傅里叶变换(FS、FT、DTFT、DFT、DFS、FFT)、拉普拉斯变换和Z变换

article/2025/9/12 5:04:27

傅里叶变换的目的:时域转为频域,滤波,求解微分方程等

1. FS(Fourier Series)

傅里叶级数:时域周期连续,频域离散
前提:任何信号都可以看作是无限多的正弦波的叠加。
时域:基本单位是1s
频域:基本单位w(基础是cos(wt))代表“1”;代表“0”的是sin(wt),是直流分量

注意:频率的单位是w(或者f=w/2Π),是实数,而不是附属jw或者e^jw,

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幅度谱:正面看,即时域图像,A.sin(wt+θ)中的A。
频率谱:从侧面看,即频域图像,A.sin(wt+θ)中的w。
相位谱:从下面看,距离频率轴最近的波峰在下面的投影距离为t(此为时间差),t除周期再乘2Pi(或者360°)就是此正弦波对应的相位,即A.sin(wt+θ)中的θ。
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2. FT(Fourier Transformation)

连续时间傅里叶变换:时域连续,频域连续
意义:求一个周期无限大的信号的傅里叶级数,也就是无数个正弦波之和。
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3. DTFT(Discrete-time Fourier Transform)

离散时间傅里叶变换:时域离散,频域连续
过程:时域相乘采样信号(连续变为离散),频域卷积采样信号的频谱(变周期连续)。
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4. DFT(Discrete Fourier Transform)

离散傅里叶变换:时域离散,频域离散
过程:频域相乘采样信号(连续变离散),时域卷积采样信号的频谱(非周期变周期),取         (10)中的主值区间,就是信号x(n)的离散傅里叶变换,即DFT。
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DFS(Discrete Fourier Series):离散傅里叶级数。时域离散周期的DFT,频域离散。

5. FFT(Fast Fourier Transformation)

快速傅里叶变换:DFT和IDFT的快速算法,工程用。

6. 拉普拉斯变换

       拉普拉斯变换是连续时间傅里叶变换(FT)的推广,是其在复平面s上的表示。
       首先解释一下复平面的概念,复数s=a+ib,其中a为实部,b为虚部,其中i 是虚数。对于i,其定义是i^2=-1,那么其实际意义是什么?具体应用是什么呢?其实,i的意义就是:旋转90°,因为i的平方是-1,旋转了180°,那么i就是旋转了90°,具体讲解参考傅里叶分析之掐死教程(完整版)。大神讲解的太详细,解答了我对虚数i十几年的困惑,膜拜!!!

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       所以,复数s=s=a+ib,实部是a,虚部的b是a经旋转90°以后的信号,a和b投影在不同的方向有不同的图像,可以清晰进行区分,这也是复平面的意义所在,同一信号,携带不同的可分解的两个信号。在这里插入图片描述
      下面介绍拉普拉斯变换的过程以及意义。

  • 连续时间傅里叶变换条件:时域信号必须绝对可积
  • 拉普拉斯变换:时域信号x(t)乘负指数(单调减,系数为满足收敛域的任意实数)后满足绝对可积条件,变换条件变得宽松

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7. Z变换

       Z变换是离散时间傅里叶变换(DTFT)的推广,是其在极坐标形式的复数上的表示。

  • 离散时间傅里叶变换(DTFT):时域序列x(n)必须绝对可和
  • Z变换:时域序列x(n)乘负指数函数(a为满足收敛域的任意实数)后满足绝对可和条件,变换条件变得宽松

在这里插入图片描述

8. 系统函数和频响函数

  • 当s=a+ib和z=ae^jw是一般复数时,H(s)和H(z)就称为该系统的系统函数
  • 对连续信号,具有s=jw形式的系统函数即H(s)=H(jw)就称为该系统的频率响应
  • 对离散信号,具有z=e^jw形式的系统函数即H(z)=H(ejw)就称为该系统的频率响应.

9. 参考文献

FS、FT部分参考:傅里叶分析之掐死教程(完整版)
DTFT、DFT、DFS和FFS部分参考:一幅图弄清DFT与DTFT,DFS的关系
拉氏变换、S变换部分参考:傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z 变换的联系是什么?为什么要进行这些变换?
系统函数和频率响应函数部分 系统函数,频率响应定义


http://chatgpt.dhexx.cn/article/m6OiLCa4.shtml

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