Fourier Transform 2023-12-22

Fourier Transform

  • 概述

    傅里葉變換是將信號從空域(即時間域或空間域)轉(zhuǎn)換到頻域的過程湘纵。在傅里葉變換中,信號可以表示為不同頻率的正弦和余弦波的線性組合锦募,在進(jìn)行傅里葉變換時征峦,使用積分的思想柏锄,將分解成不同頻率的正弦和余弦函數(shù)的信號進(jìn)行線性疊加,得到頻譜表示杂腰。這個分解過程是在時間(對于時域信號)或空間(對于空間域信號)上進(jìn)行積分垃你。

    在傅里葉變換中,將一個函數(shù)(時域函數(shù)或空間域函數(shù))表示為一組正弦和余弦函數(shù)的線性組合喂很。具體而言惜颇,給定一個連續(xù)函數(shù) f(x) 在時間或空間域上,它的傅里葉變換 F(\omega) 表示為:
    F(\omega) = \int_{a}^少辣 f(x) e^{-i \omega x} \mathrm dx

    • 其中凌摄,k 是頻率變量,ab 是函數(shù) f(x) 定義域上的一個區(qū)間漓帅。
    • 變換中使用了歐拉公式 e^{ix} = \mathrm{cos}(x) + i \mathrm{sin}(x)锨亏。e^{-i \omega x}是一個既含有 \mathrm{cos} 組分也含有 \mathrm{sin} 組分的復(fù)數(shù)指數(shù)形式。
    • 傅里葉變換實際上將原始函數(shù) f(x)\mathrm{cos}\mathrm{sin} 這組正交基分別進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算(或者說與旋轉(zhuǎn)因子 e^{-i \omega x} 進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算)忙干。這樣做會在頻域中計算每個頻率分量的幅度和相位信息器予,而經(jīng)過整個空間范圍的積分操作,就類似于求取兩個函數(shù)之間的內(nèi)積捐迫。
    • 通過積分操作乾翔,可以將 f(x) 的每個位置 x 的信息融合到頻域的每個頻率分量上。這樣弓乙,就得到了頻域表示 F(\omega)末融,其中 \omega 對應(yīng)的振幅和相位信息通過對空域的積分被捕獲。這種情況下暇韧,頻域中的 \omega 值對應(yīng)不同的頻率成分勾习。

    所以,從數(shù)學(xué)層面來看懈玻,傅里葉變換中對空域或時域積分實際上是通過將原始函數(shù)與正弦和余弦函數(shù)進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算巧婶,融合每個位置的信息到頻域中的不同頻率成分上。這使得可以得到頻域中每個頻率的振幅和相位信息。

總結(jié)起來艺栈,傅里葉變換是將信號從空域或時域轉(zhuǎn)換到頻域的過程英岭,利用積分的思想,將信號分解成正弦和余弦函數(shù)的頻譜表示湿右,頻譜中不同元素表示不同頻率成分的振幅和相位信息(實部為振幅诅妹、虛部為相位)。

Inverse Fourier Transform

  • 概述:
    • 傅里葉逆變換是將頻域中的信號轉(zhuǎn)換為空域或時域中的信號毅人。頻域積分實際上是將頻域中的信號進(jìn)行連續(xù)相乘吭狡,并將結(jié)果進(jìn)行積分。根據(jù)傅里葉逆變換的定義丈莺,該積分操作可以看作是對頻域信號進(jìn)行加權(quán)求和划煮,并且根據(jù)信號的頻率分布,將不同頻率的成分轉(zhuǎn)換為空域或時域成分缔俄。
      f(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}F(\omega)e^{i \omega x} \mathrm{dx}
    • 具體來說弛秋,頻域積分可以看作是將頻域信號的振幅按照一定權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加。進(jìn)行傅里葉逆變換時俐载,將每個頻率成分的振幅與對應(yīng)的權(quán)重相乘蟹略,并對所有頻率進(jìn)行求和,就得到在空域或時域中的信號瞎疼,實質(zhì)上是將頻域中的信號按照一定的規(guī)律重新映射回空域中科乎。
總結(jié)起來,傅里葉逆變換通過對頻域信號進(jìn)行加權(quán)求和的操作贼急,將頻域中的信號映射回時域或空域中茅茂。這個加權(quán)求和的操作數(shù)學(xué)上是對頻域中的信號進(jìn)行積分,利用線性疊加原理太抓,將不同頻率的成分組合為空域或時域信號空闲。
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