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傅里叶变换

非周期函数

对于非周期函数,我们可以将其视为周期趋近于无穷大的周期函数。

Effect of increasing T on the spectrum of the periodic pulse trains in Fig. 18.1(b) using the appropriately modified Eq. (17.66).

不确定性原理 (Uncertainty Principle)

不确定性原理指出,一个信号的时域和频域的宽度满足以下关系:

ΔtΔω12

其中,Δt 是信号的时域宽度,Δω 是信号的频域宽度。

这个关系表明,一个信号的时域和频域的宽度不能同时任意小。

定义

正变换

F(ω)=F[f(t)]=f(t)ejωtdt

逆变换

f(t)=F1[F(ω)]=12πF(ω)ejωtdω
推导过程

考虑傅里叶级数的指数形式

f(t)=n=cnejnω0t

其中

cn=1TT/2T/2f(t)ejnω0tdt

基频为

ω0=2πT

相邻频率的间隔为

Δω=(n+1)ω0nω0=ω0=2πT

于是有

f(t)=n=[1TT/2T/2f(t)ejnω0tdt]ejnω0t=n=[Δω2πT/2T/2f(t)ejnω0tdt]ejnω0t=12πn=[T/2T/2f(t)ejnω0tdt]ejnω0tΔω

如果令 T,则有

n=Δωdωnω0ω

整理得到

f(t)=12π[f(τ)ejωτdτ]F(ω)ejωtdω

适用对象:非周期信号/能量有限信号(或满足狄利克雷条件的周期信号推广)

性质

Linearity

F[a1f1(t)+a2f2(t)]=a1F1(ω)+a2F2(ω)

Time Scaling

F[f(at)]=1|a|F(ωa)

Time Shifting

F[f(tt0)]=ejωt0F(ω)

Frequency Shifting

(or Amplitude Modulation)

F[f(t)ejω0t]=F(ωω0)

Time Differentiation

F[ddtf(t)]=jωF(ω)

and

F[dndtnf(t)]=(jω)nF(ω)

Time Integration

F[tf(τ)dτ]=F(ω)jω+πF(0)δ(ω)

Reversal

F[f(t)]=F(ω)=F(ω)

Duality

F[f(t)]=F(ω)F[F(t)]=2πf(ω)

Convolution

Recall:

y(t)=h(t)x(t)=h(τ)x(tτ)dτ

If X(ω), H(ω), and Y(ω) are the Fourier transforms of x(t), h(t), and y(t), respectively, then:

Y(ω)=F[h(t)x(t)]=H(ω)X(ω)

Parseval's Theorem

Parseval's theorem states that the total energy delivered to a 1-ohm resistor equals the total area under the squared of f(t) or 1/2π times the total area under the squared of the magnitude of the Fourier transform of f(t).

W1Ω=f2(t)dt=12π|F(ω)|2dω
推导过程W1Ω=f2(t)dt=f(t)[12πF(ω)ejωtdω]dt=12πf(t)F(ω)ejωtdωdt=12πF(ω)[f(t)ej(ω)tdt]dω=12πF(ω)F(ω)dω=12πF(ω)F(ω)dω=12π|F(ω)|2dω

由于 |F(ω)|2 是偶函数,所以有

W1Ω=1π0|F(ω)|2dω

也可以计算任意频带 ω1<ω<ω2 (频率为正)内的能量

W1Ω=1πω1ω2|F(ω)|2dω

查表法

Table of Fourier transforms.