Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ТПИ / 03_0_Некоторые свойства преобразования Фурье.ppt
Скачиваний:
55
Добавлен:
10.05.2015
Размер:
133.12 Кб
Скачать

Некоторые свойства преобразования Фурье

Сдвиг сигналов во времени

 

 

 

 

 

s2 t s1 t t0 ,

от t1+t0 до t2+t0

 

 

t2 t0

 

 

t2 t0

 

 

s2 t e

i t

dt s1 t t0 e

i t

dt.

S

 

 

 

t1 t0

 

 

t1 t0

 

 

Вводя новую переменную интегрирования τ=tt0, получаем

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

i t0

s1 e

i

d e

i t0

.

(2.15)

S e

 

 

 

S1

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

Сдвиг во времени функции s(t) на ± t0 приводит к изменению фазовой характеристики спектра на величину ±ωt0.

Изменение масштаба времени

s2(t)=s1(nt), n > 1.

 

и n

 

и n

 

 

 

s2 t e

i t

dt s1

nt e

i t

dt.

S2

 

 

 

0

 

0

 

 

 

Вводя новую переменную интегрирования τ=nt, получаем

S2 1n и s1 e i n d 1n S1 n .

0

При сжатии сигнала в n раз на временной оси во столько же раз расширяется его спектр на оси частот. Модуль спектральной плотности при этом уменьшается в n раз.

Смещение спектра сигнала

Применим (2.6) к произведению s(t)cos(ω0t+θ0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

e

i t

 

 

i t

 

 

 

s t cos 0t 0 e

i t

dt

s t

e

i t

dt

 

 

 

2

0 0

 

 

0 0

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e20

s t e i 0

t dt e

2

0

s t e i 0 t dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, (2.16)

s t cos 0t 0 e

i t

dt

i 0

S 0

e

i 0

S 0

 

 

2 e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где S – спектральная плотность сигнала s(t).

Из выражения (2.16) вытекает, что расщепление спектра на две части, смещенные соответственно на +ω0 и –ω0 эквивалентно

умножению функции s(t) на гармоническое колебание cosω0t (при θ0=0).

Дифференцирование и интегрирование сигнала

 

 

 

 

s2

t

ds1

t

 

 

.

s1 t S1 ,

dt

i S1

S2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Производная функции еiωt равна iωеiωt.

 

 

ds1 t

 

 

dt s1 t e

 

 

i S1 i S1 .

 

i t

i t

 

dt

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогичным образом можно показать, что сигналу

t

s2 t s1 x dx

соответствует спектральная плотность

S2 1i S1 .

(2.17)

(2.18)

*Данная операция законна только для сигналов, отвечающих условию S(0) = 0, т.е. для сигналов с нулевой площадью.

Сложение сигналов

Так как преобразование Фурье является линейным, очевидно, что при сложении сигналов s1(t), s2(t),..., обладающих спектрами

 

 

,

 

,...

суммарному сигналу s(t)=s1(t)+s2(t)+... соответст-

S1

S2

вует спектр

 

 

 

...

S S1

S2

Произведение двух сигналов

Пусть рассматриваемый сигнал s(t) является произведением двух функций времени f(t) и g(t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S s t e i t dt f t g t e i t dt.

 

(2.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

i t

 

1

 

i t

 

f t

2

F e

 

d ,

g t

2

G e

 

d .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

ixt

 

i t

 

S

 

f t G x e

 

dx e

 

dt

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

i x t

 

 

 

G x f t e

 

dt dx.

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

(2.20)

S

 

 

 

G x F x dx.

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В частном случае ω=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

f t g t dt

 

2

G x F x dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заменяя х на ω, получаем

 

1

 

 

1

f t g t dt

2

G F d

2

 

 

 

 

 

 

G F d .(2.21)

Здесь F F

Аналогично можно показать, что произведению двух спектров соответствует функция времени s(t), являющаяся сверткой функций f(t) и g(t):

 

 

 

2

 

 

s t

f y g t y dy

f t y g y dy

1

 

 

 

 

 

F G d .

(2.22)

Последнее выражение особенно широко используется при анализе передачи сигналов через линейные цепи. В этом случае функции времени f(t) и g(t) имеют смысл соответственно входного сигнала и импульсной характеристики цепи, a F и G – спектральной плотности сигнала и передаточной функции цепи.

Взаимная заменяемость ω и t в преобразованиях Фурье

1. Если s(t) есть функция, четная относительно t, то функция

 

S

есть функция вещественная и четная относительно ω:

 

 

 

 

 

 

 

S s t cos tdt i s t sin tdt,

 

 

 

 

2. Если s(t) нечетна относительно t, то

 

S нечетная и чисто

мнимая функция.

 

3. Если, наконец, s(t) не является четной или нечетной функцией относительно t, то ее можно разложить на две функции: четную s1(t) и нечетную s2(t). При этом S представляет комплексную

функцию, причем действительная её часть чётна, а мнимая нёчетна относительно ω.

Из п. 1 вытекает, что при четной функции s(t) можно произвольно выбирать знак перед t в обратном преобразовании Фурье [см. (2.7)]: выберем знак минус и запишем формулу (2.7) в виде

 

1

 

 

i t

 

s t

 

S e

 

d .

2

 

 

 

 

 

 

Заменим переменную интегрирования ω на t и параметр t на ω. Тогда левая часть должна быть записана в виде функции от аргумента ω

 

 

 

 

1

 

 

 

i t

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

e

 

dt

 

.

s

 

2

S t

 

2

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

(2.23)

 

 

 

 

S

 

2 s

 

 

 

 

 

Этот результат показывает, что переменные ω и t в преобразованиях

Фурье взаимно заменимы; если колебанию (четному) s(t) соответ-

ствует спектр

 

 

S , то колебанию

S t соответствует спектр

s(ω).

Распределение энергии в спектре непериодического сигнала

Из (2.21): если

 

f t g t s t ,

то интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f t g

t dt s2

t dt E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кроме того,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

2

,

 

 

G F

S S

 

S

 

 

 

Таким образом, в соответствии с (2.21)

Es2 t dt

 

1

 

 

 

2

S

 

 

 

2d

1

S 2

d .

(2.24)

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

Это соотношение, устанавливающее связь между энергией сигнала и модулем его спектральной плотности, известно под названием равенства Парсеваля.