FT & DFT 傅里叶变换

Skyshin34

已于 2025-03-01 22:46:53 修改

阅读量802

点赞数 29

分类专栏： Fundamental of mathematics 文章标签：算法

于 2024-10-11 20:00:00 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jshxjd/article/details/142834187

版权

Fundamental of mathematics 专栏收录该内容

8 篇文章

订阅专栏

时域和频域

时域：横轴是时间 t，纵轴是信号的幅度
频域：横轴是频率 ω 或 f，纵轴是信号的幅度

时域信号可以通过傅里叶变换转换到频域，反之亦然。这提供了分析和处理信号的新方法

Fourier Transform

傅里叶变换将一个时域信号转换到频域，使得可以分析信号的频率成分。对于非周期信号，傅里叶变换定义为：

$F(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t)e^{-j\omega t} dt$

其中 F(ω)F(ω) 是频域表示，称为频谱。f(t)f(t) 是时域信号，ωω 是角频率。

逆傅里叶变换可以将频域信号转换回时域：

$f(t) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} F(\omega)e^{j\omega t} d\omega$

频谱：傅里叶变换的结果F(ω) 称为信号的频谱，表示信号在不同频率成分上的分布。
正交性：正弦和余弦函数是正交的，这使得傅里叶级数能够分解任何周期信号，而傅里叶变换能够分解任何非周期信号。
卷积定理：时域中的卷积对应于频域中的乘积，这大大简化了信号处理中的卷积运算。

频率角度解释傅里叶变换:

将叠加后(声)波的图像缠绕到一个圆上，注意区分两个频率，一个是信号的频率，每s上下震荡3次

还有可以由我们设定的图像缠绕中心圆的频率，缠绕的频率决定了缠绕图像的样子

当缠绕频率和信号频率（每秒3次）相等时，所有高处的点恰好落在圆右侧，而所有的低处的点恰好落在圆左侧，我们要利用这点来建造一台频率分离机

可以观察缠绕频率和质心X坐标（质心是所有点坐标的均值）的关系，质心的X坐标只是质心的实数部分。我们当然也可以画出缠绕频率与质点与原点的距离间的关系，虽然这可以更好的表示某个频率与原始信号的相关度，但是也就没有了线性性质，即不适用对有多个频率组成的原始信号进行分析

这幅图称为原信号的近傅立叶变换，该图可以告诉我们一个信号和某个单频率有多么匹配，即某个频率的强度越高，而这是通过质点的X坐标看出来的

在多个信号叠加时依然能有此特性，说明傅里叶变换是线性操作

波叠加特点

观察已知单一频率信号与任意单一频率信号的复合信号

X轴上方区域的面积正好等于X轴下方的面积，所以将两者在每个点相乘时（多项式相乘），计算得到的曲线和坐标轴围成的面积之和为0，只要考虑的时间段足够长对于大部分频率都是正确的

如果正弦波的频率是原信号原本的频率，两条波形在X方向就是耦合的，因此复合信号与X坐标轴围成的面积永远是正的，在信号由多种频率的正弦波组合而成时也适用。由此判断某个正弦波信号是否是叠加信号的一部分

复合信号与X坐标轴围成的面积大小就表示正弦波在信号中的相对大小，对所有频率的正弦波重复这个过程就能得到一个频谱图：

面积的大小反映该信号占多大比例，这样就能测量各个组成复合信号的不同频率子信号强度。

如果信号是余弦波，即使用一个频率完全相同的正弦波与之相乘，曲线与坐标轴围成的面积仍为0

所以我们需要将复合信号分别与正弦波和余弦波相乘，这样得到的两条频谱曲线

算出正弦波和余弦波在复合信号中各自的强度，这两个强度的比例就决定了信号的相位

也可以使用欧拉公式，只需要将复合信号和指数形式的项相乘，得到的复数的实部是余弦波的强度，虚部是正弦波的强度

还可以通过傅立叶逆变换推测出变换前的信号

公式复现

将之前缠绕复合信号所用的的圆放在复平面中，通过欧拉公式能很好的描述缠绕、旋转

在欧拉公式的讲解中，我们知道 i 在复平面中代表"令一个向量逆时针旋转90°", 由此推导出 $e^{i \Theta }$ 在复平面中的图像是单位圆， $\Theta$ 代表旋转角度

当t=1时为 $e^{2\pi i }$ ，可以解释为“单位向量1s绕单位圆旋转一圈的运动”，t表示经过的时间

通过添加一个f频率改变变化率，比如频率是1/10，该函数的变化就是10s转一圈傅里叶变换的语境里是顺时针旋转，因此在欧拉公式的指数项前加个负号

通过乘以一个描述信号强度和时间的关系的函数在旋转的基础上加一个幅度

综上， $g(t) e^{-2\pi i ft}$ 描述了单位向量以1/f时间旋转一圈，振幅符合g(t)的运动

对函数求定积分，积分区间就是信号的时间区间，即为绕好的图的质心

真傅里叶公式表示的是质心的倍增，如果原图持续了3秒，那就把质心乘上3。

从图的角度效果是如果某个频率持续了很长时间，这个频率的傅里叶变换的模长就被放得很大

时间越长，这个积分越大，得到的频率不确定度就越小。使得整个波里面持续时间长的分量有更大的对应值。

比如这个纯频率为每秒2beats(拍)的信号，以每秒2圈绕起来。质心无论持续时间多久位置都不变

但这个信号持续的越久，此频率的傅里叶变换值就越大，但实际由于持续时间越长缠绕图像就会越均匀所以并不会显著变大

总结：

质心的横坐标结合我们可以决定的缠绕频率帮助我们找到原频率的主要频率

指数项决定了旋转，g(t)在旋转的基础上画波形图，复函数的积分是在为求质心的X坐标。

应用

滤波器
滤波器的原理：在时域中不容易分析音频信号的在各频段的组成，对音频信号应用傅立叶变换后，可将特定的频率压下去(知道频率就能再做个与该高频信号X轴对称的同频信号加到原始信号上实现抵消)，过滤指定频率的信号（带阻滤波器）
声波（时域越宽，频域越窄）
观测时间长短与频率准确率之间的关系：观测时间越长，观测频率准确与否的把握就越高，想象一个音符，持续时间越短，就越难分辨其频率（音高），也可以说信号持续的时长越短，其可能对应的频率的范围就越大

当时域持续时间很长的时候，哪怕缠绕频率偏离真实频率一点点，对应图像也会有很大落差，因此我们能很精确地测量出哪个频率才是输入信号的主要频率，准确性提升

当时域很短的时候，信号并没有足够的时间均匀缠绕在圆上，导致当缠绕频率与真实频率大相径庭时，才会有很大落差

以上就是用数学描述不确定性原理，总结一下：

信号的持续时间越短，对应的傅里叶变换就越广，也就意味对应更宽范围的频率

信号持续时间越长，傅里叶变换结果越集中

积分区域越大（时间越长），傅里叶级数愈趋近原函数，所得的频域（傅里叶系数）越准确。

所以希望测量一个信号的频率准确，信号持续的时长就应该越长
不确定性原理
量子力学中的海森堡不确定性原理：一个粒子的位置越确定，其动量就越不确定，反之亦然
也是“两者不可兼得”much more genral trade-off规律的一个例子
多普勒雷达（信号间隔时间和持续时间导致位置和速度无法同时测准）

雷达通过发射无线电波脉冲，这些脉冲遇到物体会反射回来，有了信号的回波所需时间就可以推算物体和你的距离

要想计算速度，需要以一定频率发射脉冲，当脉冲遇到了一个朝你运动运动的物体并反射回来，那么波形就会压缩的更紧（如果是远离你就会变得更疏松），即接收到的回波频率会变高。通过傅里叶变换我们能知道原信号含有的频率，当脉冲信号持续时间很短，该频率有一定的宽度范围。又因为回波有着更高的频率，因此在频谱上会在原脉冲信号的基础上向右移，借助向外移动的相对幅度就可以推得物体移动速度

回波信号的持续时间和频率分别可以计算被探测物体的位置和速度

量子力学中的海森堡不确定性原理，越想确定物体的位置，就越不能确定物体的速度

想象持续发射一个长时间的脉冲（由很多持续时间很短的波组成），那反射回来的回波也具有一定时间的长度。现实中外界有各种物体所有的回波都会相互叠加，再加上噪音与误差，会使得多个物体的位置及其不明确

所以要得到这希望物体的精确位置，发射的脉冲一定要持续时间很短

但我们知道持续时间很短的脉冲所对应的傅里叶变换在频域的范围很广

对于多个物体不同速度的物体，多普勒频移的回波尽管在时域中被很好的分开了，但在频域中却还是重合在一起了

由于看到的是这些频率重合的和且单个曲线对应的频率范围很广，所以分解这些频率会很困难

通过傅里叶变换，我们知道不能同时准确测量两个量，不确定性原理是本质上的无法同时确定，而不是观测手段的限制，所以哪怕再加几个雷达也无济于事

总结：

信号的总长度越小，频域中频率的跨度就越大。信号的总长度越大，频率的范围跨度就越小（时域和频域不能同时精确的得到）

采样信号之间的间隔越大，能测量的最大频率就越小，因为采样点的频率无法捕捉其变频率更高的信号的变化。但是采样信号之间的间隔越短，就越难分辨相近的频率。（位置和速度不能同时精确的得到）

能够测量的等效最低非零频率其对应的周期等于信号的长度