傅里葉變換性質(zhì)證明.doc
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? 2.6 傅里葉變換的性質(zhì) 2.6.1線性 若信號(hào)和的傅里葉變換分別為和, 則對(duì)于任意的常數(shù)a和b,有 將其推廣,若,則 其中為常數(shù),n為正整數(shù)。 由傅里葉變換的定義式很容易證明線性性質(zhì). 顯然傅里葉變換也是一種線性運(yùn)算,在第一章我們已經(jīng)知道了,線性有兩個(gè)含義:均勻性和疊加性。均勻性表明,若信號(hào)乘以常數(shù)a,則信號(hào)的傅里葉變換也乘以相同的常數(shù)a,即 疊加性表明,幾個(gè)信號(hào)之和的傅里葉變換等于各個(gè)信號(hào)的傅里葉變換之和 ????? 2.6.2 反褶與共軛性 設(shè)f(t)的傅里葉變換為,下面我們來討論信號(hào)反褶、共軛以及既反褶又共軛后,新信號(hào)的傅里葉變換。 ?。?)反褶 f(-t)是f(t)的反褶,其傅里葉變換為 ????????? ?。?)共軛 ????????? (3)既反褶又共軛 ??????? 本性質(zhì)還可利用前兩條性質(zhì)來證明: 設(shè)g(t)=f(-t),h(t)=g*(t),則 ??? ???????在上面三條性質(zhì)的證明中,并沒有特別指明f(t)是實(shí)函數(shù)還是復(fù)函數(shù),因此,無論f(t)為實(shí)信號(hào)還是復(fù)信號(hào),其傅里葉變換都滿足下面三條性質(zhì) ? 2.6.3 奇偶虛實(shí)性 已知f(t)的傅里葉變換為。在一般情況下,是復(fù)函數(shù),因此可以把它表示成模與相位或者實(shí)部與虛部?jī)刹糠?,? ??????? 根據(jù)定義,上式還可以寫成 ???? 下面根據(jù)f(t)的虛實(shí)性來討論F()的虛實(shí)性。 (1) f(t)為實(shí)函數(shù) 對(duì)比式(2-33)與(2-34),由FT的唯一性可得 ?。?.1)f(t)是實(shí)的偶函數(shù),即f(t)=f(-t) X()的積分項(xiàng)是奇函數(shù),而奇函數(shù)在對(duì)稱區(qū)間內(nèi)的積分為零,故 這時(shí)X()=0,于是 可見,若f(t)是實(shí)偶函數(shù),則F()也是實(shí)偶函數(shù),即 左邊反褶,右邊共軛 ?。?.2)f(t)是實(shí)的奇函數(shù),即-f(t)=f(-t) R()的積分項(xiàng)是奇函數(shù),而奇函數(shù)在對(duì)稱區(qū)間內(nèi)的積分為零,故 這時(shí)R()=0,于是 可見,若f(t)是實(shí)奇函數(shù),則F()是虛奇函數(shù),即 左邊反褶,右邊共軛 有了上面這兩條性質(zhì),下面我們來看看一般實(shí)信號(hào)(即可能既不是偶信號(hào),又不是奇信號(hào),反正不清楚,或者說是沒有必要關(guān)心信號(hào)的奇偶特性)的FT頻譜特點(diǎn)。 ? 2.6.4對(duì)稱性 傅里葉變換與傅里葉反變換之間存在著對(duì)稱關(guān)系,稱為傅里葉變換的對(duì)稱性質(zhì)。若已知 F()=F[f(t)] 則有 F[f(t)]=2лf(-) 證明:因?yàn)? 將變量t與互換,再將2乘過來,得 上式右邊是傅里葉正變換定義式,被變換函數(shù)是F(t) 所以 F[F(t)]=2лf(-) 若f(t)為偶信號(hào),即f(t)=f(-t),則有 F[F(t)]=2f() 從上式可以看出,當(dāng)f(t)為偶信號(hào)時(shí),頻域和時(shí)域的對(duì)稱性完全成立――即f(t)的頻譜是F(),F(xiàn)(t)的頻譜為f()。 若f(t)為奇信號(hào),即f(t)=-f(-t),則有 F[F(t)]=-2f() 利用FT的對(duì)稱性,我們可以很方便地一些信號(hào)的傅里葉變換。下面我們舉些例子來說明這一點(diǎn)。 ???????? ??? 2.6.5 尺度變換 若F[f(t)]=F(),則 這里a是非零的實(shí)常數(shù)。 下面利用FT的定義及積分的性質(zhì),分a>0和a<0兩種情形來證明傅里葉變換的尺度變換特性。 證明:因?yàn)? 令at=x, 當(dāng)a > 0時(shí) 當(dāng)a < 0時(shí) 上述兩種情況可綜合成如下表達(dá)式: 由上可見,若信號(hào)f(t)在時(shí)域上壓縮到原來的1/a倍,則其頻譜在頻域上將展寬a倍,同時(shí)其幅度減小到原來的1/a。 尺度變換性質(zhì)表明,在時(shí)域中信號(hào)的壓縮對(duì)應(yīng)于頻域中信號(hào)頻帶的擴(kuò)展,反之,信號(hào)的時(shí)域擴(kuò)展對(duì)應(yīng)于頻域的壓縮。對(duì)于a=-1的特殊情況,它說明信號(hào)在時(shí)域中沿縱軸反褶等效于在頻域中頻譜也沿縱軸反褶。 對(duì)傅里葉變換的尺度變換特性最通俗的解釋可以采用生活中的實(shí)例來說明,在錄音帶快放時(shí),其放音速度比原磁帶的錄制速度要快,這就相當(dāng)于信號(hào)在時(shí)間上受到了壓縮,于是其頻譜就擴(kuò)展,因而聽起來就會(huì)感覺到聲音發(fā)尖,即頻率提高了。反之,當(dāng)慢放時(shí),放音的速度比原來速度要慢,聽起來就會(huì)感覺到聲音渾厚,即低頻比原來豐富了(頻域壓縮)。 ? 2.6.6 時(shí)間平移(延時(shí)) 下面進(jìn)行證明 證明: 上式右邊的積分項(xiàng)為傅里葉變換定義式, 于是可以得到 同理可以得到 2.6.7 時(shí)域微分 若F[f(t)]=F(),則 ???????????? 證明:因?yàn)?,兩邊對(duì)t求導(dǎo),可得 ??????????????? 所以 同理,可以推出 由上可見,在時(shí)域中f(t)對(duì)t取n階導(dǎo)數(shù)等效于在頻域中f(t)的頻譜F()乘以(j)n. 下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用例子。若已知單位階躍信號(hào)u(t)的傅里葉變換,可利用此定理求出(t)的FT 2.6.8 頻域微分 若F[f(t)]=F(),則 證明:因?yàn)?,兩邊分別對(duì)求導(dǎo),可得 所以 ????????? ? 2.6.9 時(shí)域積分 ????????? ????????? 可見,這與利用符號(hào)函數(shù)求得的結(jié)果一致。 2.6.10 頻域積分 若F[f(t)]=F() ,則有 2.6.11 時(shí)域卷積定理 ???????? ? 2.6.12 頻域卷積定理 與時(shí)域卷積定理類似, 證明方法同時(shí)域卷積定理,在這里不在重復(fù),同學(xué)們可自己證明。 由上可見,兩個(gè)時(shí)間函數(shù)頻譜的卷積等效于兩個(gè)時(shí)間函數(shù)的乘積?;蛘哒f,兩個(gè)時(shí)間函數(shù)乘積的頻譜等于各個(gè)函數(shù)頻譜乘積乘以1/2。 顯然,時(shí)域與頻域卷積定理是對(duì)稱的,這是由傅里葉變換的對(duì)稱性決定的。 ? 2.6.13 帕斯瓦爾定理 前面我們?cè)谥v信號(hào)分解時(shí),提及帕斯瓦爾定理。下面我們來研究一下該定理在FT中的具體表現(xiàn)形式。 若F[f(t)]=F() ,則 這就是帕斯瓦爾定理在傅里葉變換中體現(xiàn),它表明了信號(hào)的能量在時(shí)域與頻域是守恒的。下面利用FT的定義和性質(zhì),推導(dǎo)信號(hào)能量的求解。 ???????? 式中 是信號(hào)f(t)的總能量,為信號(hào)f(t)的能量譜密度。 帕斯瓦爾定理表明,這個(gè)總能量既可以按每單位時(shí)間的能量|f(t)|2在整個(gè)時(shí)間內(nèi)積分計(jì)算出來,也可以按單位頻率內(nèi)的能量/2在整個(gè)頻率范圍內(nèi)積分來得到。 此定理也可以如下證明。由相關(guān)性定理可得 取t=0,即得帕斯瓦爾定理。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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