- •Некоторые свойства преобразования Фурье
- •Изменение масштаба времени
- •Смещение спектра сигнала
- •Дифференцирование и интегрирование сигнала
- •Сложение сигналов
- •Аналогично можно показать, что произведению двух спектров соответствует функция времени s(t), являющаяся сверткой
- •Взаимная заменяемость ω и t в преобразованиях Фурье
- •Из п. 1 вытекает, что при четной функции s(t) можно произвольно выбирать знак
- •Распределение энергии в спектре непериодического сигнала
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=t–t0, 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 1
n 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 1
i 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 |
|
2πs(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.
