔采样,得到 X ~ N ( k ) \tilde X_N(k) X~N(k)(这里不限制k的取值范围)。可以知道, X ~ N ( k ) \tilde X _N(k) X~N(k)是以N为周期的序列。根据离散傅里叶级数理论, X ~ N ( k ) \tilde X_N(k) X~N(k)必然是某个周期序列 x ~ N ( n ) \tilde x_N(n) x~N(n)的DFS。通过推导可知, x ~ N ( n ) \tilde x_N(n) x~N(n)是原序列 x ( n ) x(n) x(n)以N为周期的周期延拓。分别取 X ~ N ( k ) \tilde X_N(k) X~N(k) x ~ N ( n ) \tilde x_N(n) x~N(n)的主值序列 X N ( k ) X_N(k) XN(k) x N ( n ) x_N(n) xN(n),二者构成一对DFT。

从而可以得到频率采样定理:设序列 x ( n ) x(n) x(n)长度为M,对 X ( e j ω ) X(e^{j\omega}) X(e) [ 0 , 2 π ] [0, 2\pi] [0,2π]上N点等间隔采样(也就是做N点DFT),仅当 N>=M 时,才能由 X N ( k ) X_N(k) XN(k)通过IDFT恢复 x ( n ) x(n) x(n),避免混叠。

对比:
时域采样定理要求信号频率有限;频率采样定理要求序列长度有限。

MATLAB中fft的使用

一、定义信号,注意几个关键量:

Fs = 1000;            % 采样频率   
T = 1/Fs;             % 采样间隔
L = 1500;             % 序列长度
t = (0:L-1)*T;        % 时间向量
S = 0.7*sin(2*pi*50*t) + sin(2*pi*120*t); 		% 两个正弦信号(S是有限长的,可以看成无限长信号加窗)
X = S + 2*randn(size(t));			% 加噪声

二、傅里叶变换

Y = fft(X);			% 得到的是原信号频谱在[0, Fs]上的L点等间隔采样
P2 = (abs(Y/L)).^2;				% 功率谱(这个为什么要除以L,请看下面解释)
P1 = P2(1:L/2+1);		% 实信号的FT是共轭对称的,我们只看半边!
P1(2:end) = 2*P1(2:end);	% 由于是单边谱,所以乘2(除直流分量外)
f = Fs*(0:(L/2))/L;				% 频率轴,采样间隔是Fs/L,频率范围是[0, Fs/2]
plot(f,P1) 

这里有一个疑问是:为什么要对fft得到的结果除以L,按照时域采样定理那一部分的结论:
X ( e j ω ) = 1 / T × ∑ k = − ∞ + ∞ X a ( j Ω − j k Ω s ) X(e^{j\omega})=1/T\times\sum_{k=-\infty}^{+\infty}X_a(j\Omega-jk\Omega_s) X(e)=1/T×k=+Xa(jΩjkΩs)

我们似乎应该对fft的结果乘以T,也就是除以Fs,才能得到原频谱。实际上,除以Fs和除以L都是正确的,这取决于我们的目的是什么。如果要得到原信号的幅度谱,则应该除以Fs;如果要得到功率谱,则应该除以L。参考

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