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讯号与系统/指数傅里叶级数

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  70. 原始语言:Recurrence;臺灣:遞迴;大陆:递归; 当前用字模式下显示为→递归
  71. 原始语言:Recurrence relation;臺灣:遞迴關係;大陆:递推关系; 当前用字模式下显示为→递推关系
  72. 原始语言:Scalar;臺灣:純量;大陆:标量; 当前用字模式下显示为→标量
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  74. 原始语言:Sigma notation;大陆:求和号;臺灣:和式號; 当前用字模式下显示为→求和号
  75. 原始语言:Simple group;臺灣:單純群;大陆:单群; 当前用字模式下显示为→单群
  76. 原始语言:Simple Lie group;臺灣:單純李氏群;大陆:单李群; 当前用字模式下显示为→单李群
  77. 原始语言:Simplex;臺灣:單體;大陆:单纯形; 当前用字模式下显示为→单纯形
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  79. 原始语言:Singularity;臺灣:奇異點;大陆:奇点; 当前用字模式下显示为→奇点
  80. 原始语言:Splitting field;臺灣:分裂體;大陆:分裂域; 当前用字模式下显示为→分裂域
  81. 原始语言:Subfield;臺灣:子體;大陆:子域; 当前用字模式下显示为→子域
  82. 原始语言:Tangent bundle;臺灣:切線束;大陆:切丛; 当前用字模式下显示为→切丛
  83. 原始语言:Uniform boundedness principle;臺灣:均勻有界原理;大陆:一致有界性原理; 当前用字模式下显示为→一致有界性原理
  84. 原始语言:Uniform continuity;臺灣:均勻連續;大陆:一致连续; 当前用字模式下显示为→一致连续
  85. 原始语言:Uniform convergence;臺灣:均勻收斂;大陆:一致收敛; 当前用字模式下显示为→一致收敛
  86. 原始语言:Uniform norm;臺灣:均勻範數;大陆:一致范数; 当前用字模式下显示为→一致范数
  87. 原始语言:Uniform space;臺灣:均勻空間;大陆:一致空间; 当前用字模式下显示为→一致空间
  88. 原始语言:Union;臺灣:聯集;大陆:并集; 当前用字模式下显示为→并集
  89. 原始语言:Unitary space;臺灣:么正空間;大陆:酉空間; 当前用字模式下显示为→酉空間
  90. 原始语言:Unitary group;臺灣:么正群;大陆:酉群; 当前用字模式下显示为→酉群
  91. 原始语言:Unitary matrix;臺灣:么正矩陣;大陆:酉矩阵; 当前用字模式下显示为→酉矩阵
  92. 原始语言:Variance;大陆:方差;臺灣:變異數; 当前用字模式下显示为→方差
  93. 原始语言:Bayes' theorem;大陆:贝叶斯法则;臺灣:貝氏定理; 当前用字模式下显示为→贝叶斯法则

指数傅里叶级数

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假设X(t)为一周期讯号,基本周期为0,则X(t)可表示成复指数讯号的和: =...++++++...

=


其中


指数傅里叶级数的系数

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三角傅里叶级数

     =+)


尤拉公式 :

    =


    =


x(t)=

  =+
  =+


=...+

  =




其中


以上为指数傅里叶级数的系数与三角傅里叶级数的系数 之关系式


三角傅里叶级数第二式

    X(t)=


尤拉公式


    =
               =+
                              
   X(t)=+   
   =        




        其中     

以上为指数傅里叶级数的系数与三角傅里叶级数第二式的系数之关系式


由上说明可知,三角傅里叶级数与指数傅里叶级数是完全等效的。



指数傅里叶级数系数的直接算法

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假设一周期讯号的基本周期,此一讯号可表示成指数傅里叶级数 :

                X(t)=


其中



直接求系数 :

   等號兩邊同乘上再對時間 t 積分,積一個基本週期的時間範圍 : 
   =
   =
  = 



范例4.12

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下图为一方波周期讯号之时域波形,其周期为,求此讯号之指数傅里叶级数。

...............图


一方波周期讯号之时域波形 ©余兆棠、李志鹏,讯号与系统, 沧海书局,2007。



【解】

      
     


    ==[]


    =



整理并改写上述系数为:


最后将此方波周期讯号表示成以下之指数傅里叶级数式展开式。

=


讯号X(t)的双边幅度频谱和相位频谱


............图


                          ©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。

范例4.13

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请将讯号表示成指数傅里叶级数展开式

=++

【解】

=

          =++

讯号由3项复指数函数组合而成,其频率分别为1000、2000与3000Hz,先找出3项频率的最大公因数为1000,因此讯号是一周期讯号且其基本频率为1000 Hz(),仔细观察可发现其表示式已是指数傅里叶级数之型式,因此只要改写成为



= ++

=

=

=

;;;


注意:为一复数周期讯号,故不满足于后面将讨论的指数傅里叶级数的对称性(即) 。


范例4.14

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经过半波整流后的周期弦波讯号可表示如下 :

...........................图

此讯号仍为周期讯号,试求其指数傅里叶级数

【解】 周期

           指數傅立葉級數 :
              

=

=[-

=[+] ,


说明:

   =+
   


=


 =
 =

同法可得 :



范例4.15

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周期脉冲串行(periodic impulse train) 的定义为

试求其傅里叶级数


..............................图


                                                 ©B. P. Lathi, Signal Processing and Linear Systems, Berkeley-Cambridge Press, 1998



【解】 指数傅里叶级数


         


其中

取积分范围由


=

=在此一范围内

=


         
                





       的雙邊振幅頻譜如下 :


.....................图

                                     ©B. P. Lathi, Signal Processing and Linear Systems, Berkeley-Cambridge Press, 1998.






    利用尤拉公式

=


的单边频谱如下 :


..................................图


                                         ©B. P. Lathi, Signal Processing and Linear Systems, Berkeley-Cambridge Press, 1998.



常见讯号的傅里叶级数

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................................................

................................................

.....................图.....................

................................................


指数傅里叶级数系数的对称性

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指数傅里叶级数

          


     其係數 : 
         


   =      *表示共軛複數
   = 為實數函數
   =
  =




      一般而言是複數,用極座標表示 :
                表示的相角


根据上述条件 :

             
        取共軛複數絕對值等
        共軛複數的相角差一個負號


结论 :当 为实数周期讯号的条件下,其指数傅里叶级数的系数

             有底下特性:  
           (1)的絕對值對 n 而言為偶對稱。
           (2)的相位角對 n 而言為奇對稱。

考虑)为实数偶函数 :

           指數傅立葉級數的係數
    
    =
    =-



是偶函数,也是偶函数 是偶函数,是奇函数


仍为偶函数 为奇函数


         =0
=




均为实数,故积分结果仍为实数。

        結論 : 當為實數偶函數時,其指數傅立葉級數的係數 為實數 。

同法可证明,当 为实数奇函数时, 的指数傅里叶级数的系数 为纯虚数或 0。




为半波奇对称(half-wave odd symmetrical ,即 :

         

证明请同学自行练习


级数 系数 对称性

1.三角正弦-余弦


..........................图




2.复数指数


..........................图



傅里叶级数的变换(1)

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幅度转换 :

            已知  X(t)=
                           另一訊號 y(t)=

                            則y(t)的傅立葉級數為
                                 y(t)=
                                  =
                                   =







范例4.16

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试求周期讯号y(t)的傅里叶级数 :


.........................图


         ©Charls L. Phillips, John M. Parr, Eve A. Riskin, Signals, Systems, and Transforms, 3rd ed., Pearson Education, 2003

【解】仔细观察上图可以发现,此一图形与标准的锯齿波X(t)(如下图)存

      在一關係 :
               


............................图


©Charls L. Phillips, John M. Parr, Eve A. Riskin, Signals, Systems, and Transforms, 3rd ed., Pearson Education, 2003.

经查表可知,标准锯齿波x(t)的傅里叶级数为 :

          





     其中  
 
                
          
          

傅里叶级数的变换(2)

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时间变换

   (a) y(t) 為 x(t) 延遲 時間,即y(t)=
      y(t)==
                  =
                  =
   




傅里叶级数的变换

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(b) y(t) 为 x(t) 左右翻转,即y(t)=x(-t)

y(t)=x(-t)=

         =

         =
          =



范例4.17

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同范例4.16,改用时间变换搭配幅度变换求解。



【解】首先定义z(t)=x(-t)


©Charls L. Phillips, John M. Parr, Eve A. Riskin, Signals, Systems, and Transforms, 3rd ed., Pearson Education, 2003.




z(t)=x(-t)=

         =

         =
          =



观察可得

    



大师的风范

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同学辛苦了,休息一下并瞻仰一下大师风范!


.........................图



Jean Baptiste Joseph Fourier J. Willard Gibbs