基础:函数正交分解的性质

以下列举的性质是贯穿FT始终的,可能在离散化中会改变形态,但都会存在某种正确的形式

Parseval定理

设f(t)f(t)的某个正交分解为

f(t)=∑kckϕk(t)f(t)=\sum\limits_{k}c_k\phi_k(t)

其中ϕk(t)\phi_k(t)的能量为

Ek=⟨ϕk,ϕk⟩E_k=\langle \phi_k,\phi_k \rangle

则

E[f(t)]=⟨f,f⟩=∫t1t2∣∣f(t)∣∣2dt=∑k∣∣ck∣∣2EkE[f(t)]=\langle f,f\rangle =\int_{t_1}^{t_2}||f(t)||^2{\rm d}t=\sum\limits_{k}||c_k||^2 E_k

这实际上是能量守恒在信号正交分解中的体现,这个等式成立的关键来自于基函数的正交性

线性

函数内积是双线性的,因此函数分解的过程(本质是与基函数内积)是线性的

这一性质继承到了FS和所有FT

各类FT的性质

以下讨论基于复指数形式的Fourier系列变换,暂不考虑三角形式

奇偶性

  • 实偶对称的信号:与奇函数sin⁡ωt\sin \omega t内积为零,于是与e−jωte^{-j\omega t}求和积分退化为与cos⁡ωt\cos \omega t求和积分,而cos⁡ωt\cos \omega t对ω\omega是偶函数,故信号的FT(或FS等)是实偶对称的

  • 实奇对称的信号:与上述同理,退化为与−jsin⁡ωt-j\sin\omega t求和积分,信号的FT等是纯虚奇对称的

  • 任意实信号:频谱实部R(ω)R(\omega)偶对称,虚部X(ω)X(\omega)奇对称,相位arctan⁡X(ω)R(ω)\arctan\frac{X(\omega)}{R(\omega)}奇对称

Parseval定理

各类FT的Parseval定理往往以功率的形式描述

周期信号的FS:

能量形式为

∫0T1∣∣f(t)∣∣2dt=∑n=−∞+∞∣∣Fn∣∣2En=T1∑n=−∞+∞∣∣Fn∣∣2\int_{0}^{T_1}||f(t)||^2{\rm d}t=\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}||F_n||^2E_n=T_1\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}||F_n||^2

写成功率形式

∑n=−∞+∞∣∣Fn∣∣2=1T1∫0T1∣∣f(t)∣∣2dt\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}||F_n||^2=\frac{1}{T_1}\int_{0}^{T_1}||f(t)||^2{\rm d}t

注意到右侧是f(t)f(t)的功率,左侧是f(t)f(t)的每个成分(作为功率11的信号)的系数模平方和

唯一性、可逆性

FT:可逆,相等函数的FT或IFT也相等

反褶和共轭

令u=−tu=-t,由于

f(−t)e−jωt=f(u)e−j(−ω)uf(-t)e^{-j\omega t}=f(u)e^{-j(-\omega)u}

因此

f(−t)⇔F(−ω)f(-t)\Leftrightarrow F(-\omega)

由于

f∗(t)e−jωt=[f(t)e−jω(−t)]∗f^*(t)e^{-j\omega t}=\big[{f(t)}e^{-j\omega(-t)}\big]^*

因此

f∗(t)⇔F∗(−ω)f^*(t)\Leftrightarrow F^*(-\omega)

这些性质对所有FT都成立

表格总结

性质 FT DTFT DFT
正变换 F(ω)=∫−∞+∞f(t)e−jωtdtF(\omega)=\int_{-\infty}^{+\infty}f(t)e^{-j\omega t}{\rm d}t X(ω)=∑n=−∞+∞x(n)e−jnωX(\omega)=\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}x(n)e^{-jn\omega} X(k)=∑n=0L−1x(n)WNnkX(k)=\sum\limits_{n=0}^{L-1}x(n)W_N^{nk}
逆变换 f(t)=12π∫−∞+∞F(ω)ejωtdωf(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{+\infty}F(\omega)e^{j\omega t}{\rm d}\omega x(n)=12π∫−ππX(ω)ejnωdωx(n)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(\omega)e^{jn\omega}{\rm d}\omega x(n)=1N∑k=0N−1X(k)WN−nkx(n)=\frac{1}{N}\sum\limits_{k=0}^{N-1}X(k)W_N^{-nk}
可逆性 无条件可逆 求逆得到带限的结果 求逆得到回绕的结果
反褶 f(−t)⇔F(−ω)f(-t)\Leftrightarrow F(-\omega) x(−n)⇔X(−ω)x(-n)\Leftrightarrow X(-\omega) x(−n)⇔X(−k)x(-n)\Leftrightarrow X(-k)
共轭 f∗(t)⇔F∗(−ω)f^*(t)\Leftrightarrow F^*(-\omega) x∗(n)⇔X∗(−ω)x^*(n)\Leftrightarrow X^*(-\omega) x∗(n)⇔X∗(−k)x^*(n)\Leftrightarrow X^*(-k)
对偶 F(t)⇔2πf(−ω)F(t)\Leftrightarrow 2\pi f(-\omega) 无法定义 X(n)⇔Nx(−k)X(n)\Leftrightarrow Nx(-k)
(N=LN=L,右端回绕)
压扩 f(at)⇔1∣a∣F(ωa)f(at)\Leftrightarrow\frac{1}{|a|}F(\frac\omega{a}) 扩展容易,压缩复杂 /
时移 f(t−t0)⇔e−jωt0F(ω)f(t-t_0)\Leftrightarrow e^{-j\omega t_0}F(\omega) x(n−n0)⇔e−jωn0X(ω)x(n-n_0)\Leftrightarrow e^{-j\omega n_0}X(\omega) x(n−m)⇔WNmkX(k)x(n-m)\Leftrightarrow W_N^{mk}X(k)
频移 f(t)ejω0t⇔F(ω−ω0)f(t)e^{j\omega_0t}\Leftrightarrow F(\omega-\omega_0) x(n)ejω0n⇔X(ω−ω0)x(n)e^{j\omega_0n}\Leftrightarrow X(\omega-\omega_0) x(n)WN−nl⇔X(k−l)x(n)W_N^{-nl}\Leftrightarrow X(k-l)
时卷 f1(t)∗f2(t)⇔F1(ω)F2(ω)f_1(t)*f_2(t)\Leftrightarrow F_1(\omega)F_2(\omega) x1(n)∗x2(n)⇔X1(ω)X2(ω)x_1(n)*x_2(n)\Leftrightarrow X_1(\omega)X_2(\omega) x1(n)∗x2(n)⇔X1(k)X2(k)x_1(n)*x_2(n)\Leftrightarrow X_1(k)X_2(k)
频卷 f1(t)f2(t)⇔12πF1(ω)∗F2(ω)f_1(t)f_2(t)\Leftrightarrow \frac{1}{2\pi}F_1(\omega)*F_2(\omega) x1(n)x2(n)⇔12πX1(ω)⊗X2(ω)x_1(n)x_2(n)\Leftrightarrow \frac{1}{2\pi}X_1(\omega)\otimes X_2(\omega) x1(n)x2(n)⇔1NX1(k)⊗X2(k)x_1(n)x_2(n)\Leftrightarrow \frac{1}{N}X_1(k)\otimes X_2(k)
Parseval定理 ∫−∞+∞∣f(t)∣2dt=12π∫−∞+∞∣F(ω)∣2dω\int_{-\infty}^{+\infty}|f(t)|^2{\rm d}t=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{+\infty}|F(\omega)|^2{\rm d}\omega ∑n=−∞+∞∣x(n)∣2=12π∫−ππ∣X(ω)∣2dω\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}|x(n)|^2=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|X(\omega)|^2{\rm d}\omega ∑n=0N−1∣x(n)∣2=1N∑k=0N−1∣X(k)∣2\sum\limits_{n=0}^{N-1}|x(n)|^2=\frac1{N}\sum\limits_{k=0}^{N-1}|X(k)|^2

产生上述性质不同的根本原因是以下的参数不同:

参数 FT DTFT DFT
时域取值范围 R\R Z\Z {0,1,⋯ ,L−1}\{0,1,\cdots,L-1\}(非零区间)
频域取值范围 R\R [−π,π][-\pi,\pi](一个周期) {0,1,⋯ ,N−1}\{0,1,\cdots,N-1\}(一个周期)

各类FT的互相转换

非周期信号的FT与周期延拓后的FS

设非周期信号f(t)f(t)的FT为F(ω)F(\omega),其以T1T_1为周期延拓后得到周期信号f^(t)\hat f(t),FS系数为F^n\hat F_n,则

F^n=1T1F(ω)\hat F_n=\frac{1}{T_1}F(\omega)

这是因为,FS系数表示频谱这一点的功率(量纲1),而FT值表示频谱这一点的功率密度(量纲1/Hz=s),因此FT到FS需要除以信号周期T1T_1

周期信号的FS与FT

设周期信号f(t)f(t)的FS系数为FnF_n,FT为F(ω)F(\omega),则

F(ω)=2π∑n=−∞+∞Fnδ(ω−nω1)F(\omega)=2\pi\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}F_n\delta(\omega-n\omega_1)

可以认为F(ω)F(\omega)天然比FnF_n多一个2π2\pi(这就是IFT中位于分母上的2π2\pi),因此这里需要在右侧补上2π2\pi

FT与采样后的FT

设信号f(t)f(t)的FT为F(ω)F(\omega),以TsT_s为周期采样,得到f^(t)\hat f(t),则

F^(ω)=1Ts∑n=−∞+∞F(ω−nωs)\hat F(\omega)=\frac{1}{T_s}\sum\limits_{n=-\infty}^{+\infty}F(\omega-n\omega_s)

DFT估算FT

F(ωk)=TsX(k)F(\omega_k)=T_sX(k)

IDFT估算IFT

f(nTs)=1TsIDFT[F(ωk)]f(nT_s)=\frac{1}{T_s}{\rm IDFT}[F(\omega_k)]

DFT计算FS

Fk=1NX(k)F_k=\frac{1}{N}X(k)