• 傅里叶变换


    傅里叶变化(FTT):

    主要思想:任何连续周期信号可以由一组适当的正弦曲线(函数)或者它们的积分组合而成

    正弦信号特征:输入输出保持不变 可当做信号的特征向量

    对应频域图:

    频域:

    幅度和相位:幅度-分量的幅度 角度是波的相对相位

    频域图:横轴频率 纵轴幅度 描述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。

    短时傅里叶变换(STFT)

    利用窗函数在时间范围上对信号进行切分

    不同时间范围内对应不同窗函数

    窗函数有不同类型(余弦函数:汉明窗,指数窗:高斯窗等)

    确定时变信号局部区域正弦波的频率和相位

    计算多个时刻的频谱图(在时间上切分对局部进行傅里叶变换)

    具有时间分辨率和频率分辨率两个条件

    在信号变动剧烈时,需要时间分辨率较高(切分时间间隔较短),对应频率分辨率较低

    信号变动平缓时,需要时间分辨率较低(切分时间间隔较长),对应频率分辨率较高

    相关知识:

    1.一个长度为N的信号可以分解为N/2+1个正余弦信号

      (最多只能有这些不同频率,再多超出计算机的精度范围)

    2.时域到频域的转换

    正逆变换

    有N/2+1种频率,所以数组长度为N/2+1,复数形式的变换长度是N

    2.频域中频率表示方法:

    1)序号:0~N/2

    2)分数:时域中信号样本数的比例 0~0.5:X[f],f=k/N,范围0-1/2

    3)弧度值:f*2π得到一个弧度值,自然频率表示方法:X[w],w=2πf=2πk/N,取值范围0-π

    4)赫兹:Hz 10kHz代表每秒10000个样本数 范围0~取样频率的一半

    3.实数离散傅里叶变换(DFT)

    ck[i] = cos(2πki/N)
    sk[i] = sin(2πki/N)

    k表示每个正余弦波的频率,如为2表示在0到N长度中存在两个完整的周期

    合成原始信号(real实部 lmagine虚部):

     

    k=0 or N/2时,实数部分用到下面等式

    N是时域中点的总数,k是从0到N/2的序号。

     信号相关性(correlation):

     可以从噪声背景中检测已知信号,比如把一个待检测的信号波乘以另一个已知信号波,得到一个新的信号波,把新的

    信号波所有点数相加(y),得到平均值,就可以判断两个信号相似程度,0为不相似。0.5为包含。

    (两个函数相乘,结果中每个点的总和为0,认为这两个函数是正交函数)

    把输入信号和每一种频率的正余弦信号相乘,就可以得到原始信号和每种频率的关联程度,就是需要的傅里叶变换结果。

     复数相关知识:

    M(magnitude)数量积,表示从原点到坐标点的距离

    θ是相位角(phase),表示x轴到某个方向的夹角

    计算方法如下:

     直角坐标到极坐标转换:

     a + jb = M (cosθ + j sinθ)

    直角坐标表示:

     极坐标表示:

    利用欧拉等式

                 ejx = cos x + j sin x  (j:虚数)

    得到

    得到 a + jb = M ejθ (这便是复数的两个表达式)

     正余弦复数形式运算条件:

    1、参加运算的所有正余弦的频率必须是一样的;

    2、运算操作必须是线性的,如两个正弦信号可以进行相加减,但不能进行乘除,象信号的放大、衰减、高低通滤波等系统都是线性的,象平方、缩短、取限等则不是线性的。要记住的是卷积和傅立叶分析也只有线性操作才可以进行。
       

    相量变换:

    正弦或余弦波变成复数的形式称为相量变换,Phasor transform

    离散傅里叶变换复数形式:

    通过欧拉等式可以把正余弦函数表示成复数的形式:
     
                        cos( x ) = 1/2 e j(-x) + 1/2 ejx 
                        sin( x ) = j (1/2 e j(-x) - 1/2 ejx)

     复数形式可以包含正负频率。

     原始信号乘以一个正交函数形式的信号,然后进行求总和,最后就能得到这个原始信号所包含的正交函数信号的分量。

    正向变换式:

    欧拉变换:

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