连续时间信号的傅里叶变换

通过上一章的学习我们知道，时域的周期信号可以由成谐波关系的复指数信号来线性表示。时域的波形与频域的频谱是一一对应的。从而LTI系统对周期信号的响应变得极其简便。在工程应用中有相当广泛的信号是非周期信号，对非周期信号应该如何进行分解，如何建立是非周期信号的频谱表示，就是这一章要解决的问题。在时域可以看到，如果一个周期信号的周期趋于无穷，则周期信号将演变成一个非周期信号；反过来，任何非周期信号如果进行周期性延拓，就一定能形成一个周期信号。我们把非周期信号看成是周期信号在周期趋于无穷时的极限，从而考查连续时间傅里叶级数在T趋于无穷时的变化，就应该能够得到对非周期信号的频域表示方法.这正是我们开展对非周期信号进行频域分析的基本出发点。第四章连续时间傅里叶变换1可编辑ppt4.1非周期信号的表示—连续时间傅里叶变换一、从傅里叶级数到傅里叶变换首先让我们考察一下周期矩形脉冲信号，其时域与频域波形如这里动画4-1所示。当增大的时候，频谱的幅度随的增大而下降；谱线间隔随增大而减小；而频谱的包络不变。当时，周期性矩形脉冲信号将演变成为非周期的单个矩形脉冲信号。当

时，

，

由于

也随

增大而减小并最终趋于0。考查

的变化，它在

时应该是有限的。2可编辑ppt于是，我们推断出：当

时，离散的频谱将演变为连续的频谱。

由

如果令

，则有

与周期信号的傅里叶级数相比较有：

；

这表明：周期信号的频谱就是与它相对应的非周期信号频谱的样本。3可编辑ppt根据傅里叶级数表示：当

时，

，

，

，

于是有：

此式表明，非周期信号可以分解成无数多个频率连续分布的振幅为

的复指数信号之和。由于

具有频谱随频率分布的物理含义，因而称

为频谱密度函数。4可编辑ppt

与

就构成了一对傅里叶变换式。5可编辑ppt二、从物理意义来讨论FT

是一个密度函数的概念；

是一个连续谱；

包含了f(t)的所有频率分量；

傅里叶变换一般为复数。三、傅里叶变换的收敛既然傅里叶变换的引出是从周期信号的傅里叶级数表示，讨论周期趋于无穷时的极限得来的，傅里叶变换的收敛问题就应该和傅里叶级数的收敛相一致。也有相应的两组条件：6可编辑ppt若

，则

存在这表明所有能量有限的信号其傅里叶变换一定存在。第二组条件即为满足狄利赫里条件。四、常用信号的傅里叶变换：1、

，

7可编辑ppt8可编辑ppt2、

，

我们看到：实偶信号的傅里叶变换是实偶函数，此时可以用一幅图表示信号的频谱。对此例9可编辑ppt3、这表明

中包括了所有的频率成分，所有频率分量的幅度、相位都相同。因此单位冲激响应才能完全描述一个LTI系统的特性，才在信号与系统分析中具有如此重要的意义。10可编辑ppt4、(具有此频率特性的系统称为理想低通滤波器)11可编辑ppt同时可以看到，信号在时域和频域之间有一种相反的关系，即信号在时域脉冲越窄，则其频谱主瓣越宽，反之亦然。6、若

，则有

，因为：

所以：12可编辑ppt五、信号的带宽信号的主要能量集中于低频分量,传输信号的系统具有自己的频率特性。工程中在传输信号时，也没有必要一定要把信号的所有频率分量都有效传输，而只要保证将占据信号能量主要部分的频率分量有效传输即可。因此，需要对信号定义带宽。通常有如下定义带宽的方法：

下降到最大值的

时对应的频率范围，此时带内信号分量占有信号总能量的。13可编辑ppt4.2周期信号的傅里叶变换到此为止，周期信号用傅里叶级数表示，非周期信号用傅里叶变换表示。在涉及周期信号通过LTI系统时，会给分析带来不便。由于周期信号不满足Dirichlet条件，因而不能直接从定义出发，建立其傅里叶变换表示。考查

所对应的信号这表明周期性复指数信号的频谱是一个冲激。若

，则

于是，当周期信号表示为傅里叶级数时14可编辑ppt

，就有

这表明，周期信号的傅里叶变换由一系列冲激组成，每一个冲激分别位于信号各次谐波的频率处，其强度正比于傅里叶级数系数。例：15可编辑ppt例、16可编辑ppt注意：周期信号不满足绝对可积条件；引入冲激信号后，周期信号的傅立叶变换是存在的；周期信号的频谱是离散的，其频谱密度，即傅立叶变换是一系列冲激。4.3连续时间傅里叶变换的性质讨论连续时间傅里叶变换的性质，旨在通过这些性质揭示信号时域特性与频域特性之间的关系，同时掌握和运用这些性质可以简化傅里叶变换对的求取。1、线性:若则17可编辑ppt2、时移:若：则：这表明：信号的时移只影响它的相频特性,其相频特性会增加一个线性相移。3、共轭对称性

若则由18可编辑ppt所以,即若是实信号,则。于是有：4.时域微分与积分若

则(可将运算转变为代数运算)(时域积分特性)由时域积分特性从也可得到：19可编辑ppt5.时域和频域的尺度变换若，则当时，有尺度变换特性表明：信号如果在时域扩展a倍，则其带宽相应压缩a倍，反之亦然。从理论上证明了时域与频域的相反关系，也证明了信号的脉宽带宽积等于常数的结论。如动画所示。20可编辑ppt6.对偶性若

则证明：利用对偶性可以方便地将时域的某些特性对偶到频域。21可编辑ppt例如：由，有对偶关系利用时移特性有再次对偶有

根据

得，这就是移频特性频域微分特性：由，得22可编辑ppt所以该特性也可由对偶性从时域微分特性得出:对利用时域微分特性有再次对偶得由，有及频域微分特性23可编辑ppt由时域积分特性,可对偶出频域积分特性再次对偶由，有频域积分特性24可编辑ppt7.Parseval定理若，则这表明：信号的能量既可以在时域求得，也可以在频域求得。由于表示了信号能量在频域的分布，因而称其为“能量谱密度”函数。25可编辑ppt4.4卷积性质一、若

则

由于卷积特性的存在，使对LTI系统在频域进行分析成为可能。本质上，卷积特性成立正是因为复指数信号是LTI系统的特征函数。由将分解成复指数分量的线性组合，每个通过LTI系统时都要受到系统频响的加权，其中即是系统与对应的特征值，故有26可编辑ppt所以：由于的傅氏变换就是频率为的复指数信号通过LTI系统时，系统对输入信号在幅度上产生的影响，所以称为系统的频率响应。鉴于与是一一对应的，因而LTI系统可以由其频率响应完全表征。由于并非任何系统的都存在，因此用频率响应表征系统时，一般都限于对稳定系统。二、系统互联时的频率响应：

级联27可编辑ppt并联28可编辑ppt三、LTI系统的频域分析法：根据卷积特性，可以对LTI系统进行频域分析，其过程为：1、；2、根据系统的描述，求出；3、4、29可编辑ppt4.5相乘性质：（调制性质）

若

则

利用对偶性可以从卷积性质得出相乘性质。30可编辑ppt两个信号在时域相乘，可以看成是由一个信号控制另一个信号的幅度，这就是幅度调制。其中一个信号称为载波，另一个是调制信号。例1：

∴

（移频性质）例2：正弦幅度调