离散傅里叶变换(Example)

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注意,不建议读者直接阅读离散傅里叶变换,而是应该先阅读并理解傅里叶级数、和(连
续)傅里叶变换。这样才能够理解离散的傅里叶变换。

Introduction

在工程上,我们通常需要对离散的信号进行处理。所以我们必须要应用一种离散的傅里叶
变换。傅里叶级数的表示形式。如果们又信号f(t)f(t)f(t)
αk=12l∫−llf(x)e−ikπxldx,(k=0,±1,±2,...)\alpha_k=\frac{1}{2l}\int_{-l}^{l}{f(x)e^{-i \frac{k \pi x}{l}}dx},(k=0,\pm 1,\pm 2,...)αk=2l1llf(x)eilkπxdx,(k=0,±1,±2,...)l=πl=\pil=π,我们有,注意一点iii是虚数单位。不是下标
αk=12π∫02πf(t)e−iktdt,(k=0,±1,±2,...)\alpha_k=\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi}{f(t)e^{-ikt}dt},(k=0,\pm 1, \pm 2, ...)αk=2π102πf(t)eiktdt,(k=0,±1,±2,...)
我们看αk\alpha_kαk对应频率成分是k2π\frac{k}{2\pi}2πk,那么我们可以看到。那么我们可以
看到,我们恒可以把离散的数据y={ yi},y=(1,2,...,n)y=\{y_i\},y=(1,2,...,n)y={ yi},y=(1,2,...,n),看做一个周期2π2\pi2π上的
采样点。因为yyy是一定离散的数据。

那么我们如何来计算αk\alpha_kαk?因为f(t)={ yi}f(t)=\{y_i\}f(t)={ yi},是离散信号。所以我们必须变换
αk\alpha_kαk为如下的等式,注意有一点儿,也就是iii是虚数单位,不是标号。

αk=1n∑j=0n−1f(2πjn)e−2πijkn\alpha_k=\frac{1}{n}\sum_{j=0}^{n-1}f(\frac{2\pi j}{n})e^{\frac{-2\pi i j k}{n}}αk=n1j=0n1f(n2πj)en2πijk
也就是说

y^k/n≈αk≈1n∑j=0n−1yjw‾jk\widehat{y}_{k}/n\approx\alpha_k\approx \frac{1}{n}\sum_{j=0}^{n-1}y_j \overline{w}^{jk}y k/nαkn1j=0n1yjwjk

yj=f(2πjn),w=e2πiny_j=f(\frac{2\pi j}{n}), w=e^{\frac{2\pi i}{n}}yj=f(

### 离散傅里叶变换与连续傅里叶变换的区别 #### 定义差异 连续傅里叶变换是一种用于分析连续时间信号频谱特性的数学工具,适用于无限精度的时间和频率表示。它能够描述任意连续函数的频域特性[^1]。然而,在实际工程应用中,由于计算机无法处理真正的连续数据流,因此引入了离散傅里叶变换(DFT),它是通过对连续信号进行采样并将其转换为有限长度序列来实现的一种方法。 离散傅里叶变换本质上是从连续傅里叶变换演变而来的一个特殊形式,其主要目的是适应数字化设备的需求。通过将时域上的连续信号转化为一系列离散样本点,并限定这些样本的数量范围,可以有效地利用计算资源完成频谱估计任务[^2]。 --- ### 应用场景对比 #### 连续傅里叶变换的应用领域 连续傅里叶变换主要用于理论研究以及某些特定物理现象建模过程中,比如光学成像系统设计、声波传播规律探索等领域。这类场合通常涉及理想化的假设条件下的精确解析表达式推导工作,而不必考虑硬件限制因素的影响。 - **典型例子**: 在电磁场分布预测或者量子力学波动方程求解等方面发挥重要作用。 #### 离散傅里叶变换的实际用途 相比之下,离散傅里叶变换则广泛应用于现代通信技术、音频视频压缩编码标准制定过程之中;同时也服务于医学影像重建算法开发等多个方面。这是因为大多数现实世界中的测量仪器所获取的数据本身就是以数字格式存在的,所以采用 DFT 可以为后续数据分析提供便利条件。 具体而言: - **语音识别**:提取声音特征参数以便于模式匹配分类; - **图像增强**:去除噪声干扰的同时保留重要细节信息; - **无线通讯调制解调器同步机制优化**等等均离不开高效快速版本 FFT 的支持。 --- ```python import numpy as np from scipy.fftpack import fft, ifft # Example of applying Discrete Fourier Transform (DFT) def apply_dft(signal): N = len(signal) dft_result = fft(signal) / N # Normalize by dividing with length return dft_result sample_signal = np.array([0, 1, 0, -1]) dft_output = apply_dft(sample_signal) print("Original Signal:", sample_signal) print("DFT Result:", dft_output) ``` 上述代码展示了如何使用 Python 实现简单的离散傅里叶变换操作,这正是基于数值型数组作为输入源来进行频域转换的经典案例之一。 ---
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