傅里叶变换推导到FFT编程(二)、由FT到DFT

(一)、傅里叶变换推导
(二)、由FT到DFT(当前)
(三)、STM32编程实现DFT和验证
(四)、由DFT到FFT
(五)、STM32编程实现FFT和验证

  • DTFT推导 → \rightarrow 时间离散: t → n Δ t t \rightarrow n\Delta t tnΔt, 采样频率为 f s f_s fs
    采样序列      δ s ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ δ ( t − n T s ) ,    T s = 1 f s 对 f ( t ) 采样得      f s ( t ) = f ( t ) δ s ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ f ( t ) δ ( t − n T s ) f s ( t ) 做傅里叶变换      F [ f s ( t ) ] = ∫ − ∞ ∞ ∑ n = − ∞ ∞ f ( t ) δ ( t − n T s ) e − i ω t d t ∵ ∫ − ∞ ∞ x ( t ) δ ( t − t 0 ) d t = x ( t 0 ) ∴ D T F T [ f s ( t ) ] = F [ f s ( t ) ] = ∑ n = − ∞ ∞ f ( n T s ) e − i ω n T s 采样序列\,\,\,\, \delta_s(t) = \sum_{n = -\infty}^\infty \delta(t-nT_s),\,\,T_s = {1 \over f_s} \\ 对f(t)采样得\,\,\,\, f_s(t) = f(t)\delta_s(t)=\sum_{n = -\infty}^\infty f(t)\delta(t-nT_s) \\ f_s(t)做傅里叶变换\,\,\,\, \mathcal{F}[f_s(t)] = \int_{-\infty}^{\infty} \sum_{n = -\infty}^\infty f(t)\delta(t-nT_s)e^{-i\omega t}dt \\ \because \int_{-\infty}^{\infty} x(t)\delta(t-t_0)dt = x(t_0) \\ \therefore DTFT[f_s(t)]= \mathcal{F}[f_s(t)] = \sum_{n = -\infty}^\infty f(nT_s)e^{-i\omega nT_s} 采样序列δs(t)=n=δ(tnTs),Ts=fs1f(t)采样得fs(t)=f(t)δs(t)=n=f(t)δ(tnTs)fs(t)做傅里叶变换F[fs(t)]=n=f(t)δ(tnTs)etdtx(t)δ(tt0)dt=x(t0)DTFT[fs(t)]=F[fs(t)]=n=f(nTs)eiωnTs
  • DFT推导 → \rightarrow 周期延拓:
    • 截取 f ( t ) 的 N 个采样点 ,   采样频率为 f s 截取f(t)的N个采样点,\,采样频率为f_s 截取f(t)N个采样点,采样频率为fs
    • 周期延拓 → N 个采样点的周期为 T = N T s ( T s = 1 f s ) 周期延拓\rightarrow N个采样点的周期为T=NT_s(T_s={1 \over f_s}) 周期延拓N个采样点的周期为T=NTs(Ts=fs1)
    • 采样信号表示为      x ( t ) = ∑ n = 0 N − 1 f ( t ) δ ( t − n T s ) 采样信号表示为\,\,\,\, x(t)=\sum_{n = 0}^{N-1}f(t) \delta(t-nT_s) 采样信号表示为x(t)=n=0N1f(t)δ(tnTs)
    • 因为周期延拓, x ( t ) 为周期信号,代入周期函数的傅里叶级数 因为周期延拓,x(t)为周期信号,代入周期函数的傅里叶级数 因为周期延拓,x(t)为周期信号,代入周期函数的傅里叶级数
      c k = 1 T ∫ 0 T f ( t ) e − i k ω t d t ,    ( ω = 2 π T ) ,    得 X [ k ω ] = 1 T ∫ 0 T ∑ n = 0 N − 1 f ( t ) δ ( t − n T s ) e − i k ω t d t ∵ ∫ − ∞ ∞ x ( t ) δ ( t − t 0 ) d t = x ( t 0 ) ∴ X [ k ω ] = 1 T ∑ n = 0 N − 1 f ( n T s ) e − i k ω n T s 又 ∵ T = N T s , ω = 2 π T = 2 π N T s ∴ X [ k ω ] = 1 N T s ∑ n = 0 N − 1 f ( n T s ) e − i 2 π N k n 令 x [ n ] = f ( n T s ) ,   X [ k ω ] T s = X [ k ] ,   得 D F T [ x ( n ) ] = X [ k ] = ∑ n = 0 N − 1 x [ n ] e − i 2 π N k n      ( 0 ≤ k , n ≤ N − 1 ,   且 k , n ∈ Z ) I D F T [ X ( k ) ] = 1 N X [ k ] e i 2 π N k n      ( 0 ≤ k , n ≤ N − 1 ,   且 k , n ∈ Z ) c_k = {1\over T} \int_0^T f(t)e^{-ik\omega t}dt,\,\,(\omega={2\pi\over T}),\,\,得 \\ X[k\omega] = {1\over T} \int_0^T \sum_{n = 0}^{N-1}f(t) \delta(t-nT_s)e^{-ik\omega t}dt \\ \because \int_{-\infty}^{\infty} x(t)\delta(t-t_0)dt = x(t_0) \\ \therefore X[k\omega] = {1\over T} \sum_{n = 0}^{N-1}f(nT_s)e^{-ik\omega nT_s} \\ 又\because T=NT_s,\omega={2\pi \over T}={2\pi \over NT_s} \\ \therefore X[k\omega] = {1 \over NT_s}\sum_{n = 0}^{N-1}f(nT_s)e^{-i{2\pi \over N} kn} \\ 令x[n] = f(nT_s),\,X[k\omega]T_s = X[k],\,得\\ DFT[x(n)] = X[k] = \sum_{n = 0}^{N-1}x[n]e^{-i{2\pi \over N} kn}\,\,\,\,(0\leq k,n \leq N-1,\,且k,n\in Z) \\ IDFT[X(k)] = {1 \over N}X[k]e^{i{2\pi \over N} kn}\,\,\,\,(0\leq k,n \leq N-1,\,且k,n\in Z) \\ ck=T10Tf(t)eikωtdt,(ω=T2π),X[]=T10Tn=0N1f(t)δ(tnTs)eikωtdtx(t)δ(tt0)dt=x(t0)X[]=T1n=0N1f(nTs)eikωnTsT=NTs,ω=T2π=NTs2πX[]=NTs1n=0N1f(nTs)eiN2πknx[n]=f(nTs),X[]Ts=X[k],DFT[x(n)]=X[k]=n=0N1x[n]eiN2πkn(0k,nN1,k,nZ)IDFT[X(k)]=N1X[k]eiN2πkn(0k,nN1,k,nZ)
    • 当 N 确定后 ,   e − i 2 π N 为定值,令 W N = e − i 2 π N ,   则 D F T 为 当N确定后,\,e^{-i{2\pi \over N}}为定值,令W_N = e^{-i{2\pi \over N}},\,则DFT为 N确定后,eiN2π为定值,令WN=eiN2π,DFT
      X [ k ] = ∑ n = 0 N − 1 x [ n ] W N      k n X[k] = \sum_{n = 0}^{N-1}x[n]W_N^{\,\,\,\,kn} X[k]=n=0N1x[n]WNkn
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