傅里叶变换及其性质
傅里叶变换性质证明
傅里叶变换性质证明性质一：线性性质F[a*f(t)+b*g(t)]=a*F[f(t)]+b*F[g(t)]其中F表示傅里叶变换。
这个性质的证明非常简单，我们只需将傅里叶变换的定义代入到等式中即可。
性质二：时移性质时移性质指的是时域上的移动会导致频域上的相位变化。
设F[f(t)]表示函数f(t)的傅里叶变换，则有：F[f(t - a)] = e^(-2πiaω) * F[f(t)]其中a是常数，ω是角频率。
这个性质的证明可以通过将f(t-a)展开成泰勒级数，并代入傅里叶变换的定义进行推导得到。
性质三：频移性质频移性质指的是频域上的移动会导致时域上的相位变化。
设F[f(t)]表示函数f(t)的傅里叶变换，则有：F[e^(2πiaω0) * f(t)] = F[f(t - a)]其中a是常数，ω0是角频率。
这个性质的证明可以利用傅里叶变换的定义以及欧拉公式进行推导。
性质四：尺度变换性质尺度变换性质指的是时域上的信号缩放会导致频域上的信号压缩。
设F[f(t)]表示函数f(t)的傅里叶变换，则有：F[f(a*t)]=，a，^(-1)*F[f(t/a)]其中a是常数。
这个性质的证明可以通过将f(a*t)展开成泰勒级数，并代入傅里叶变换的定义进行推导得到。
性质五：卷积定理卷积定理是傅里叶变换中最重要的性质之一、它指出卷积在频域上等于两个函数的傅里叶变换的乘积。
设f(t)和g(t)是两个函数，f(t)*g(t)表示它们的卷积，F[f(t)]和F[g(t)]表示它们的傅里叶变换，则有：F[f(t)*g(t)]=F[f(t)]*F[g(t)]其中*表示卷积，乘法表示两个函数的傅里叶变换的乘积。
这个性质的证明可以通过将卷积展开成积分形式，然后利用傅里叶变换的定义进行推导得到。
以上是傅里叶变换的几个重要性质及其证明。
这些性质使得傅里叶变换具有很强的分析和应用能力，在信号处理、图像处理、通信等领域得到广泛应用。
这些性质的正确性和证明对于理解和应用傅里叶变换非常重要。
傅里叶变换及其性质
αt
1
单边指数函数e-αt; (b) e-αt
的幅度谱
o
(b)
F(j) f(t)ejtdt etejtdt
01 02 e(j)t (j)
01j
1
ja rcta n
ea
a22
其振幅频谱及相位频谱分
解
别为
F ( ) 1
2 2
( ) arctan
例 2.4-3 求图 2.43(a)所示 双边指数 函数的频 谱函数。
02 或
2
B
2(rad/s)
1
Bf
(Hz)
周期信号的能量是无限的，而其平均功率是有界的， 因而周期信号是功率信号。为了方便，往往将周期信 号在1Ω电阻上消耗的平均功率定义为周期信号的功率。 显然，对于周期信号f(t)， 无论它是电压信号还是电
流信号，其平均功率均为 T
12 2
P f (t)dt 2.3.3 周期信号的功率T T2
( )
02
－
4
－
2
o
门函数； (b) 门函数的频谱；－ 4(c)－幅2 度谱； (d) 相位谱
o 2 4
2 4
－
(c)
(d )
f
(t)
e at
0
f (t)
例 2.4-2 求指数函数f(t)
的1频 谱 函 数 。 e－t (＞0)
o
t
(a)
t 0 ( 0)
t 0
图 2.4-2 单边指F(数)函数e-
性。
2.2 周期信号的连续时间傅里叶级数
f (t) Fnejnt
2.2.1 指数形式的傅里叶级数 n
满足Dirichlet条件的周期函数可以展成复指数形式的傅里叶级数:
信号分析与处理——傅里叶变换性质
信号分析与处理——傅里叶变换性质傅里叶变换是信号处理中常用的分析方法，通过将信号在频域上进行分解，可以获得信号的频谱信息，并对信号进行频谱分析，从而实现对信号的处理与改变。
傅里叶变换具有以下几个重要的性质，这些性质对于信号处理的理解和实际应用至关重要。
1.线性性质：傅里叶变换具有线性性质，即对于任意两个信号x(t)和y(t)，以及对应的傅里叶变换X(f)和Y(f)，有以下关系：a) 线性叠加：傅里叶变换对于信号的叠加是可线性的，即如果有h(t) = cx(t) + dy(t)，则H(f) = cX(f) + dY(f)。
b) 变换的线性组合：如果有z(t) = ax(t) + by(t)，则Z(f) =aX(f) + bY(f)。
这种线性性质为信号的分析和处理提供了很大的方便，可以通过分别对不同组成部分进行变换，再进行线性组合，得到最终的处理结果。
2. 平移性质：傅里叶变换具有平移性质，即如果一个信号x(t)的傅里叶变换为X(f)，则x(t - t0)的傅里叶变换为e^(-j2πft0)X(f)，其中t0为平移的时间。
这意味着信号在时域上的平移将对应于频域上的相位变化，而频域上的平移则对应于时域上的相位变化。
4.卷积定理：傅里叶变换还具有卷积定理，即信号的卷积在频域上等于信号的傅里叶变换之积。
具体来说，如果两个信号x(t)和h(t)的傅里叶变换分别为X(f)和H(f)，则它们的卷积y(t)=x(t)*h(t)的傅里叶变换为Y(f)=X(f)×H(f)。
这个性质在实际的信号处理中有着重要的应用。
通过将两个信号在时域上的卷积转化为频域上的乘法操作，可以方便地进行信号处理的设计和实现。
5. Parseval定理：傅里叶变换还具有Parseval定理，即信号的能量在时域和频域上是相等的。
具体来说，如果信号x(t)的傅里叶变换为X(f)，则有∫，x(t)，^2dt = ∫，X(f)，^2df。
这个性质意味着通过傅里叶变换可以实现信号的能量分析和功率谱估计，从而对信号的能量进行定量的测量。
简述傅里叶变换
简述傅里叶变换傅里叶变换是现代数学、物理及工程学的基石之一，它能将一个时间域信号转换成一个频域信号，为各种信号处理、控制、通信、图像处理等领域提供了有力的工具，是第一次把两个物理量之间的变换相结合，并在证明中使用了一些非常复杂的数学方法以及接近两个世纪的科学发展而发明的。
一、傅里叶变换的定义傅里叶变换是指将一个时间域函数f(x)转换成一个频域函数F(u)的过程。
其定义是：$$F(u) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)e^{-jux}dx$$其中，j为虚数单位，u为频率，f(x)为原信号，F(u)为转换后的频率信号。
该公式中，积分的上下限为负无穷到正无穷。
分析以上公式，可以发现傅里叶变换有以下几个特点：1. 将原信号f（x）从时域转换到频域；2. 傅里叶变换公式是一个积分表达式，波形的具体形式决定了计算的难度；3. 积分变量是虚数u，表示频率；4. 傅里叶变换是线性的。
二、傅里叶变换的性质1. 时间移位性质该性质指的是如果将函数f(x)向右移动a单位，则傅里叶变换的频域函数F(u)将乘以e^-j2πau：$$FT(f(x-a)) = F(u) \cdot e^{-j2\pi ua}$$2. 频率移位性质该性质是当函数f(t)乘以一个复指数时，经傅里叶变换后，其频率也将发生移位。
$$FT(e^{j2\pi Tu}f(t)) = F(u-T) $$其中T是一个常数，表示频域移位的量。
3. 线性性质傅里叶变换是线性的，即对于任何两个函数f1(t)和f2(t)，有：$$FT(af_1(t)+bf_2(t)) = aF_1(u)+bF_2(u)$$其中a和b是任何常数。
4. 傅里叶变换的共轭对称性傅里叶变换具有共轭对称性，即：$$F^*(u) = F(-u)$$5. 卷积定理该性质的表述是：f和g的卷积时f和g的傅里叶变换的乘积。
即：$$FT(f*g) = FT(f)\cdot FT(g)$$其中“*”表示卷积操作。
傅里叶变换的基本性质和应用
傅里叶变换的基本性质和应用傅里叶变换，是20世纪初法国数学家傅里叶的发明，是将一个时间函数或空间函数的复杂波形分解成一系列简单的正弦波的工具。
它是信号处理和图像处理领域非常重要的一种数学变换，广泛应用于通信、图像、音频等领域。
一、傅里叶变换的基本概念傅里叶变换是一种将时域信号（即关于时间的函数）转换为频域信号（即关于频率的函数）的数学工具。
在时域中，信号可以表示为一个随着时间变化而变化的函数；在频域中，信号可以表示为它的频谱分布，即各个频率成分的大小。
傅里叶变换是互逆的，也就是说，将一样以频率表示的信号进过傅里叶逆变换，可以得到原始的时域信号。
傅里叶变换和傅里叶逆变换的基本公式分别如下：$$ F(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i\omega t}dt $$$$ f(t) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty}F(\omega)e^{i\omega t}d\omega $$其中，$f(t)$ 是时域信号，$F(\omega)$ 是频域信号，$\omega$ 是角频率。
傅里叶变换可以看作一种基变换，将时域信号换到频域进行分析，从而可以更好地理解信号的性质。
二、傅里叶变换的基本性质1. 线性性质傅里叶变换是线性的，即对于一个常数乘以一个时域信号进行傅里叶变换，等价于将该常数乘以该信号的傅里叶变换。
即：$$ F(cf(t)) = cF(f(t)) $$其中，$c$ 是常数。
此外，傅里叶变换具有加权叠加的特性，也就是说，将两个时域信号求和再进行傅里叶变换，等价于分别对这两个信号进行傅里叶变换后再相加。
即：$$ F(f(t) + g(t)) = F(f(t)) + F(g(t)) $$2. 时移性质傅里叶变换具有时移性质，也就是说，在时域中将一个信号向右或向左平移 $\tau$ 个单位，它的傅里叶变换相位也会相应发生$\tau$ 的变化。
常用的傅里叶变换
常用的傅里叶变换1. 引言傅里叶变换是一种重要的数学工具，用于将一个函数或信号从时域转换到频域。
它在信号处理、图像处理、通信等领域广泛应用。
本文将介绍傅里叶变换的基本概念、性质和常见应用。
2. 傅里叶级数傅里叶级数是傅里叶变换的基础，它将周期函数表示为一系列正弦和余弦函数的和。
对于周期为T 的函数f(t)，其傅里叶级数表示为：f (t )=a 0+∑(a n cos (2πnt T )+b n sin (2πnt T ))∞n=1 其中，a 0、a n 和b n 是系数，可以通过函数f(t)在一个周期内的积分得到。
傅里叶级数展开了周期函数在频域上的频谱分布。
3. 傅里叶变换傅里叶变换是将非周期函数表示为连续频谱的一种方法。
对于函数f(t)，其傅里叶变换表示为：F (ω)=∫f ∞−∞(t )e −jωt dt其中，F (ω)是函数f(t)的频谱，ω是频率。
傅里叶变换的逆变换为：f (t )=12π∫F ∞−∞(ω)e jωt dω 傅里叶变换将函数从时域转换到频域，可以将信号分解为不同频率的成分，从而方便分析和处理。
4. 傅里叶变换的性质傅里叶变换具有许多重要的性质，其中一些常用的性质包括：•线性性质：傅里叶变换是线性的，即对于常数a 和b ，有F(af (t )+bf (t ))=aF(f (t ))+bF(g (t ))。
• 平移性质：如果f (t )的傅里叶变换为F (ω)，那么f (t −t 0)的傅里叶变换为e −jωt 0F (ω)。
•尺度性质：如果f(t)的傅里叶变换为F(ω)，那么f(at)的傅里叶变换为1 |a|F(ωa)。
•对称性质：如果f(t)是实函数，并且其傅里叶变换为F(ω)，那么F(−ω)为F(ω)的共轭。
这些性质使得傅里叶变换更加灵活和方便，在实际应用中能够简化计算和分析过程。
5. 傅里叶变换的应用傅里叶变换在信号处理、图像处理、通信等领域有广泛的应用。
以下是一些常见的应用：•频谱分析：傅里叶变换可以将信号从时域转换到频域，可以分析信号的频谱分布，帮助理解信号的频率成分和特征。
傅里叶变换的性质课件
c n
1 T0
T0
2 T0
2
f ( t ) e j d0 t t d
c n
1 2
f ( t ) e j td td
F ( ) f ( t ) e j t d t
cn
1 2
F ( )d
(4―22) (4―23) (4―24) (4―25)
现将信号f(t)的傅里叶级数展开式重写如下
1sin2ft]
n
n1,3,5,
4.2 信号的频谱
4.2.1 信号频谱 上一节我们指出,信号可分解为傅里叶级数,即信号
可由系列复数指数函数加权之和构成。一般我们称这 里的复数指数函数ejnΩt为n次谐波,在该函数上所加的权 为谐波的振幅,nΩ为谐波的角频率,可以说所有的信号均 是由系列角频率不同的谐波叠加而成的(角频率可简称 为频率）。
0
t
(a)
F()
2
1
－ 0
(b)
图4.8 双边指数信号及其频谱
例4―6 求单位直流信号的频谱。
解 幅度为1的单位直流信号可表示为
f(t)=1,-∞<t<∞
(4―44)
它可以看作是双边指数信号在α取极限趋近0时的 一个特例,即
1limetu(t), 0 0
[1]
[limet 0
u(t)]
lim[et
4.2.4 常见信号的频谱分析举例 例4―2求冲激信号δ(t)的频谱。 解 由频谱函数的定义式（4―28）有
F() (t)ejtdt 1
(t) 1
(4―34) (4―35)
(t)
(1)
0 (a)
F()
1
t
0
(b)
付立叶变换及其性质
傅里叶变换的性质这里主要介绍二维离散傅里叶变换（DFT ，discrete FT ）中的几个常用性质（可分离线、周期性和共轭对称性、平移性、旋转性质、卷积与相关定理）：可分离性二维离散傅立叶变换DFT 可分离性的基本思想是二维DFT 可分离为两次一维DFT 。
因此可以用通过计算两次一维的FFT 来得到二维快速傅立叶变换FFT 算法 。
根据快速傅里叶变换的计算要求，需要图像的行列数均满足2的n 次，如果不满足，在计算FFT 之前先要对图像补零以满足2的n 次。
一个M 行N 列的二维图像f(x,y)，先按行对列变量y 做一次长度为N 的一维离散傅里叶变换，再将计算结果按列向对变量x 做一次长度为M 傅里叶变换就可以得到该图像的傅里叶变换结果，如下式所示：()()()()∑∑-=-=-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=10102exp 2exp ,1,M x N y M ux j N vy j y x f MN v u F ππ 将上式分解开来就是如下两部分，首先得到F(x,v)再由F(x,v)得到F(u,v)：∑-=-=-=101...10]/2exp[),(1),(N y N v N vy j y x f N v x F ，，，π∑-=-=-=101,...,1,0,]/2exp[),(1),(N x M v u M ux j v x F M v u F πu=0,1,2,…M-1；v=0,1,2,...N-1计算过程如下图所示：每一行有N 个点，对每一行的一维N 点序列进行离散傅里叶变换得到F(x,u)，再对得到F(x,u)按列向对每一列做M 点的离散傅里叶变换，就可以得到二维图像f(x,y)的离散傅里叶变换F(u,v)同样，做傅里叶逆变换时，先对列向做一维傅里叶逆变换，再对行做一维逆傅里叶变换，如下式所示：()()()()∑∑-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=10102exp 2exp ,,M u N v M ux j N vy j v u F y x f ππ x=0,1,2,…M-1；y=0,1,2,...N-1周期性和共轭对称性由傅里叶变换的基本性质可以知道，离散信号的频谱具有周期性。
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第2章 连续时间傅里叶变换 例 2.4-7 求符号函数Sgn(t)的频谱函数。
Sgn(t)
1
1
考察例 2.4-4 所示信号f(t)
t0 t0
f
(t)
eat
eat
t0
( 0)
t0
第2章 连续时间傅里叶变换
当α→0时，其极限为符号函数Sgn(t)。因而可以用求f(t)的频
谱函数F(jω)当α→0的极限的方法来求得Sgn(t)的频谱函数。
例 2.4-4
所示信号的频谱函数为
2 j2 2
，从而有
第2章 连续时间傅里叶变换
Sg n(t)
X( )
1
o
t
o
－1
(a) (b)
图 2.4-7 符号函数Sgn(t) (a)Sgn(t)的波形； (b) 频谱
第2章 连续时间傅里叶变换 例 2.4-8 求阶跃函数ε(t)的频谱函数。 解 由阶跃函数ε(t)的波形容易得到
第2章 连续时间傅里叶变换 例 2.4-6 求直流信号1的频谱函数。
f (t) 1
F(j ) 2 ( )
o
o
(a)
(b)
图 2.4-6 直流信号f(t) (a) 直流信号f(t); (b) 频谱
第2章 连续时间傅里叶变换 解 直流信号1可表示为
f (t) 1
t
F ( j ) 1 e jtdt
第二为谐波性，此频谱的每一条谱线只能出现在基波频率 Ω的整数倍频率上，即含有Ω的各次谐波分量，而决不含有非 Ω的谐波分量。
第三为收敛性，此频谱的各次谐波分量的振幅虽然随nΩ 的变化有起伏变化，但总的趋势是随着nΩ的增大而逐渐减小。 当nΩ→∞时，|Fn|→0。
第2章 连续时间傅里叶变换
f(t) E
可积， 即要求
f (t) dt
第2章 连续时间傅里叶变换
2.4.2
由非周期信号的傅里叶变换可知:
f (t) 1 F( j)e jtd
2
频谱函数F(jω)一般是复函数，可记为
F ( j ) F ( )e j ( )
习惯上将F(ω)~ω的关系曲线称为非周期信号的幅度频谱 (F(ω) 并不是幅度!)，而将φ(ω)~ω曲线称为相位频谱，它们都是ω的 连续函数。
2.1 引 言
LTI系统的特性完全可以由其单位冲激响应来表征，通过 对LTI系统单位冲激响应的研究就可分析LTI系统的特性。
第2章 连续时间傅里叶变换
2.2 周期信号的连续时间傅里叶级数
2.2.1 指数形式的傅里叶级数
满足Dirichlet条件的周期函数可以展成复指数形式的
傅里叶级数:
f (t) Fne jnt n
真地传输显然是不可能的。实际工作中，应要求传输系统能
将信号中的主要频率分量传输过去，以满足失真度方面的基
本要求。周期矩形脉冲信号的主要能量集中在第一个零点之
内， 因而，常常将ω=0~ 2 这段频率范围称为矩形脉冲信
号的频带宽度。记为
2
或
1
B (rad / s)
Bf
(Hz)
第2章 连续时间傅里叶变换
2.2.3 周期信号的频谱
周期信号的复振幅 Fn 一般为nΩ的复函数，因而描述其
特点的频谱图一般要画两个，一个称为振幅频谱，另一个称 为相位频谱。振幅频谱以ω为横坐标，以振幅为纵坐标画出谱 线图；相位频谱以ω为横坐标，以相位为纵坐标得到谱线图。
若信号的复振幅 为FnnΩ的实函数，其复振幅Fn与变量(nΩ)
Fn趋于无穷小量，但
Fn
T
可2望Fn趋于有限值，且为一
个连续函数，通常记为F(jω)，即
第2章 连续时间傅里叶变换
f (t) lim Fn e jnt 1 F ( j )e jtd
T n
2
非周期信号的傅里叶变换可简记为
一般来说，傅里叶变换存在的充分条件为f(t)应满足绝对
X ()
f
(t ) s in tdt
F ( j) F ()e j () R( ) jX ()
第2章 连续时间傅里叶变换
与周期信号的傅里叶级数相类似，F(ω)、φ(ω)与R(ω)、 X(ω)相互之间存在下列关系：
第2章 连续时间傅里叶变换
t
22
(a)
F(j )
2
－4 －2 o
4
(b)
F( )
( )
－ 4
－
2
o
2 4
－4
－
2
o 2 4
－
(c)
图 2.4-1
(d)
(a) 门函数； (b) 门函数的频谱； (c) 幅度谱； (d) 相位谱
第2章 连续时间傅里叶变换
第2章 连续时间傅里叶变换
第2章 连续时间傅里叶变换
2.4.3 典型信号的傅里叶变换
例 2.4-1 图 2.4-1(a)所示矩形脉冲一般称为门函数。其宽度 为τ， 高度为1，通常用符号gτ(t)来表示。试求其频谱函数。
解 门函数gτ(t)可表示为
第2章 连续时间傅里叶变换
g(t) 1
－τ o τ
2.2.2
f
(t)
E
0
当t
2
当 T t , t T
2
22 2
f (t)
E
－T － T －τ o τ
T
T
2 222
图 2.2-2 周期矩形脉冲信号
2T t
第2章 连续时间傅里叶变换 为得到该信号的频谱，先求其傅里叶级数的复振幅。
第2章 连续时间傅里叶变换
n
第2章 连续时间傅里叶变换 因此，据函数正交分解中的帕塞瓦尔定理(式(2.1-16))，有
第2章 连续时间傅里叶变换
2.4 非周期信号的连续时间傅里叶变换
2.4.1 傅里叶变换
第2章 连续时间傅里叶变换
对于非周期信号，重复周期T趋于无限大，谱线间隔趋于无穷
小量dω，而离散频率nΩ变成连续频率ω。在这种极限情况下，
的关系也可以用一个图绘出。
第2章 连续时间傅里叶变换
取样函数定义为
Sa(x) sin x x
这是一个偶函数，且x→0时，Sa(x)=1；当x=kπ时，Sa(kπ)=0。
据此，可将周期矩形脉冲信号的复振幅写成取样函数的形式，即
Fn
E
T
Sa n
2
第2章 连续时间傅里叶变换
第2章 连续时间傅里叶变换
f(t)为实函数时，根据频谱函数的定义式不难导出:
F ( j ) f (t)e jtdt
f (t) costdt j f (t)sintdt
式中：
R() jX ()
R()
f (t) costdt
Sa(x) 1
－3 －2
－ o
2 3
x
图 2.2-3 Sa(x)函数的波形
第2章 连续时间傅里叶变换
Fn
E
T
2 4
o 3
图 2.3-4 周期矩形脉冲信号的频谱
第2章 连续时间傅里叶变换
由图 2.3-4 可以看出，此周期信号频谱具有以下几个特点：
第一为离散性，此频谱由不连续的谱பைடு நூலகம்组成，每一条谱线 代表一个正弦分量，所以此频谱称为不连续谱或离散谱。
在f(t) (1) 若f(t)为t的偶函数，即f(t)=f(-t)，则f(t)的频谱函数F(jω) 为ω的实函数， 且为ω的偶函数。 (2) 若f(t)为t的奇函数，即f(-t)=-f(t)，则f(t)的频谱函数 F(jω)为ω的虚函数，且为ω的奇函数。 与周期信号类似，也可将非周期信号的傅里叶变换表示 式改写成三角函数的形式，即
Fn
1 T
T
f (t)e jntdt, n z
第2章 连续时间傅里叶变换
f
(t)
E
0
E
当t
2
当 T t , t T
2
22 2
f (t)
－T － T －τ o τ
T
T
2 222
图 2.2-1 周期矩形脉冲信号
2T t
第2章 连续时间傅里叶变换
2.3.3 周期信号的功率
周期信号的能量是无限的，而其平均功率是有界的，因而 周期信号是功率信号。为了方便，往往将周期信号在1Ω电阻上 消耗的平均功率定义为周期信号的功率。显然，对于周期信号 f(t)， 无论它是电压信号还是电流信号，其平均功率均为
P 1 T
T
2 T
f 2(t)dt
2
f (t) Fne jnt
第2章 连续时间傅里叶变换 续表
第2章 连续时间傅里叶变换
2.5 傅里叶变换的性质
根据傅里叶变换的概念，一个非周期信号可以表述为指数 函数的积分， 即
第2章 连续时间傅里叶变换 1.
(t) 1 1 Sgn(t)
22
从而就可更为方便地求出ε(t)的频谱函数， 即
第2章 连续时间傅里叶变换
(t)
1
o
(a)
X( ) R( )
－
1
( )
t
o
－
1
(b)
图 2.4-8
(a) ε(t)的波形； (b) 频谱