怎么由傅里叶变换得到傅里叶级数

如题所述

最近看了许多傅里叶的东西,有了一定的体会与了解,也姑且做以总结,可能有纰漏或瑕疵,还请见谅。
预备知识:联系周期信号的傅里叶级数、采样定理、卷积定理、变量替换、正交基……
(1)首先从联系连续周期信号的三角型傅里叶级数说起(FS):,其中
上式可以转换为:

其中:

(2)傅里叶级数的指数形式(FS)
欧拉公式

将上述欧拉公式代入到(1)中的三角型傅里叶级数中,得到傅里叶级数的指数形式:
(一)
其中Fn=(an-j*bn)/2 (式子2)
由上式以及傅里叶级数的三角形式可得:

Fn表示傅里叶级数的系数,对应频域的各幅度,由(一)展开式可得,连续周期函数对应的频谱是非周期离散的。
(3)连续非周期信号(FT)
当连续周期信号的周期 T 趋近于无穷大的时候,连续周期信号就变成了连续非周期信号。
当周期 T 趋近于无穷大是,相邻谱线的间隔趋近于无穷小,从而信号的频谱密集成连续频谱,同时,各频率分量的幅度也都趋近于无穷小。为了描述非周期信号的频谱特性,引入频谱密度的概念: ,称F(jw)为频谱密度函数。
(二)
(三)
(二)称为f(t)的傅里叶变换,(三)为函数F(jw)的傅里叶逆变换。
F(jw)称为f(t)的频谱密度函数或频谱密度。
(4)离散非周期序列(DTFT)
对连续非周期信号f(t)进行等间隔采样,得离散非周期序列:

时域采样对应于频域的周期延拓,由卷积定理可推导如下:

进而可得离散非周期信号的傅里叶变换(即离散时间傅里叶变换DTFT)为:

可见X(e^(jw))是w的连续周期函数,周期为2pi,上式称为离散时间傅里叶变换(DTFT),下式称为离散时间傅里叶逆变换(IDTFT)。
(4)离散周期序列(DFS)
要由离散非周期序列推导离散周期序列需要分两种情况:
1.如果离散非周期序列的长度有限,为N,此时可以直接对离散非周期序列的频谱进行等间隔取样(满足频域采样定理),可以利用卷积定理推导得到(类似离散非周期序列中的推导)离散周期序列:
进而可以推导出离散傅里叶级数(DFS)
2.如果离散非周期序列的长度无限,需要对其加窗截取,相当于乘以一个门序列,然后按照 1 中的方法进行处理即可。
由以上推导出离散周期序列的离散傅里叶级数(DFS):

此时,时域、频域均是周期为N的周期序列。
上式称为周期序列的离散傅里叶级数(DFS)
下式表示离散傅里叶级数展开式(逆变换),DFS表示求离散傅里叶系数。
(5)有限长离散非周期序列(离散傅里叶变换DFT)
先对有限长序列x(n)周期延拓,得到离散周期序列,然后对其进行DFS得到离散的周期序列X(K),然后对其取主值序列就得到了x(n)对应的DFT。

上式称为离散傅里叶变换(DFT),其快速算法(FFT)
下式称为离散傅里叶逆变换(IDFT),其快速算法(IFFT)
(6)拉普拉斯变换
由于有些函数的傅里叶变换不存在,此时可以对其乘以一个衰减因子e^(-△t),△是常数。然后对其进行傅里叶变换。
此过程就可以由傅里叶变换推导到拉普拉斯变换(实际傅里叶变换是拉普拉斯变换的特殊情况,即虚轴上的拉普拉斯变换就对于傅里叶变换)。

同样,如果从0开始积分则对应单边拉普拉斯变换。

注意收敛域。
(7)z变换
类似拉普拉斯变换,由于有些序列的离散时间傅里叶变换(DTFT)不存在,此时就引出了z变换。

序列在单位圆上的z变换就对应离散时间傅里叶变换(DTFT),
序列在单位圆上的z变换的N点等间隔采样就对应了离散傅里叶变换(DFT)
注:1.至于各种变换的性质,如移位性质,尺度变换,对称性,卷积定理,微分,积分,只要根据定义,利用变量替换等都很容易求得。
2.某一域的连续 对应 另一域的非周期
某一域的离散 对应 另一域的周期
3.时域采样定理:fs>=2fm
频域采样定理:ts>=2tm
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