离散傅里叶变换7.ppt

1、1,第三章 离散傅里叶变换,DFT: Discrete Fourier Transform,2,一、Fourier变换的几种可能形式,连续时间、连续频率傅里叶变换,连续时间、离散频率傅里叶级数,离散时间、连续频率序列的傅里叶变换,离散时间、离散频率离散傅里叶变换,3,连续时间、连续频率傅里叶变换,时域连续函数造成频域是非周期的谱， 而时域的非周期造成频域是连续的谱密度函数。,4,连续时间、离散频率傅里叶级数,时域连续函数造成频域是非周期的谱，而频域的离散对应时域是周期函数。,5,离散时间、连续频率序列的傅里叶变换,时域的离散化造成频域的周期延拓，而时域的非周期对应于频域的连续,6,离散时间、离

2、散频率离散傅里叶变换,一个域的离散造成另一个域的周期延拓，因此离散傅里叶变换的时域和频域都是离散的和周期的,7,四种傅里叶变换形式的归纳,8,二 、周期序列的DFS及其性质,9,虽然表现形式上和连续周期函数是相同的，但是离散傅里叶级数的谐波，独立成分有限，这是和连续傅里叶级数不同之处(后者有无穷多个谐波成分)，这是因为：,r为任意整数,也就是,因 而 对 离 散 傅 里 叶 级 数 , 只 能 取 k = 0 到 k = N - 1 的 独 立 谐 波 分 量 , 不 然 就 会 产 生 二 义性 .因而 ，可展成如下的离散傅里叶级数即,这里的1/N是一个常用的常数, 是k次谐波的系数。,10

3、,求解系数,注意：,其它 r时:,11,对离散傅里叶级数式两端同乘 , 然后从n0到N-1的一个周期内求和，则得到,当k=r时，,当kr时，,因为：,12,把r换成k可得,这就是求k0到N-1的N个谐波系数 的公式。同时看出 也是一个以N为周期的周期序列，即,这和复指数只在k0,1，N一1时才各不相同，即离散博里叶级数只有N个不同的系数 的说法是一致的。所以可看出，时域周期序列的离散傅里叶级数频域(即其系数)也是一个周期序列。因而我们把两式一起看作是周期序列的离散傅里叶级数(DFS)对。,13,周期序列的DFS正变换和反变换：,其中：,14,15,16,17,可看作是对 的一个周期 做 变换然

4、后将 变换在 平面 单位圆上按等间隔角 抽样得到,18,DFS的性质,1、线性：,其中， 为任意常数,若,则,19,2、序列的移位,20,3、调制特性,21,4、对偶性,因为 所以有： 上式即为：,22,5、周期卷积和,若,则,23,24,25,26,27,28,同样,若,则,29,三、离散傅里叶变换（DFT）,同样：X(k)也是一个N点的有限长序列,30,有限长序列的DFT正变换和反变换：,其中：,31,x(n)的N点DFT是 x(n)的z变换在单位圆上的N点等间隔抽样；,x(n)的DTFT在区间0，2上的N点等间隔抽样。,32,33,34,35,36,四、离散傅里叶变换的性质,DFT正变换

5、和反变换：,37,1、线性：,这里，序列长度及DFT点数均为N 若不等，分别为N1，N2，则需补零使两序列长度相等，均为N，且,若,则,38,2、序列的圆周移位,定义：,39,40,有限长序列的圆周移位导致频谱线性相移，而对频谱幅度无影响。,41,调制特性：,时域序列的调制等效于频域的圆周移位,42,43,3、共轭对称性,44,45,其中：,共轭反对称分量：,共轭对称分量：,任意周期序列：,46,定义：,则任意有限长序列：,圆周共轭反对称序列：,圆周共轭对称序列：,47,圆周共轭对称序列满足：,48,圆周共轭反对称序列满足：,49,同理：,其中：,50,51,对称性质1,证明：,52,对称性质

6、2,53,证明：,54,对称性质3,证明：,55,对称性质4,证明：,56,对称性质5,对称性质6,57,偶序列的DFT偶对称 即 时 有：,对称性质7,58,59,证明：,60,奇对称序列的DFT奇对称 即 时 有： 证明同上,对称性质8,61,序列 DFT,共轭对称性,62,序列 DFT,实数序列的共轭对称性,63,纯虚序列的共轭对称性,序列 DFT,64,DFT的奇偶虚实性,65,例：设x1(n)和x2(n)都是N点的实数序列，试用一次N点DFT运算来计算它们各自的DFT:,66,67,68,4、对偶性,若 则有：,69,5、DFT形式下的Parseval定理,70,71,6、圆周卷积和

7、,若,则,72,73,圆周卷积过程： 1）补零 2）周期延拓 3）翻褶，取主值序列 4）圆周移位 5）相乘相加,N,N,N,74,75,76,77,同样，可得,若,则,78,7、有限长序列的线性卷积与圆周卷积,线性卷积：,79,讨论圆周卷积和线性卷积之间的关系：,对x1(n)和x2(n)补零，使其长度均为N点；,对x2(n)周期延拓：,圆周卷积：,80,N,81,82,83,小结：线性卷积求解方法,时域直接求解,z变换法,DFT法,84,8、线性相关与圆周相关,线性相关：,自相关函数：,85,相关函数不满足交换率：,86,相关函数的z变换：,87,相关函数的频谱：,88,圆周相关定理,89,9

8、0,当 时， 圆周相关可完全代表线性相关,类似于线性卷积与圆周卷积之间的关系,91,六 、抽样z变换频域抽样理论,时域抽样定理：在满足奈奎斯特定理条件下，时域抽样信号可以不失真地还原原连续信号。,频域抽样呢？,抽样条件？,内插公式？,92,93,94,x(n)为无限长序列混叠失真 x(n)为有限长序列，长度为M,由频域抽样序列 还原得到的周期序列是原非周期序列 的周期延拓序列，其周期为频域抽样点数N。,所以：时域抽样造成频域周期延拓 同样，频域抽样造成时域周期延拓,95,频率采样定理,若序列长度为M，则只有当频域采样点数: 时，才有 即可由频域采样 不失真地恢复原信号 ，否则产生时域混叠现象。

9、,96,用频域采样 表示 的内插公式,97,98,用频域采样 表示 的内插公式,99,100,101,七 、用DFT对模拟信号作频谱分析,102,对连续时间非周期信号的DFT逼近,1）将 在 轴上等间隔（T）分段,2）将 截短成有限长序列,103,3）频域抽样：一个周期分N段，采样间隔 ，时域周期延拓周期为:,104,对连续时间非周期信号的DFT逼近过程 1）时域抽样 2）时域截断 3）频域抽样,近似逼近：,105,对连续时间周期信号的DFS逼近,1）将 在 轴上等间隔（T）分段,106,2）频域截断：长度正好等于一个周期,近似逼近：,107,信号的频谱分析：计算信号的傅里叶变换,108,10

10、9,110,111,频率响应的混叠失真及参数的选择,112,同时提高信号最高频率和频率分辨率，需增加采样点数N。 所以：,信号最高频率与频率分辨率之间的矛盾,113,114,115,116,1-14 有一调幅信号 用DFT做频谱分析，要求能分辨 的所有频率分量，问 (1)抽样频率应为多少赫兹（Hz）? (2)抽样时间间隔应为多少秒（Sec）? (3)抽样点数应为多少点？ (4)若用 频率抽样，抽样数据为512点，做频谱分析，求 ，512点，并粗略画出 的幅频特性 ，标出主要点的坐标值。,117,（1）抽样频率应为,解：,（2）抽样时间间隔应为,118,119,120,121,122,频谱泄漏,

11、改善方法：,对时域截短，使频谱变宽拖尾，称为泄漏,1）增加x(n)长度,2）缓慢截短,123,栅栏效应,改善方法： 增加频域抽样点数N（时域补零），使谱线更密,DFT只计算离散点（基频F0的整数倍处）的频谱，而不是连续函数,124,频率分辨率,提高频率分辨率方法： 增加信号实际记录长度 补零并不能提高频率分辨率,125,126,127,128,129,130,131,八 、序列的抽取与插值,信号时间尺度变换（抽样频率的变换） 抽取：减小抽样频率 插值：加大抽样频率,132,1、序列的抽取,将x(n)的抽样频率减小D倍 每D个抽样中取一个，D为整数，称为抽样因子,133,相当于抽样间隔增加D倍后对时域连续信号的抽样,134,135,136,137,序列域直接抽取：,时域序列乘脉冲串,138,139,140,2、序列的插值,将x(n)的抽样频率增加I倍 相邻两点之间等间隔插入 I-1个零点， I 称为插值