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傅立葉變換的深入理解(轉(zhuǎn)帖)

 BeautymengRoom 2011-06-24
專(zhuān)題討論四:關(guān)于傅里葉變換的討論[精彩]
有獎(jiǎng)?wù)骷捍蠹矣懻撘幌赂道锶~變換相關(guān)的內(nèi)容:
1 變換的目的,意義,應(yīng)用。
2 傅里葉級(jí)數(shù)與傅里葉變換的區(qū)別和聯(lián)系
3 連續(xù)傅里葉變換,離散時(shí)間傅里葉變換,離散傅里葉變換,序列的傅里葉變換,各自的定義,區(qū)別,聯(lián)系。
3 快速傅里葉變換的實(shí)質(zhì),常用的算法之間的區(qū)別和聯(lián)系,各自的優(yōu)勢(shì)。
4 fft的應(yīng)用
討論:
1、變換是時(shí)間變量函數(shù)變成相應(yīng)變換域的某種變量函數(shù),這樣使運(yùn)算簡(jiǎn)單,處理方便。變換域變換有FT(以頻域特性為主要研究對(duì)象)、LT與ZT(注重研究極點(diǎn)及零點(diǎn)分析)、DTFT、DFT、FFT、DTWT等。
2、傅立葉變換是非周期信號(hào)作為周期信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)(FST)一種極限。
  傅立葉級(jí)數(shù)—周期信號(hào),傅立葉變換—非周期信號(hào)
3、非周期連續(xù)—— FT ——連續(xù)非周期
         連續(xù)周期—— FST ——非周期離散
         非周期離散——DTFT ——連續(xù)周期
         離散周期——DFT ——周期離散
         離散傅里葉變換(DFT)與序列傅里葉變換(DTFT)都跟Z變換有關(guān),DTFT是單位圓上的Z變換,DFT是Z變換在單位圓的均勻抽樣。
4、快速傅里葉變換(FFT)的實(shí)質(zhì)是“分而治之”,利用對(duì)稱(chēng)性、周期性和可約性將某些項(xiàng)合并,將DFT序列分解為短序列,降低運(yùn)算次數(shù),提高運(yùn)算速度。
5、快速傅里葉變換的應(yīng)用十分廣泛,凡是可以利用傅里葉變換來(lái)進(jìn)行分析、綜合、變換的地方,都可以利用FFT算法及運(yùn)用數(shù)字計(jì)算技術(shù)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。FFT在數(shù)字通信、語(yǔ)音分析、圖像處理、匹配濾波等方面有廣泛的應(yīng)用。
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時(shí)域上看不清,在頻域上也許會(huì)簡(jiǎn)單,由于T與F的倒數(shù)關(guān)系,T上的采樣會(huì)在F上無(wú)限,反之也是如此。
宏觀與微觀之間的關(guān)系吧。
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從濾波關(guān)點(diǎn)看,復(fù)立葉變換相當(dāng)于等寬帶的Q值不等的濾波器組對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,采用常數(shù)Q的濾波器組則是小波分析
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傅里葉變換(FT)是一種將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域的變換形式。它在聲學(xué)、電信、電力系統(tǒng)、信號(hào)處理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。我們希望能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析或其它工作。計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的要求是:在時(shí)域和頻域都應(yīng)該是離散的,而且都應(yīng)該是有限長(zhǎng)的。而傅里葉變換(FT)僅能處理連續(xù)信號(hào),DFT就是應(yīng)這種需要而誕生的。它是傅里葉變換在離散域的表示形式。但是一般來(lái)說(shuō),DFT的運(yùn)算量是非常大的。在1965年首次提出快速傅里葉變換算法FFT之前,其應(yīng)用領(lǐng)域一直難以拓展,是FFT的提出使DFT的實(shí)現(xiàn)變得接近實(shí)時(shí)。DFT的應(yīng)用領(lǐng)域也得以迅速拓展。除了一些速度要求非常高的場(chǎng)合之外,F(xiàn)FT算法基本上可以滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的要求。由于數(shù)字信號(hào)處理的其它運(yùn)算都可以由DFT來(lái)實(shí)現(xiàn),因此FFT算法是數(shù)字信號(hào)處理的重要基石。
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對(duì)傅立葉變換的理解
傅立葉變化是對(duì)信號(hào)的正交分解,e^jwt經(jīng)過(guò)現(xiàn)行時(shí)不變系統(tǒng)后輸出信號(hào)的形式不變,這無(wú)論在理論上還是實(shí)踐上都有很大的意義。在數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)后,DFT的快速形式FFT實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)處理信號(hào),提高了它的實(shí)用價(jià)值。
傅立葉級(jí)數(shù)是傅立葉變換的特殊形式,其所處理的信號(hào)是周期的。如果取出周期信號(hào)的一個(gè)周期作為時(shí)域有限信號(hào),對(duì)它的變換進(jìn)行可以得到級(jí)數(shù)形式。在鄭君里的《信號(hào)與系統(tǒng)》講得很透徹。
離散傅立葉變換和序列的傅立葉變換是相同的,
連續(xù)傅立葉變換(FT)時(shí)域和頻域都是連續(xù)的(周期信號(hào)的變換頻域離散),離散時(shí)間傅立葉變換(DTFT)時(shí)域離散,頻域連續(xù)且周期,離散傅里葉變換(DFT)是對(duì)鐵礬土的抽樣。
個(gè)人這么覺(jué)得
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傅立葉級(jí)數(shù)一般可以理解為:信號(hào)可展開(kāi)成正交函數(shù)線性組合的無(wú)窮級(jí)數(shù)
     傅里葉變換就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化傅里葉處理,以便信號(hào)在處理后運(yùn)算更方便。
從物理方面來(lái)討論
傅立葉變換是一個(gè)密度函數(shù)的概念,是一個(gè)連續(xù)譜,包含了從零到無(wú)限高,     頻的所有頻率分量, 各頻率分量的頻率不成諧波 關(guān)系
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還有一種說(shuō)法,是我從別處看來(lái)的
1:(時(shí)域)周期信號(hào)的頻譜是離散的;離散的時(shí)間信號(hào)即(時(shí)間)序列的頻譜是周期的。2:傅里葉變換主要是針對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào),離散時(shí)間信號(hào)也可以應(yīng)用;數(shù)字信號(hào)(離散時(shí)間信號(hào))主要使用離散FT,因?yàn)楸阌跀?shù)字運(yùn)算。3:離散FT等效于FT在在頻域采樣,變換后在頻域也是離散序列。這樣更利于數(shù)字運(yùn)算。4:有限長(zhǎng)序列可以看成周期序列的一個(gè)周期,所以有限長(zhǎng)序列與周期序列沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別(實(shí)際上就是一樣的)。這樣不論在時(shí)域還是頻域,都可以表示(有限長(zhǎng))。同時(shí)還可以FFT。
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從數(shù)學(xué)上看,離散傅立葉變換是一個(gè)特殊范德?tīng)柧仃嚨淖儞Q,因?yàn)檫@種矩陣可以分解,才存在快速算法。
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1.傅立葉分析的思想最早來(lái)自傅立葉對(duì)周期函數(shù)的研究,通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)可以把周期函數(shù)展開(kāi)成無(wú)窮級(jí)數(shù)的形式.
之后一百多年隨著電力,電子,計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐漸發(fā)展,傅立葉分析也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.
對(duì)于變換的思想我覺(jué)得根本來(lái)說(shuō)是為了從不同的角度來(lái)認(rèn)識(shí)信號(hào),而對(duì)于不同的應(yīng)用,也有不同的變換方法.
而與變換緊密相關(guān)的另一個(gè)就是卷積的概念.
2.傅立葉級(jí)數(shù)是以三角函數(shù)或指數(shù)函數(shù)為基對(duì)周期信號(hào)的無(wú)窮級(jí)數(shù)展開(kāi).
如果把周期函數(shù)的周期取作無(wú)窮大,對(duì)傅立葉級(jí)數(shù)取極限即得到傅立葉變換.
除了針對(duì)的信號(hào)不同,對(duì)于傅立葉級(jí)數(shù),得到的是信號(hào)的頻譜(來(lái)源于物理學(xué)中譜的概念),而傅立葉變換得到的是信號(hào)的頻譜密度.
當(dāng)然,在引入沖擊函數(shù)后,傅立葉級(jí)數(shù)是可以統(tǒng)一于傅立葉變換的.
3.傅立葉級(jí)數(shù)(FS)     對(duì)應(yīng)時(shí)域連續(xù)周期信號(hào)
     傅立葉變換(FT)     對(duì)應(yīng)時(shí)域連續(xù)非周期信號(hào)
     離散傅立葉級(jí)數(shù)(DFS)              對(duì)應(yīng)時(shí)域離散周期信號(hào)
     離散時(shí)間傅立葉變換(DTFT)     對(duì)應(yīng)時(shí)域離散非周期信號(hào)
     離散傅立葉變換(DFT)     更確切的說(shuō)是把一個(gè)離散非周期信號(hào)(N點(diǎn)長(zhǎng)的序列)周期延拓成周期信號(hào)后,取傅立葉級(jí)數(shù)的主值區(qū)間得到的,所以是一種近似的變換,但是這種方法卻方便計(jì)算機(jī)計(jì)算,隨后也就有了快速算法即快速傅立葉變換(FFT)
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DFT/FFT是將線性卷積轉(zhuǎn)為循環(huán)卷積的有用工具,將卷積關(guān)系轉(zhuǎn)為乘積關(guān)系,是絕大多數(shù)快速信號(hào)處理的出發(fā)點(diǎn),幾乎長(zhǎng)盛不衰
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最近畢設(shè)中用了下FFT的應(yīng)用。
在信號(hào)分析中,通過(guò)傅立葉換可以在頻率中很容易的找出雜亂信號(hào)中各頻率分量的幅度譜和相位譜。幅度譜可表示對(duì)應(yīng)頻率的能量,而相位譜可表示對(duì)應(yīng)頻率的相位特征。這在生理電信號(hào)分析,雷達(dá)信號(hào)中都有應(yīng)用。
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FT就是在另外一個(gè)DOMAIN來(lái)表示信號(hào)
確定F 空間的每一個(gè)點(diǎn)不僅要觀察T 空間的一個(gè)點(diǎn),而且要觀察T 空間的所有的點(diǎn)以確定在該F 空間震動(dòng)的強(qiáng)度(也就是頻譜的數(shù)值)
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TD-SCDMA
midamble碼信道估計(jì)利用了時(shí)域圓周卷積等效于頻域點(diǎn)乘特性,用到FFT
uppch檢測(cè)匹配濾波,循環(huán)相關(guān),用到FFT
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對(duì)于連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)而言,其Fourier級(jí)數(shù)就是他的一個(gè)周期的截取后的非周期信號(hào)的的傅立葉變換采樣,連續(xù)時(shí)間信號(hào)采樣后所得到的離散信號(hào)的DTFT可看成原來(lái)連續(xù)時(shí)間傅立葉變換在橫軸做一下模擬——數(shù)字頻率變換后進(jìn)行周期延拓而成。離散傅里葉變換可以看成DTFT在主值區(qū)間(0到2*pi)的等間隔采樣
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今天才注意到這個(gè)帖子,談?wù)勎覍?duì)連續(xù)信號(hào)的看法:
對(duì)于時(shí)域上無(wú)限,頻域上無(wú)限的連續(xù)信號(hào),也就是最一般信號(hào),
用傅里葉變換分析它(當(dāng)然需要滿(mǎn)足傅里葉變換存在的條件)。
對(duì)于時(shí)域上有限的連續(xù)信號(hào),同樣可以用傅里葉變換分析它,
但是用傅里葉級(jí)數(shù)的表示要簡(jiǎn)潔得多,傅里葉級(jí)數(shù)分解可以理解為信號(hào)在
頻域上的采樣。即時(shí)域傅里葉級(jí)數(shù)分解對(duì)應(yīng)于頻域采樣。
對(duì)于頻域上有限的連續(xù)信號(hào),同樣可以用傅里葉變換分析它,
但是用時(shí)域采樣樣本內(nèi)插的表示要簡(jiǎn)潔得多,這其實(shí)就是在頻域上
對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解。即時(shí)域采樣對(duì)應(yīng)于頻域傅里葉級(jí)數(shù)分解。
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1.對(duì)于傅里葉級(jí)數(shù),無(wú)論是連續(xù)信號(hào)或是離散信號(hào),均是使用一組正交函數(shù)(正交集),對(duì)其進(jìn)行加權(quán)求和,來(lái)逼近原始周期信號(hào),通常來(lái)說(shuō),連續(xù)時(shí)間傅里葉級(jí)數(shù)的正交集中有無(wú)窮多個(gè)函數(shù),而由于離散時(shí)間正交函數(shù)都是周期的,若周期為N,則離散時(shí)間傅里葉級(jí)數(shù)的正交集中只有N個(gè)函數(shù)。
      在加權(quán)求和過(guò)程中所使用的加權(quán)系數(shù)就構(gòu)成了周期信號(hào)的系數(shù)譜,對(duì)于連續(xù)周期信號(hào),其系數(shù)譜是非周期的;而對(duì)于離散周期信號(hào),其系數(shù)譜則是以N為周期的。
2.傅里葉變換體現(xiàn)了信號(hào)的時(shí)域與頻域之間的一種變換關(guān)系,我們可以由傅里葉級(jí)數(shù)的表達(dá)式不是十分嚴(yán)格的推導(dǎo)出來(lái),連續(xù)時(shí)間信號(hào)的頻譜是非周期的,而離散時(shí)間信號(hào)的頻譜則是以2*pi為周期延拓的。并且,我們可以看到,傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)是對(duì)應(yīng)主值區(qū)間的非周期信號(hào)頻譜的采樣值;換句話說(shuō),一個(gè)非周期其信號(hào)的頻譜是這個(gè)信號(hào)周期延拓所得信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)的包絡(luò),兩者在采樣點(diǎn)上的值是相等的。
      值得注意的是,一個(gè)周期信號(hào)的傅里葉變換是在其基波頻率整數(shù)倍上的一串沖擊,加權(quán)系數(shù)恰好是信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)。
3.DTFT與DFT的關(guān)系
     我們知道,一個(gè)N點(diǎn)離散時(shí)間序列的傅里葉變換(DTFT)所的頻譜是以(2*pi)為周期進(jìn)行延拓的連續(xù)函數(shù),由采樣定理我們知道,時(shí)域進(jìn)行采樣,則頻域周期延拓;同理,如果在頻域進(jìn)行采樣,則時(shí)域也會(huì)周期延拓。離散傅里葉變換(DFT)就是基于這個(gè)理論,在頻域進(jìn)行采樣,一個(gè)周期內(nèi)采N個(gè)點(diǎn)(與序列點(diǎn)數(shù)相同) ,從而將信號(hào)的頻譜離散化,得到一的重要的對(duì)應(yīng)關(guān)系:一個(gè)N點(diǎn)的離散時(shí)間信號(hào)可以用頻域內(nèi)一個(gè)N點(diǎn)序列來(lái)唯一確定,這就是DFT表達(dá)式所揭示的內(nèi)容。
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我認(rèn)為傅立葉的變換是對(duì)非周期信號(hào)的而言的 變換得到的是連續(xù)的譜密度函數(shù) nw->W
在B P.lathi 的 線性系統(tǒng)與信號(hào)?。▌?shù)樘譯)中有詳細(xì)的講述
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付立葉變換是從付立葉級(jí)數(shù)推演而來(lái)的,付立葉級(jí)數(shù)是所有周期函數(shù)(信號(hào))都可以分解成一系列的正交的三角函數(shù),這樣,周期函數(shù)對(duì)應(yīng)的付立葉級(jí)數(shù)即是它的頻譜函數(shù),也就是分離的譜線。而為了分析非周期函數(shù),引入了譜密度的概念,即非周期信號(hào)的譜函數(shù)無(wú)窮小,但是譜密度有值。這樣,將非周期信號(hào)看成是周期無(wú)限長(zhǎng)的周期信號(hào),并引入F(t)/T,即為非周期函數(shù)的譜密度函數(shù)。為了概念上的統(tǒng)一,引入了沖激函數(shù)的概念,這樣,周期信號(hào)也可以有付立葉變換,其譜密度函數(shù)為沖激。
付立葉變換對(duì)于連續(xù)時(shí)間信號(hào)的分析具有重要作用,用于分析信號(hào)的頻率分量,或?qū)⑿盘?hào)在頻域上進(jìn)行處理。引用頻域概念后,通信與數(shù)學(xué)的結(jié)合就更加緊密了。通信的發(fā)展其實(shí)就是數(shù)學(xué)的發(fā)展。
至于離散付立葉變換,其實(shí)也是對(duì)數(shù)字信號(hào)變換到頻域進(jìn)行分析處理,它對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的作用相當(dāng)大。數(shù)字信號(hào)處理脫離了模擬時(shí)期對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理完全依賴(lài)于器件的境況,可以直接通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理。如數(shù)字濾波器,只是用系統(tǒng)的系數(shù)對(duì)進(jìn)入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一定的計(jì)算,信號(hào)出系統(tǒng)后即得到處理后的數(shù)據(jù)在時(shí)域上的表達(dá)。
離散付立葉變換在理解上與連續(xù)信號(hào)的付立葉變換不太相同,主要是離散信號(hào)的付立葉變換汲及到周期延拓,以及圓周卷積等。
快速離散付葉變換其實(shí)是一種對(duì)付立葉變換的算法,它的出現(xiàn)解決了離散付立葉變換的計(jì)算量極大、不實(shí)用的問(wèn)題,使付立葉變換的計(jì)算量降低了一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí),從而使離散付立葉變換得到了廣泛應(yīng)用。另外,F(xiàn)FT的出現(xiàn)也解決了相當(dāng)多的計(jì)算問(wèn)題,使得其它計(jì)算也可以通過(guò)FFT來(lái)解決。
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意義 傅里葉變換具有惟一性.傅氏變換的性質(zhì)揭示了信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性之間的確定的內(nèi)在聯(lián)系.討論傅里葉變換的性質(zhì),目的在于
了解特性的內(nèi)在聯(lián)系; 用性質(zhì)求F(ω); 了解在通信系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用.
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傅氏級(jí)數(shù)與傅氏變換
目前我們熟悉的是信號(hào)幅度隨著時(shí)間變化而變化的常見(jiàn)表示方式,比如正弦信號(hào)的幅度隨著時(shí)間按正弦函數(shù)的規(guī)律變化;另一方面,對(duì)于正弦信號(hào),如果知道其振幅、頻率和相位,則正弦信號(hào)的波形也惟一確定。根據(jù)這個(gè)原理和傅里葉級(jí)數(shù)理論,滿(mǎn)足一定條件的周期信號(hào)都可以分解為不同頻率的正弦分量的線性組合,從而我們用各個(gè)正弦分量的頻率-幅度、頻率-相位來(lái)表示周期信號(hào)的描述方式就稱(chēng)為周期信號(hào)的頻譜表示,隨著對(duì)信號(hào)研究的深入,我們將周期信號(hào)的頻譜表示又推廣到非周期信號(hào)的頻譜表示,即通常的傅里葉變換。
對(duì)于周期信號(hào),其頻譜一般用傅里葉級(jí)數(shù)表示,而傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)就稱(chēng)為信號(hào)的頻譜.
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快速傅里葉變換
fast Fourier trans formation
  進(jìn)行有限離散傅里葉變換(DFT)的快速算法。簡(jiǎn)稱(chēng)FFT。一個(gè)復(fù)雜的波形可以分解為一系列諧波。針對(duì)這一物理現(xiàn)象,在數(shù)學(xué)上建立并發(fā)展了一套有效的研究方法,這就是傅里葉分析。利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉分析,主要處理離散函數(shù)的傅里葉展開(kāi),也就是三角函數(shù)的插值問(wèn)題 。一維DFT所作的工作主要是把一個(gè)N元數(shù)組A(i)(i=0,1,…,N-1)通過(guò)一種線性變換變成另一個(gè)N元數(shù)組X(i)(i=0 ,…N ,-1 ) 。如果直接計(jì)算全部數(shù)組元素大約需要進(jìn)行 N2次的乘法和加法運(yùn)算,當(dāng)N很大時(shí)其計(jì)算量是很驚人的 。1965年美國(guó)人庫(kù)利和圖基提出一種能大幅度減少運(yùn)算次數(shù)的快速算法,即FFT算法 ,它的基本原 理是將一個(gè)變換分解為兩個(gè)變換的乘積,并利用三角函數(shù)的周期性質(zhì),將原先的變換公式重新組合為新的公式 ,從而把運(yùn)算次數(shù)減少到 Nlog2N 的量級(jí) 。這就是說(shuō),F(xiàn)FT算法比DFT算法提高工效 N/log2N倍 ,例如N=220時(shí),約提高5萬(wàn)倍速度,可見(jiàn)當(dāng)N很大時(shí),這是一個(gè)了不起的提高。FFT技術(shù)在譜分析、數(shù)字濾波、結(jié)構(gòu)分析 、系統(tǒng)分析、圖像與信號(hào)處理,以及物探、天線、雷達(dá)、衛(wèi)星 、醫(yī)療等眾多技術(shù)領(lǐng)域已獲得成功的應(yīng)用。
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1.這些變換的實(shí)質(zhì)都一樣,都是將一個(gè)復(fù)雜信號(hào)在一正交系中進(jìn)行分解,不同在于選擇的基不同.付氏變換選擇的是復(fù)指數(shù)與三角基,小波變換選擇了其它的基.
2.信號(hào)在時(shí)域與頻域具有對(duì)偶性.一個(gè)域的周期性與連續(xù)性對(duì)應(yīng)于另一個(gè)域的與非周期,比如對(duì)于周期性信號(hào)連續(xù)信號(hào),具絕對(duì)可積條件時(shí),在可以進(jìn)行級(jí)數(shù)展開(kāi),得到了離散的非周期頻譜.
3.DFT,DTFT,DFS,FFT的聯(lián)系與區(qū)別
DFT與FFT是一個(gè)本質(zhì),FFT是DFT的一種算法.
DFS是discrete fourier seriers,對(duì)離散周期信號(hào)進(jìn)行級(jí)數(shù)展開(kāi).DFT是將DFS取主值,DFS是DFT的周期延拓.
DTFT是對(duì)Discrete time fourier transformation,是對(duì)序列的FT,得到連續(xù)的周期譜,而DFT,FFT得到是有限長(zhǎng)的非周期離散譜,不是一個(gè).
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傅立葉級(jí)數(shù)是周期信號(hào)的另一種時(shí)域的表達(dá)方式,也就是正交的級(jí)數(shù),它不同頻率的波形的疊加。
而傅立葉變換就是完全的頻域分析。

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