离散时间信号的傅里叶变换与频域分析

本文详细解析了离散时间信号的傅里叶变换理论,包括序列的傅里叶变换定义、性质,以及时域和频域卷积定理等内容。深入探讨了信号的频谱分析和变换过程,适用于信号处理和通信工程领域的学习和研究。

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离散时间信号的傅里叶变换与频域分析

序列的傅里叶变换

  • 定义
    现有一个连续时间信号xa(t)x_a(t)xa(t),采样后的信号为x^a(t)\widehat{x}_a(t)xa(t),对应的频谱分别为Xa(jΩ)、X^a(jΩ)X_a(j\Omega)、\widehat{X}_a(j\Omega)Xa(jΩ)Xa(jΩ)
    根据抽样定理,X^a(jΩ)\widehat{X}_a(j\Omega)Xa(jΩ)Xa(jΩ)X_a(j\Omega)Xa(jΩ)的以采样频率为周期的周期延拓:
    X^a(jΩ)=1T∑k=−∞+∞Xa(jΩ−jkΩs)\widehat{X}_a(j\Omega)=\frac{1}{T}\sum_{k=-\infin}^{+\infin}X_a(j\Omega-jk\Omega_s)Xa(jΩ)=T1k=+Xa(jΩjkΩs)
    现在对x^a(t)\widehat{x}_a(t)xa(t)进行傅里叶变换:
    X^a(jΩ)=∑−∞+∞xa(nT)e−jΩnT\widehat{X}_a(j\Omega)=\sum_{-\infin}^{+\infin}x_a(nT)e^{-j\Omega nT}Xa(jΩ)=+xa(nT)ejΩnT
    进行归一化处理,令采样周期T=1s,采样频率f=1Hz,Ωs=2πrad/s\Omega_s=2\pi rad/sΩs=2πrad/s,则ω=Ωfs\omega=\frac{\Omega}{f_s}ω=fsΩ,那么:
    X^a(ejω)=∑−∞+∞xa(n)e−jωn\widehat{X}_a(e^{j\omega})=\sum_{-\infin}^{+\infin}x_a(n)e^{-j\omega n}Xa(ejω)=+xa(n)ejωn
    x(n)=12π∫−ππX(ejω)ejωndωx(n)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(e^{j\omega})e^{j\omega n}d\omegax(n)=2π1ππX(ejω)ejωndω
    xa(n)=xa(nT)x_a(n)=x_a(nT)xa(n)=xa(nT),上式即为序列的傅里叶正变换和反变换。

  • 性质

    • 线性:若X1(ejω)=FT[x1(n)],X2(ejω)=FT[x2(n)]X_1(e^{j\omega})=FT[x_1(n)],X_2(e^{j\omega})=FT[x_2(n)]X1(ejω)=FT[x1(n)],X2(ejω)=FT[x2(n)],则有
      FT[ax1(n)+bx2(n)]=aX1(ejω)+bX2(ejω)FT[ax_1(n)+bx_2(n)]=aX_1(e^{j\omega})+bX_2(e^{j\omega})FT[ax1(n)+bx2(n)]=aX1(ejω)+bX2(ejω)
  • 时移与频移:若X(ejω)=FT[x(n)]X(e^{j\omega})=FT[x(n)]X(ejω)=FT[x(n)],则有
    FT[x(n−n0)]=e−jω0X(ejω)FT[x(n-n_0)]=e^{-j\omega_0}X(e^{j\omega})FT[x(nn0)]=ejω0X(ejω)
    FT[ejω0nx(n)]=X[ej(ω−ω0)]FT[e^{j\omega_0n}x(n)]=X[e^{j(\omega-\omega_0)}]FT[ejω0nx(n)]=X[ej(ωω0)]

    • 周期性:X(ejω)X(e^{j\omega)}X(ejω)www的周期函数,周期为2π2\pi2π
    • 对称性:若x(n)x(n)x(n)满足x(n)=x∗(−n)x(n)=x^*(-n)x(n)=x(n)则称x(n)x(n)x(n)为共轭对称序列,一般用xe(n)x_e(n)xe(n)表示;若x(n)x(n)x(n)满足x(n)=−x∗(−n)x(n)=-x^*(-n)x(n)=x(n)则称x(n)x(n)x(n)为共轭反对称序列,一般用xo(n)x_o(n)xo(n)表示。
      共轭对称序列实部为偶数,虚部为奇数;
      共轭反对称序列实部是奇数,虚部为偶数;
      任何序列都可以表示为一个共轭对称序列与一个共轭反对称序列之和:
      xe(n)=12[x(n)+x∗(−n)]x_e(n)=\frac{1}{2}[x(n)+x^*(-n)]xe(n)=21[x(n)+x(n)]
      xo(n)=12[x(n)−x∗(−n)]x_o(n)=\frac{1}{2}[x(n)-x^*(-n)]xo(n)=21[x(n)x(n)]
      x(n)=xe(n)+xo(n)x(n)=x_e(n)+x_o(n)x(n)=xe(n)+xo(n)
      对上式两边进行傅里叶变换,在频域中也有类似的结论:
      Xe(ejω)=12[X(ejω)+X∗(ejω)]=XR(ejω)X_e(e^{j\omega})=\frac{1}{2}[X(e^{j\omega})+X^*(e^{j\omega})]=X_R(e^{j\omega})Xe(ejω)=21[X(ejω)+X(ejω)]=XR(ejω)
      Xo(ejω)=12[X(ejω)−X∗(ejω)]=XI(ejω)X_o(e^{j\omega})=\frac{1}{2}[X(e^{j\omega})-X^*(e^{j\omega})]=X_I(e^{j\omega})Xo(ejω)=21[X(ejω)X(ejω)]=XI(ejω)
      X(ejω)=Xe(ejω)+Xo(ejω)X(e^{j\omega})=X_e(e^{j\omega})+X_o(e^{j\omega})X(ejω)=Xe(ejω)+Xo(ejω)
      其中FT[x∗(−n)]=∑−∞+∞x∗(−n)e−jωn=[∑−∞+∞x(−n)ejωn]∗=X∗(ejω),XR(eejω)、XI(ejω)FT[x^*(-n)]=\sum_{-\infin}^{+\infin}x^*(-n)e^{-j\omega n}=[\sum_{-\infin}^{+\infin}x(-n)e^{j\omega n}]^*=X^*(e^{j\omega}),X_R(e^{e^{j\omega}})、X_I(e^{j\omega})FT[x(n)]=+x(n)ejωn=[+x(n)ejωn]=X(ejω),XR(eejω)XI(ejω)分别为x(n)实部与虚部(包括j)的傅里叶变换。
    • 时域卷积定理
      FT[x(n)]=X(ejω),FT[h(n)]=H(ejω),y(n)=x(n)∗h(n)FT[x(n)]=X(e^{j\omega}),FT[h(n)]=H(e^{j\omega}),y(n)=x(n)*h(n)FT[x(n)]=X(ejω),FT[h(n)]=H(ejω),y(n)=x(n)h(n),则:
      FT[y(n)]=X(ejω)H(ejω)FT[y(n)]=X(e^{j\omega})H(e^{j\omega})FT[y(n)]=X(ejω)H(ejω)
    • 频域卷积定理
      FT[x(n)]=X(ejω),FT[h(n)]=H(ejω),y(n)=x(n)h(n)FT[x(n)]=X(e^{j\omega}),FT[h(n)]=H(e^{j\omega}),y(n)=x(n)h(n)FT[x(n)]=X(ejω),FT[h(n)]=H(ejω),y(n)=x(n)h(n),则:
      FT[y(n)]=12πX(ejω)∗H(ejω)FT[y(n)]=\frac{1}{2\pi}X(e^{j\omega})*H(e^{j\omega})FT[y(n)]=2π1X(ejω)H(ejω)
    • 帕塞瓦尔定理
      FT[x(n)]=X(ejω)FT[x(n)]=X(e^{j\omega})FT[x(n)]=X(ejω),则:
      ∑−∞+∞∣x(n)∣2=12π∫−π+π∣X(ejω)∣2dω\sum_{-\infin}^{+\infin}|x(n)|^2=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{+\pi}|X(e^{j\omega})|^2d\omega+x(n)2=2π1π+πX(ejω)2dω

    序列的Z变换

    序列Z变换收敛域
    δ(n)10≤|z|≤∞
    δ(n-k)z-k0≤|z|≤∞
    u(n)1/(1-z-1)|z|>1
    RN(n)(1-z-N)/(1-z-1)|z|>0
    nu(n)z/(z-1)2|z|>1
    anu(n)z/(z-a)|z|>|a|
    -anu(-n-1)z/(z-a)|z|<|a|
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