頻譜,頻譜密度


點撥:

(1)本節的重點不是怎么求傅里葉變換或者傅里葉級數,而是了解掌握 常見的信號 的傅里葉變換,所以 解題時用的方法都是常見的角度 公式 和技巧。

將時域轉換成頻域,為了便於分析。學習第一章 (確知信號)也是為了后面章節(第二章 隨機過程)的學習做准備。

確知信號 有明確的時域表達式,隨機過程沒有明確的時域表達式,所以 可以將信號分為確知信號和隨機信號 沒有交叉的兩大類。

(2)看到一個確知信號的時域表達式,需要先判斷是功率信號還是能量信號嗎?視情況而定。有的信號需要求它的能量,如果能出來,那就是能量信號;有的信號就是常見的信號,知道它的圖像,就可以直接判斷是什么類的信號了。但是,但大部分情況下的計算,不需要考慮它是什么信號,直接用傅氏變換的相關性質計算就可以了。所以,根據問題來思考需要考慮什么---再強調一遍!根據命題人的意圖來做題!。

1.

歐拉公式:   cosx=(1/2 )[e^jx + e^(-jx)]     sinx= (1/2j) [e^jx - e^(-jx)]

抽樣函數:   Sa(x)=sinx/x,limx=0 sinx/x=1

分部積分:  ∫ba  F1 (x)F2(x)dx =  [F1(x)F2(x)]ba   ∫bF1(x)F2’(x) dx

換元積分:(dw時)2∏nf0=w0 (dt時不用), df=(1/2∏) dw

2.功率信號- 周期信號 - 頻譜函數:F(w)~w

(1)頻譜函數(f(t)的傅里葉級數的系數): F(f)=F(nf0)=(1/T)∫(-½T)(½T)  f(t) e^(-j2∏nf0t) dt       (f=nf0)

(2)周期信號(的傅里葉級數):              f(t)=Σ-∞  Fn e^(j2∏nf0)

周期信號的頻譜函數Fn是離散的,只有在f0的整數倍上取值。

周期性方波:

          (1)周期性方波偶函數的頻譜函數:Vζ/T Sa(n∏ζ/T)(偶函數圖像),高V 寬ζ,頻譜零點為 2∏/ζ , 4∏/ζ, 6∏/ζ...

          (2)周期性方波非偶:頻譜函數是復數表達式。

 

非周期性的功率信號:可以看做T→∞,但是一般積分很難積出來

3.能量信號- 非周期信號 -頻譜密度函數:頻率密度的譜 :能量信號f(t)↔頻譜密度函數F(w)

                 非周期信號:沖激信號,門函數,直流信號

   (1)能量信號f(t)↔頻譜密度函數F(w)

             f(t)的傅里葉變換是F(f):   F(f)=-∞  f(t) e^(-j2∏ft) dt      (f=nf0)-----------因為調頻調的是f,所以記住重點關於f的公式形式,w的形式可很快的推導

             【F(f)的逆傅里葉變換是f(t)】:  f(t)= -∞  F(f) e^(j2∏ft) df         

        即       

              【F(w)的逆傅里葉變換是f(t):】 (時域) f(t)=(1/2∏) -∞  F(f) e^(jwt) dw      

              f(t)的傅里葉變換是F(w):  (頻域)   F(w)=-∞  f(t) e^(-jwt) dt          注意:因為是對t積分,所以沒有換元積分,所以直接2∏f=w

      即

            時域<-->頻域

   (2)矩形脈沖:  高不一定為1(高為A的脈沖,矩形的,寬度ζ)

          單脈沖: 門函數 ga(t)的頻譜密度= Aζ Sa(wζ/2),零點是 1/ζ,2/ ζ, 3/ζ,...-------ga(t)↔Aζ Sa(∏fζ) =Aζ Sa(wζ/2)     

                                              注意:I.如果是Ga(w)~w圖像,w=2∏f,頻譜零點w=2∏/ζ,4∏/ζ,...

                    II.頻譜的第一個零點=時域信號的  2pi*高/寬度   

         周期性沖擊串:∑A ga(t-nT)  ↔/////////

 

(3)(單位)沖激函數δ(t)(高為1)的頻譜密度  =1 (叫 均勻譜,又叫白色譜)--------------------------即  δ(t)↔1

                                     注意:δ(t)是偶函數。所以δ(t-t0)=δ(t0-t)     

                                     δ函數在t=t0對f(t)的抽樣f(t0)   =-∞  f(t)δ(t-t0) dt  ,證明:

                                              -∞  f(t)δ(t-t0) dt  =  ∫-∞  f(t)δ(t0-t) dt = ∫t0-t0+  f(t)δ(t0-t) dt = t0-t0+  f(t0)δ(t0-t) dt =f(t0)t0-t0+ δ(t0-t) dt = f(t0)

(4)直流信號f(t)=1 的頻譜密度= 2∏ δ(w)-----------------------即1  2∏ δ(w)                                  

(5)功率信號(只說周期信號)的頻譜密度:認為T→∞,引入沖激函數表示頻譜

 

        I(周期信號)余弦信號 f(t)=cos 2∏f0t =  cos w0t =(1/2) [e^jw0t + e^(-jw0t)]  ↔  ∏[δ(w-w0)+δ(w+w0)]

        II(周期信號)正弦信號 f(t)=sin 2∏f0t =  sin w0t =(1/ 2j) [e^jw0t - e^(-jw0t)]  ↔  (∏/j)[δ(w-w0)-δ(w+w0)]-----是復數,帶相位j,所以一般不選用。

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傅里葉變換性質

1.對稱性:   f(t)↔F(w) 

                 F(t)↔2∏ f(-w)             ------時域有限↔頻域無限 ,時域無限↔頻域有限

2.線性:      fi(t)↔Fi(w) ,i=1,2...

                 Fi(t)↔2∏ fi(-t)   

3.比例性:     f(t)↔F(w) 

                 f(at)↔(1/|a|) F(w/a)     ------時域越寬↔頻域越窄 ,時域越窄↔頻域越寬

4.頻率搬移特性:(調制概念)

f(t) eˆ(jw0t) ↔   F(w-w0)                      ------jw0t中有相位j,所以不常使用eˆ(jw0t)作為調制信號

f(t) cosw0t   ↔  ½ [F(w-w0)+F(w+w0)]   ------將f(t)搬到了以w0為中心(比如搬到高頻點)

5.時移性:(時移了一個信號,幅度譜F(w)沒變,相位譜變了一個-w0t

f(t-t0)↔F(w) eˆ(-jw0t)

6.微分特性 :(相當於經過了一個RC電路)

7.積分特性

8.時域卷積:(輸入信號f(t)經過系統信號f2(t)(傳輸函數H(w)=F2(w))后的輸出信號R(t)就是f1f2的卷積)(因為按照時域分析比較復雜,所以轉換到頻域分析)

f1(t)*f2(t)↔F1(w) F2(w)

f1(t) f2(t)↔(1/2∏) [F1(w) * F2(w)]

 

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一些證明:(如果有些重要的公式記不牢的話,可以幫助記憶)

1.  f(t)=1 ↔ F(w)=2∏δ(w)

    證:   f(t)=(1/2∏)-∞ 2∏ δ(w) e^(jwt) dw

2.  周期性沖激函數:δT(t)=Σ n=-∞∞ δ(t-nT)        

                              因為單位沖擊串δ(t)的(傅里葉級數的系數)   F(w)=(1/T) ∫(-½T)(½T)δ(t) e^(-jnw0t) dt = 1/T

   所以,  δT(t)= (1/T)Σ n=-∞ e^(jnw0t)    ↔FT(w) =  w0 Σ n=-∞  δ(w-nw0)

   所以,周期性沖擊串(高為1)的 傅里葉變換F(w)~w 也是 周期性沖擊串 (高為w0=2∏/T)!!

3.周期性矩形脈沖: GT(t)= Σ n=-∞ G(t-nT) 

因為門函數G(t)(高為A=1)的(傅里葉級數的系數)F(w)=(1/T) ∫(-½T)(½T)G(t) e^(-jnw0t) dt =(ζ/T)Sa(nw0ζ/2)    ζSa(w0ζ/2)

所以,  GT(t)= (ζ/T)Σ n=-∞ Sa(nw0ζ/2) e^(jnw0t)    ↔ FT(w)=  w0 Σ n=-∞  δ(w-nw0)

4.圖像

(1)單位沖激函數 的F(w)~w 是 高為1的均勻譜,

 直流信號f(t)=1 的F(w)~w 是 高為2∏的沖激函數,

  即:   單位沖激函數圖像 ↔ 直流信號的圖像 

           直流信號的圖像 ↔ 單位沖激函數圖像(高為1)

(2)門函數 的F(w)~w 是 抽樣函數的拉伸,經過點(0,ζ)  (1/ζ,0) (2/ζ,0) ...圖像是連續譜

       周期矩形信號的F(w)~w 是 抽樣函數的拉伸...F(w)圖像是離散譜, 在X=nw0處取值,n=0,+/- 1,+/- 2,...

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習題易錯點點撥:

1.求功率信號s(t)的頻譜:

功率信號和它的頻譜函數 不是傅里葉變換對!

S(w)是s(w)展開成傅里葉級數的系數,只能用系數的表達式求得。

2.指數函數的模:

cosx+ j sinx =e^jx 

cosx- j sinx =e^-jx

所以,|e^jx|=|e^-jx|=1

3. 

1/j= -j

 

 

 

 

 

 

 

 

         

        

 

    

 

                                             

 

 

 

                                    

       

       

 


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