建模之三快速傅里叶变换

在数字电路的传输中,为了避免信号干扰,需要把一个连续信号x(t)先通过取样,离散化为一列数字脉冲信号x(0),x(1),…,然后再通过编码送到传输电路中。如果取样间隔很小,而连续信号的时间段又很长,则所得到的数字脉冲序列将非常庞大,因此传输这个编码信号就需要长时间占用传输电路,相应地也需要付出昂贵的电路费用。那么能否经过适当处理使上述的数字脉冲序列变短,而又不会丧失有用的信息?

经过研究发现,如果对上述数字脉冲序列作如下的变换处理


离散傅里叶变换

则所得到的新序列X(0),X(1),…将非常有序,其值比较大的点往往集中在某一个很狭窄的序列段内,这将非常有利于编码和存储,从而达到压缩信息的目的。上图就是所谓的离散傅里叶变换,简称DFT。


1. 傅里叶变换

如果x(t)是定义在整个实轴上的实值或复值函数,则其傅里叶变换为


图片.png

若对任意参数f,上述积分都存在,则上图确定了一个函数X(f),称为x(t)的傅里叶变换。

如果已知X(f),则利用如下的傅里叶逆变换可复原x(t):


图片.png

若x(t)和X(f)同时满足式上两式,则称它们是一个傅里叶变换对。

2. 傅里叶积分的离散化

由于傅里叶变换无法用数字计算机进行逻辑运算,所以工程分析中通常采用抽样的方法,观测x(t)的一些离散值,然后利用数值积分将傅里叶变换离散化。取2N+1个相互间隔为△t的时间序列得到x(t)离散化序列,即x(−N△t),…,x(−△t),x(0),x(△t),…,x(N△t)。于是当N充分大时,有


式(3-4)

以j△t(j=0,±1,±2,…,±N)为节点,对式(3-4)用复合梯形公式做Euler数值积分得


式(3-5)

对f进行离散化,取(j=0,1,2,…,N−1),则上式可改写为
式(3-6)

式(3-6)

3. 离散傅里叶变换

式(3-6)可用以下更为一般的方式定义:设xn 是长为N的复序列,N点的离散Fourier变换定义为


(3-7)

图片.png

WN 是复数方程ZN =1的单位根(简记W=WN )。

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