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步骤1:获取时域信号中直流分量幅度A0

步骤2:获取时域信号中复指数基波信号的频率ω

步骤3: 获取时域信号中复指数谐波分量的频率n*ω

步骤4:获取时域信号中复指数谐波分量的幅度An.x与An.y

步骤5:获取时域信号中复指数谐波分量的幅度An

步骤6:获取时域信号中复指数谐波分量的相位θn

步骤7:组合复指数信号

步骤8:绘制时域信号的频谱图

步骤9:绘制时域信号的相位谱图


步骤0:预备知识:

《信号与系统》解读 第3章 强大的傅里叶时域频域分析工具-1:深入理解信号的时域与频域,需要从熟悉的声音信号入手:https://mp.csdn.net/editor/html/109732703

《信号与系统》解读 第3章 强大的傅里叶时域频域分析工具-2:傅里叶分析方法的基本原理与傅里叶分析的9大步骤:https://mp.csdn.net/editor/html/109771709


步骤1:获取时域信号中直流分量幅度A0

直流分量是谐波序号n=0的情形,也是谐波频率=0的情形。

此时提取的是时域信号中的直流分量的特性,即直流分量的幅度。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

直流分量值只与时域信号在其周期内的积分相关,

直流分量值与时域信号包含多少复指数的正弦交流信号无关。

(1)A0是周期信号在整个信号周期积分的平均值。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

(2)如果周期信号在一个周期内的积分为0,则表明周期信号没有直流分量。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

(3)如果周期无穷大,就变成非周期信号,直流分量a0就是在整个时间区间内积分的平均值。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

步骤2:获取时域信号中复指数基波信号的频率ω

基波分量是谐波序号n=1的情形。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

复指数信号(正弦信号)基波分量(频率最小,周期最大的正弦信号)的周期T等于时域信号的周期T。

时域信号中基波分量的频率为:ω=2πf = 2π/T。其中T为时域信号的周期。

  • 周期时域信号的周期越大,频率越小,复指数集中基波信号的频率ω越小。
  • 周期时域信号的周期无穷大时,时域信号就变成了非周期信号,复指数集的基准频率ω也就越接近于0。

 

步骤3: 获取时域信号中复指数谐波分量的频率n*ω

谐波分量是基波分量的n倍,一旦基波分量的频率ω确定了,那么谐波分量也就确定了, ωn = n*ω, n=0,1,2,3,4......

  • 时域信号的周期越大,频率越小,复指数集中基波信号的频率ω越小。
  • 时域信号的周期越大,频率越小,复指数集中谐波分量n*ω之间的间隔(也等于ω)越小,也就越密集。
  • 时域信号的周期无穷大时,复指数集的基准频率ω就越接近于0,各个频率分量间隔也接近于0,复指数集也就接近频率连续信号集!

如下图所示:

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

步骤4:获取时域信号中复指数谐波分量的幅度An.x与An.y

(1)解调模型

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

(2)数学公式推导

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤 

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

An.x:用余弦信号cos(n*ωt),与时域信号进行相乘,然后求积分,然后再除以时域信号的周期,根据前面提到的函数正交性原理,就可以获取时域信号中,cos(n*ωt)分量信号的幅度。

An.y:用余弦信号sin(n*ωt),与时域信号进行相乘,然后求积分,然后再除以时域信号的周期,根据前面提到的函数正交性原理,就可以获取时域信号中,sin(n*ωt)分量信号的幅度。

上面的运算是不是似曾相识? 是的!这就幅度调制解调的过程!!! 可以参考模拟和幅度幅度调制

上面的运算是不是似曾相识? 是的!这也是卷积运算的过程!!!cos(n*ωt)和sin(n*ωt)就是算子,是卷积核!!!

得到上述结果的前提是:假设时域信号中的谐波分量的函数都是正交的!

因此,时域信号中的复指数谐波分量的幅度,取决于时域信号自身和复指数谐波分量的频率。

 

(3)关于时域非周期函数

上述的计算是基于时域周期函数获得的,实际上,随着周期的变大,周线函数逐渐丧失周期性,当周期无穷大时,周期信号变成非周期信号。

计算公式大体保持不变:

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

只需要做如下的修订:

  • 设定T = 2π,即360°全周期。
  • 积分周期为负无穷到正无穷

 

步骤5:获取时域信号中复指数谐波分量的幅度An

An是根据An.x和An.y间接获得的:

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

步骤6:获取时域信号中复指数谐波分量的相位θn

θn是根据An.x和An.y间接获得的:

An.x = An*cos(θn)

An.y = An * sin(θn)

 

步骤7:组合复指数信号

在获得复指数相应的参数后,就可以组合成不同格式的时域信号中复指数信号了

复指数形式:星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

复数形式:  星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

三角形式:   星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

步骤8:绘制时域信号的频谱图

根据上面步骤获得的所有谐波分量的频率和其对应的幅度,就可以画出时域信号的频谱图。

不同时域信号的频谱图是不一样的,这里以周期脉冲信号为例,如下图所示。

同时展示了周期信号演变非周期信号时,频谱图有离散向连续的转换。

时域信号的周期越小,频率最大,基波信号的频率越大,谐波信号的频率的间隔就越大,在频谱图上就越离散。

时域信号的周期越大,频率最小,基波信号的频率越小,谐波信号的频率的间隔就越小,在频谱图上就越密集,密集到无效小,就是连续频谱。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

左边是时域信号,这里实例是周期脉冲信号。

右边是频域频谱,每个蓝色分量表示该频率信号的幅度。

正频率表示:逆时针旋转的频率分量

负频率表示:顺时钟旋转的频率分量

正负频率是对称的。

 

步骤9:绘制时域信号的相位谱图

相位谱图反应的是时域信号中,包含的每个谐波分量的初始相位以及其对应的正弦信号的幅度。

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

在实际应用中,相位谱图没有频谱图应用广泛。

在实际的PSK相位调制和QAM的正交幅度调制中,星座图本身就以及包含了相位信息,因此大多数情况下,没有必要再单独画一个相位谱图。

(1)PSK调制星座图:

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

(2)QAM调制星座图:

星星之火-34:傅里叶分析的9大步骤

 

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