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离散时间傅里叶变换与离散傅里叶变换

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离散时间傅里叶变换与离散傅里叶变换

离散时间傅里叶变换

单一变元形式

单一变元离散时间傅里叶变换的定义
a[n]a[n] 为定义在整数集 Z\Z 上的函数,F(w)F(w) 为定义在复数集 CC 上的函数。
定义单一变元离散时间傅里叶变换及其逆变换:
a[n]FF(ω):{F(ω)=n=a[n]eiωna[n]=12π02πF(w)eiωndωa[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega): \begin{cases} F(\omega)&=&\sum\limits_{n=-\infty}^\infty a[n]e^{-\mathrm i\omega n} \\ a[n]&=&\dfrac1{2\pi}\int_0^{2\pi}F(w)e^{i\omega n}\,\mathrm d\omega \end{cases}
上式为正变换,下式为逆变换。
单一变元离散时间傅里叶变换的性质
  1. 线性
    a[n]Ffa(ω)b[n]Ffb(ω)a[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}f_a(\omega) \\ b[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}f_b(\omega)
    ccdd 为常数,则
    ca[n]+db[n]Fcfa(ω)+dfd(ω)c\cdot a[n]+d\cdot b[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}c\cdot f_a(\omega)+d\cdot f_d(\omega)
  2. 时移性
    a[n]FF(ω)a[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega)
    a[n+n0]Feiωn0F(ω)a[n+n_0]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}e^{\mathrm i\omega n_0} F(\omega)
  3. 频移性
    a[n]FF(ω)a[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega)
    eiω0na[n]FF(ω+ω0)e^{-\mathrm i\omega_0n} a[n]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega+\omega_0)

多变元形式

多变元离散时间傅里叶变换的定义
a[n1,n2,,np]a[n_1,n_2,\cdots,n_p] 为定义在 Zp\Z^p 上的函数,F(w1,ω2,,ωp)F(w_1,\omega_2,\cdots,\omega_p) 为定义在 CpC^p 上的函数。
定义单一变元离散时间傅里叶变换及其逆变换:
a[n1,n2,,np]FF(ω1,ω2,,ωp):{F(ω1,ω2,,ωp)=n1=n2=np=a[n1,n2,,np]ei(ω1n1+ω2n2++ωpnp)a[n1,n2,,np]=1(2π)p02π02π02πF(ω1,ω2,,ωp)ei(ω1n1+ω2n2++ωpnp)dω1dω2dωpa[n_1,n_2,\cdots,n_p]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p): \begin{cases} F(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)&=&\sum\limits_{n_1=-\infty}^\infty\sum\limits_{n_2=-\infty}^\infty\cdots\sum\limits_{n_p=-\infty}^\infty a[n_1,n_2,\cdots,n_p]e^{-\mathrm i(\omega_1n_1+\omega_2n_2+\cdots+\omega_pn_p)} \\ \\ a[n_1,n_2,\cdots,n_p]&=&\dfrac1{(2\pi)^p}\int_0^{2\pi}\int_0^{2\pi}\cdots\int_0^{2\pi}F(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)e^{i(\omega_1n_1+\omega_2n_2+\cdots+\omega_pn_p)}\\&&\mathrm d\omega_1\mathrm d\omega_2\cdots\mathrm d\omega_p \end{cases}
上式为正变换,下式为逆变换。
多变元离散时间傅里叶变换的性质
  1. 线性
    a[n1,n2,,np]Ffa(ω1,ω2,,ωp)b[n1,n2,,np]Ffb(ω1,ω2,,ωp)a[n_1,n_2,\cdots,n_p]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}f_a(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p) \\ b[n_1,n_2,\cdots,n_p]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}f_b(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)
    ccdd 为常数,
    ca[n1,n2,,np]+db[n1,n2,,np]Fcfa(ω1,ω2,,ωp)+dfb(ω1,ω2,,ωp)c\cdot a[n_1,n_2,\cdots,n_p]+d\cdot b[n_1,n_2,\cdots,n_p] \stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}c\cdot f_a(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)+d\cdot f_b(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)
  2. 时移性
    a[n1,n2,,np]FF(ω1,ω2,,ωp)a[n_1,n_2,\cdots,n_p]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)
    a[n1+n10,n2+n20,,np+np0]Fei(ω1n10+ω2n20++ωpnp0)F(ω1,ω2,,ωp)a[n_1+n_{10},n_2+n_{20},\cdots,n_p+n_{p0}]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow} e^{\mathrm i(\omega_1n_{10}+\omega_2n_{20}+\cdots+\omega_pn_{p0})} F(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)
  3. 频移性
    a[n1,n2,,np]FF(ω1,ω2,,ωp)a[n_1,n_2,\cdots,n_p]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega_1,\omega_2,\cdots,\omega_p)
    eiω10n1+ω20n2++ωp0npa[n1,n2,,np]FF(ω1+ω10,ω2+ω20,,ωp+ωp0)e^{-\mathrm i\omega_{10}n_1+\omega_{20}n_2+\cdots+\omega_{p0}n_p} a[n_1,n_2,\cdots,n_p]\stackrel{\mathscr F}{\leftrightarrow}F(\omega_1+\omega_{10},\omega_2+\omega_{20},\cdots,\omega_p+\omega_{p0})

常用积分公式

{02π1Acosxdx=2πA21,(A>1)02πcosmxAcosxdx=2πA21(AA21),(A>1)02πsinmxAcosxdx=0,(A>1)02π1cosmx1cosxdx=2πm\begin{cases} \int_0^{2\pi}\dfrac1{A-\cos x}\,\mathrm dx=\dfrac{2\pi}{\sqrt{A^2-1}},&(A>1) \\ \int_0^{2\pi}\dfrac{\cos mx}{A-\cos x}\,\mathrm dx=\dfrac{2\pi}{\sqrt{A^2-1}}\Big( A-\sqrt{A^2-1} \Big),&(A>1) \\ \int_0^{2\pi}\dfrac{\sin mx}{A-\cos x}\,\mathrm dx=0,&(A>1) \\ \int_0^{2\pi}\dfrac{1-\cos mx}{1-\cos x}\,\mathrm dx=2\pi\begin{vmatrix}m\end{vmatrix} & \end{cases}
若积分形如
02πP(x)(Acosx)ndx\int_0^{2\pi}\dfrac{P(x)}{(A-\cos x)^n}\,\mathrm dx
可尝试多次求
A02πP(x)(Acosx)ndx\dfrac{\partial}{\partial A}\int_0^{2\pi}\dfrac{P(x)}{(A-\cos x)^n}\,\mathrm dx
即可得出积分结果。

离散时间傅里叶变换的作用

可用于求解含交叉项的双端无穷线性递推组。
事实上求解递推时通常时先正变换后反解 F(ω)F(\omega),再逆变换求出 a[n]a[n]

离散傅里叶变换

单一变元形式

单一变元离散傅里叶变换的定义
单一变元离散傅里叶变换的性质

多变元形式

多边缘离散傅里叶变换的定义
多边缘离散傅里叶变换的性质

常用求和公式

{1Nk=0N1cos2πkmNAcos2πkN=1A21(AA21)m+(AA21Nm)1(AA21)N,(A>1)1Nk=0N11cos2πkmN1cos2πkN=m(Nm)N1Nk=0N1sin2πkmNAcos2πkN=0,(A>1)\begin{cases} \dfrac1N\sum\limits_{k=0}^{N-1}\dfrac{\cos\dfrac{2\pi km}N}{A-\cos\dfrac{2\pi k}N}=\dfrac1{\sqrt{A^2-1}}\cdot\dfrac{(A-\sqrt{A^2-1})^{\begin{vmatrix}m\end{vmatrix}}+(A-\sqrt{A^2-1}^{N-\begin{vmatrix}m\end{vmatrix}})}{1-(A-\sqrt{A^2-1})^N},&(A>1) \\ \dfrac1N\sum\limits_{k=0}^{N-1}\dfrac{1-\cos\dfrac{2\pi km}N}{1-\cos \dfrac{2\pi k}N}=\dfrac{\begin{vmatrix}m\end{vmatrix}(N-\begin{vmatrix}m\end{vmatrix})}{N} \\ \dfrac1N\sum\limits_{k=0}^{N-1}\dfrac{\sin\dfrac{2\pi km}N}{A-\cos\dfrac{2\pi k}N}=0,&(A>1) \end{cases}

离散傅里叶变换的作用

可用于求解含交叉项的有穷线性递推组。

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