在信号系统里面有着俩大变换,都是往时域变的,在学习的过程中我想解决一个疑问,就是为什么里面出现了看起来格格不入的1/2π系数。
原因就在于一个信号其傅里叶变换是一个面积为2π,出现在ω=ω0处的单独冲激,至于积分号那是线性组合。
傅里叶变换将一个函数从时域变换到频域,而傅里叶反变换则正好相反,它将一个函数从频域变换回时域。
傅里叶变换: 把一个信号分解成不同频率的正弦波的叠加。
傅里叶反变换: 将这些正弦波重新组合起来,还原成原来的信号。
设 F(ω) 是函数 f(t) 的傅里叶变换,则 f(t) 可以通过傅里叶反变换求得:
f(t) = (1/2π) ∫[从-∞到+∞] F(ω) * e^(iωt) dω
f(t):时域信号
F(ω):频域信号
ω:角频率
i:虚数单位
观察公式发现是一个积分,是关于频率的。
接下来看拉普拉斯的:插一个推导,其实拉普拉斯就是在上面傅里叶的公式两边乘了衰减变量,直接就变换了。
当拉普拉斯变换的复变量s取纯虚数时,拉普拉斯变换就退化为傅里叶变换。为了保持一致性,拉普拉斯变换中也常常引入1/2π。
这个推导也确实是这样
如果 F(s) 是函数 f(t) 的拉普拉斯变换,那么 f(t) 求得:
f(t) = (1/2πj) ∫[从γ-j∞到γ+j∞] F(s) * e^(st) ds
f(t):时域函数
F(s):复频域函数
s:复变量
j:虚数单位
γ:实数,满足积分路径在F(s)的所有极点的右侧
在拉普拉斯里面的积分变量是一个复变量,也叫含参积分,好像还没有复习,一会儿学习。
第一种解释是能量谱密度:傅里叶变换将时域信号转化为频域信号,而频谱的平方与信号的能量密度成正比。为了确保能量在时域和频域上的等价,需要引入一个归一化因子。
但是我对这个结果不满意,太模糊了,我看了一些过程,觉得真理蕴含于公式之中。
1. 从傅里叶变换出发
假设已经得到了一个函数的傅里叶变换F(ω),目标是通过F(ω)求出原来的函数f(t)。
2. 引入一个积分
我们考虑下面的积分:
(1/2π) ∫[从-∞到+∞] F(ω) * e^(iωt) dω
3. 将F(ω)替换为其定义
将F(ω)的定义代入上式,得到:
(1/2π) ∫[从-∞到+∞] (∫[从-∞到+∞] f(τ) * e^(-iωτ) dτ) * e^(iωt) dω
4. 交换积分顺序
由于积分的线性性和绝对可积性,我们可以交换两个积分的顺序:
(1/2π) ∫[从-∞到+∞] f(τ) * (∫[从-∞到+∞] e^(iω(t-τ)) dω) dτ
5. 计算内层积分
内层积分是一个典型的傅里叶变换,其结果是一个狄拉克δ函数:
∫[从-∞到+∞] e^(iω(t-τ)) dω = 2πδ(t-τ)
6. 代入并化简
将内层积分的结果代入上式,得到:
(1/2π) ∫[从-∞到+∞] f(τ) * 2πδ(t-τ) dτ
7. 利用δ函数的筛选性质
根据δ函数的筛选性质,上式可以化简为:
f(t) = (1/2π) ∫[从-∞到+∞] F(ω) * e^(iωt) dω
整个推导过2π就出现在了内层积分的计算中,这一步将傅里叶变换与狄拉克δ函数联系起来。
狄拉克δ函数是一个广义函数,它在t=0处取无穷大,而在其他地方取值为0,并且其积分等于1。这个特殊的性质使得它可以表示一个集中在一点的单位冲激。 广义函数不再广义-在信号与系统中的应用
在信号处理中,狄拉克δ函数可以用来表示一个理想的冲激信号,即在瞬间产生一个无限大的能量,然后迅速衰减为零。
来详细看一下内层积分:
∫[从-∞到+∞] e^(iω(t-τ)) dω
这个积分本质上是一个傅里叶变换。如果我们将e^(iω(t-τ))看作一个函数,那么这个积分就是求它的傅里叶变换。
根据傅里叶变换的对称性,我们可以得出:
傅里叶变换{e^(iωt)} = 2πδ(ω)
也就是说,e^(iωt)的傅里叶变换是一个在ω=0处有无限大值的狄拉克δ函数。
因此,将t替换为t-τ,我们得到:
∫[从-∞到+∞] e^(iω(t-τ)) dω = 2πδ(t-τ)
频率域的集中性: e^(iω(t-τ))表示一个频率为ω的复指数信号。当t=τ时,这个信号的相位为0,幅值为1。也就是说,这个信号在频率域中只包含一个频率成分,即ω。
时域的无限窄脉冲: 为了在频域中只包含一个频率成分,对应的时域信号必须是一个无限窄的脉冲,即狄拉克δ函数。
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