第六次作业参考答案

原创 TsinghuaJoking 2023-04-11 08:39

一、傅里叶变换

1、必做题

(1) ◎ 解答:

▲ 图1.1.1 奇对称半波正弦脉冲信号


  根据波形可以知道信号的表达式为:

  根据傅里叶变换公式,该信号的频谱为:

  下面利用 Sympl 中的符号推导验证 一下上面答案的正确性。

x,T,t,n = symbols('x,T,t,n')
o,E,a = symbols('omega,E,tau')
Fo = E*integrate(sin(2*pi*t/a)*exp(-I*o*t),(t,-a/2,a/2))

result = simplify(Fo)

  下面是 Sympl 积分后给出的答案, 可以看到它 与前面的答案是一致的。

(2) ◎ 求解:

(3)◎ 解答:

(4) ◎ 解答:

2、选做题

(1) ◎ 解答

▲ 图1.1.2 信号的波形


  通过给定的 f(t) 的波形,可以看到它可以通过 宽度为   ,高度为 E 的矩形信号  减去 同样宽度和高度的等腰三角形信号 获得。对于   的频谱分别是:

  所以题目波形对应的信号的频谱为:

(2) ◎ 解答:

二、傅里叶反变换

必做题

(1) ◎ 解答:

▲ 图1.2.1 信号的幅度谱和相位谱


(2)◎ 解答:

  下面是信号的波形。其中参数

▲ 图1.2.2 信号的波形


  为了验证一下上述结果, 下面使用 Python 程序,利用 IFFT 工具,将给定的频谱进行反变换,对比一下结果与理论推导之间是否一致。

▲ 图1.2.3 利用 IFFT 将频谱进行反变换,获得对应的信号波形


from headm import *

A=1
o0 = pi

tn = 100000
startt = -20
endt = -startt

ts = (endt-startt)/tn
os = 2*pi/ts

o1 = 2*pi/(endt-startt)
starto = -os/2
endo = os/2
onum = int(os/o1)

t = linspace(startt, endt, tn)

def G(t, startn, endn):
    return heaviside(t-startn,0.5)-heaviside(t-endn,0.5)
def Gt(t, center, width):
    startn = center-width/2
    endn = startn + width
    return heaviside(t-startn,0.5)-heaviside(t-endn,0.5)

o = linspace(starto, endo, len(t))
amp = G(o, -o0, o0)*A
phase = G(o, -o0, 0)*pi/4 + G(o, 0, o0)*(-pi/4)

cn = len(o)//2
Fo = amp*exp(1j*phase)
Fo = list(Fo)
Fo = Fo[cn:]+Fo[:cn]

ft = real(fft.ifft(Fo))/ts
ft = list(ft)
ft = ft[cn:]+ft[:cn]

plt.plot(t, ft, lw=3,label='IFFT Curve')

plt.xlabel("t")
plt.ylabel("f(t)")
plt.grid(True)
plt.grid(False)
plt.tight_layout()

ft = A/pi/t*(sqrt(2)/2+sin(o0*t-pi/4))

plt.plot(t, ft, lw=1, label='Formular')
printff(min(ft), max(ft))

plt.xlabel("t")
plt.ylabel("f(t)")
plt.grid(True)
plt.legend(loc='upper right')
plt.tight_layout()
plt.show()

(2) ◎ 解答:

  根据   的表达式,将其进行因式分解:

  根据每一个因式, 可以写出各自对应的因果信号时域表达式,将它们叠加在一起,得到   对应的时域信号:

2、选做题

(1) ◎ 解答:

▲ 图1.2.4 信号的幅度谱和相位谱


  利用 IFFT 对频谱数值反变换, 并与上面解答曲线绘制在一起,其中参数 。可以看到它们之间几乎是重合的。

▲ 图1.2.5 利用IFFT 进行反变换与推导出的公式进行对比


(2) ◎ 解答:

  根据给定频谱图像,可以得到 的表达式:

已知

  根据傅里叶变换的对偶性质:所以

  由此可知

三、傅里叶变换形式

1、必做题

(1) ◎ 解答:(2) ◎ 解答:

(3) ◎ 解答:

(4) ◎ 求解:

(5) ◎ 求解:

  对于中心在原点,宽度为 B, 高度为 A 的方波 频谱, 对应的时域信号为:

  根据傅里叶变换频移特性, 原图频谱对应的时域信号为:

选做题

(1) ◎ 解答:

(2) ◎ 求解:

考虑时移之后的结果:

四、信号综合分析

(1) ◎ 解答:

  根据傅里叶变换时移特性:

所以:

(2) ◎ 解答:

 的傅里叶反变换对应着   的偶分量:

▲ 图1.4.1 信号的偶分量


(3) ◎ 求解:

▲ 图1.4.2 信号的面积


参考资料

[1]

信号与系统 2023(春季) 作业要求 - 第六次作业: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129854671


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