傅里叶级数的三角形式和傅里叶级数的指数形式
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周期信号的傅里叶级数展开:1. 三角形式: 周期信号()f t ,周期T ,基波频率12w Tπ=,所构成的完备正交函数集:三角函数集{}11cos ,sin nwt nwt ; ()0111()cos sin n n n f t a a nw t b nw t ∞==++∑其中:2021()TT a f t dt T -=⎰2122()cos TT n a f t nw tdt T -=⎰2122()sin TT n b f t nw tdt T -=⎰ 注意: (1) 展开条件:狄利赫利条件 (2) 另外一种形式:011()cos()nn n f t c cnw t ϕ∞==++∑其中:00c a =n c =nn nb tg a φ=-(3)物理意义: (4)幅度谱和相位谱2. 指数形式: 完备正交函数集 :复指数函数集{}1jnw t e1()jnw tnn f t F e∞=-∞=∑其中1221()Tjnw t T n F f t e dt T --=⎰注意:(1)幅度谱和相位谱nj n n F F e φ= :偶谱和奇谱与三角形式间的关系(2)两种级数间的关系 3. 函数()f t 满足对称性的级数展开: (1) 偶函数:011()cos n n f t a a nw t ∞==+∑0n b =或011()cos()n n n f t c c nw t ϕ∞==++∑,00c a =||n n c a =0,0,0n n n a a ϕπ>⎧=⎨<⎩(2)奇函数:11()sin n n f t b nw t ∞==∑00n a a ==或011()cos()n n n f t c c nw t ϕ∞==++∑,00c =||n n c b =,02,02nn nb b πϕπ⎧->⎪⎪=⎨⎪<⎪⎩(3)奇谐函数:()()2T f t f t =-±其傅里叶级数展开式中仅含奇次谐波分量,即: 0240a a a ====2460b b b ====4. 典型周期矩形脉冲的傅里叶级数信号()f t ,周期为T ,脉宽为τ,脉幅为E(1)三角形式011()cos nn f t a anw t ∞==+∑0n b =其中:2202211()T T E a f t dt Edt T T Tτττ--===⎰⎰211222cos 2n E a E nw tdt Sa nw T T ττττ-⎛⎫== ⎪⎝⎭⎰ 谐波形式:011()cos()n n n f t c c nw t φ∞==++∑其中:00c a =n nc a =, {0,0,0n n n a a ϕπ>=<(2)指数形式:1()jnw t n n f t F e ∞=-∞=∑其中:11222211()T jnw tjnw t T n F f t e dt Ee dt T T ττ---==⎰⎰112E Sa nw T ττ⎛⎫=⎪⎝⎭(3)幅度谱和相位谱的特点 谱线间隔和频谱宽度二.傅里叶变换 ()()jwt F w f t e dt ∞--∞=⎰1()()2jwt f t F w e dw π∞-∞=⎰特点:(1)()()()j w F w F w e ϕ=幅频函数和相频函数(2)变换条件:|()|f t dt ∞-∞<∞⎰ (3)()f t 也是由许多频率分量构成三.常见信号的傅里叶变换对 单边指数衰减信号,0()0,0t e t f t t α-⎧>=⎨<⎩,0α> ↔1()F w jw α=+ 双边指数衰减信号||,0(),0t t te tf t ee t ααα--⎧>==⎨<⎩ ↔222()F w w αα=+矩形脉冲(),2f t E tτ=<↔ ()()2F w E Sa w ττ=符号函数()sgn()f t t = ↔2()F w jw=冲击函数()()f t t δ= ↔ ()1F w = ()()f t t δ'=↔ ()F w jw =()()()n f t t δ=↔ ()()nF w jw = 直流信号()1f t = ↔ ()()2F w w πδ=()f t jt =-↔ ()()2F w w πδ'=()()nf t jt =-↔()()()2n F w w πδ=阶跃信号()()f t u t = ↔()1()F w w jwπδ=+四.傅里叶变换的性质 1.线性性2.奇偶虚实性:()f t 为实函数()()()cos ()sin jwtF w f t edt f t wtdt j f t wtdt ∞∞∞--∞-∞-∞==-⎰⎰⎰(1)()f t 为实偶函数,虚部()()sin 0X w f t wtdt ∞-∞==⎰ (2)()f t 为实奇函数,实部()()cos 0R w f t wtdt ∞-∞==⎰3. 对称性4.时移性5. 尺度变换:时域压缩,频谱扩张 时域扩张,频谱压缩 时域反褶,频谱反褶6.频移性:00()()jw tF f t e F w w ⎡⎤=-⎣⎦[][]001()cos ()()2F f t wt F w w F w w =-++[][]001()sin ()()2F f t wt F w w F w w j=--+ 7.时域微分:[]()()F f t jwF w '=()()()()n nF f t jw F w ⎡⎤=⎣⎦8.频域微分:[]()()F jtf t F w '-=()()()()n n F jt f t F w ⎡⎤-=⎣⎦9.时域卷积:()()()1212()F f t f t F w F w *=⎡⎤⎣⎦ 10.频域卷积:五.周期信号的傅里叶变换:(1) 周期信号的傅里叶级数展开式:1()jnw tnn f t F e ∞=-∞=∑(2) 周期信号的傅里叶变换:1()2()nn F w F w nw πδ∞=-∞=-∑特点:(ⅰ)频谱为冲击谱 (ⅱ)强度为2n F π(ⅲ)谱线位于谐波处(1nw )(ⅳ)()1120211()|Tjnw t jwt T n w nw F f t e dt f t e dt T T∞--=-∞-==⎰⎰()101|w nw F w T==其中:0()f t 为周期信号的第一个脉冲, ()0F w 为0()f t 的傅里叶变换。
第三章傅里叶变换本章提要:◆傅里叶级数(Fourier Series)◆非周期信号的傅里叶变换◆傅里叶变换的性质◆周期信号的傅里叶变换◆采样信号和采样定理J.B.J. 傅里叶(Fourier)◆1768年生于法国◆1807年提出“任何周期信号都可用正弦函数级数表示”,但其数学证明不很完善。
◆拉普拉斯赞成,但拉格朗日反对发表◆1822年首次发表在《热的分析理论》◆1829年狄里赫利第一个给出收敛条件周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示傅里叶分析方法的应用:(1)泊松(Possion)、高斯(Gauss)等将其应用于电学中;(2)在电力系统中,三角函数、指数函数及傅里叶分析等数学工具得到广泛的应用。
(3)20世纪以后,在通信与控制系统的理论研究与实际应用中开辟了广阔的前景。
(4)力学、光学、量子物理和各种线性系统分析等得到广泛而普遍的应用。
§ 3.1 周期信号的傅立叶级数◆三角函数形式的傅里叶级数◆复指数形式的傅里叶级数◆几种典型周期信号的频谱◆吉伯斯现象一、三角函数形式的傅里叶级数∞Tianjin University Tianjin University二、复指数形式的傅里叶级数周期信号的复数频谱图三、几种典型周期信号的频谱+-1T t tjn ωTianjin UniversityTianjin University∞n A τωτ思考题:KHz T f T 100101011 26=⨯===-,πω2. 奇函数:f (t )= -f (-t)1tω只含正弦项n F =3.奇谐函数T四、吉伯斯现象)(t f有限项的N越大,误差越小例如: N=11§ 3.2 非周期信号的傅立叶变换∞从物理意义来讨论傅立叶变换(FT)Tianjin University Tianjin UniversityTianjin UniversityTianjin University )0>arctg -=)(t f时域中信号变化愈尖锐,其频域所包含的高频分量就愈丰富;反之,信号在时域中变化愈缓慢,其频域所包含的低频分量就愈多。
傅里叶级数的三角形式和傅里叶级数的指数形式一、傅里叶级数的三角形式f(t) = a0 + Σ(an*cos(nωt) + bn*sin(nωt))其中a0是直流分量,an和bn是正弦和余弦函数的系数,ω=2π/T 是角频率,n为正整数。
在傅里叶级数的三角形式中,每一项可以看作是一个振荡频率为nω的正弦或余弦波。
系数an和bn决定了每个振荡波的振幅。
因为正弦和余弦函数具有良好的振荡性质,傅里叶级数的三角形式特别适用于描述周期性信号。
f(t) = Σ(cne^(inωt))其中cn是复指数函数的系数,ω=2π/T是角频率,n为整数。
在傅里叶级数的指数形式中,每一项可以看作是一个振荡频率为nω的复指数波。
系数cn决定了每个振荡波的振幅和相位。
因为复指数函数具有完备性,可以表示任意信号,傅里叶级数的指数形式特别适用于描述非周期性信号。
三、三角形式和指数形式的比较三角形式和指数形式是等价的,可以通过欧拉公式相互转化。
但它们在使用形式和理解方式上有所差异。
1.表达形式:三角形式使用正弦和余弦函数来表示信号,而指数形式使用复指数函数来表示。
复指数函数具有更为简洁的形式,可以统一表示正弦和余弦函数。
2.计算方便性:三角形式在进行级数展开和计算各项系数时更加直观和容易理解,可以通过积分和傅里叶级数的性质来计算系数。
而指数形式在进行级数展开时具有更好的数学性质,方便进行求和和求导运算。
3. 物理意义:三角形式的系数an和bn可以直接反映信号的振幅和相位,有较强的物理意义。
指数形式的系数cn由振幅和相位共同决定,更侧重于信号的频域特性。
4.应用领域:三角形式更适用于周期性信号的分析和处理,如音频信号和电力系统中的周期性波形。
指数形式更适用于非周期性信号的频谱分析和信号处理,如通信系统中的调制信号和任意信号的变换分析。
综上所述,傅里叶级数的三角形式和指数形式在表达形式、计算方便性、物理意义和应用领域等方面存在差异。
根据不同的信号特性和分析要求,可以选择适合的形式进行信号的分解和处理。
第十5章 傅里叶级数1傅里叶级数一、三角级数·正交函数系概念1:由正弦函数y=Asin(ωx+φ)表示的周期运动称为简谐振动,其中A 为振幅,φ为初相角,ω为角频率,其周期T=ω2π.常用几个简谐振动y k =A k sin(k ωx+φk ), k=1,2,…,n 的叠加来表示较复杂的周期运动,即:y=∑=n 1k k y =∑=n1k k k )φ+ x sin(k ωA ,其周期为T=ω2π.若由无穷多个简谐振动叠加得函数项级数A 0+∑∞=1n n n )φ+ x sin(n ωA 收敛,当ω=1时,sin(nx+φn )=sin φn cosnx+cos φn sinnx ,所以 A 0+∑∞=1n n n )φ+sin(nx A = A 0+∑∞=1n n n n n sinnx )cos φA +cosnx sin φ(A ,记A 0=2a 0,A n sin φn =a n ,A n cos φn =b n ,n=1,2,…,则该级数可以表示为: 2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a . 它是由三角函数列(或称为三角函数系) 1,cosx,sinx,cos2x, sin2x,…,cosnx,sinnx,…构成一般形式的三角级数.定理15.1:若级数2a 0+∑∞=+1n n n |)b ||a (|收敛,则三角级数2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 在整个数轴上绝对收敛且一致收敛.证:对任何实数x ,∵|a n cosnx+b n sinnx|≤|a n |+|b n |, 由魏尔斯特拉斯M 判别法得证.概念2:若两个函数φ与ψ在[a,b]上可积,且⎰ba φ(x )ψ(x )dx=0,则 称函数φ与ψ在[a,b]上是正交的, 或称它们在[a,b]上具有正交性,若有一系列函数两两具有正交性,则称其为正交函数系.注:三角函数列:1,cosx,sinx,cos2x, sin2x,…,cosnx,sinnx,…有以下性质: 1、所有函数具有共同的周期2π;2、任何两个不相同的函数在[-π, π]上具有正交性,即为在 [-π, π]上的正交函数系. 即有:⎰ππ-cosnx dx=⎰ππ-sinnx dx=0;⎰ππ-cosmx cosnx dx=0 (m ≠n);⎰ππ-sinmx sinnx dx=0 (m ≠n);⎰ππ-cosmx sinnx dx=0 (m ≠n).3、任何一个函数的平方在[-π, π]上的积分都不等于零,即⎰ππ-2nx cos dx=⎰ππ-2nx sin dx=π;⎰ππ-21dx=2π.二、以2π为周期的函数的傅里叶级数定理15.2:若2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 在整个数轴上一致收敛于f ,则:a n =⎰ππ-f(x)cosnx π1dx, b n =⎰ππ-f(x)sinnx π1dx, n=1,2,…. 证:由定理条件可知,f(x)在[-π, π]上连续且可积,∴⎰ππ-f(x )dx=2a⎰ππ-dx +∑⎰⎰∞=1n ππ-n ππ-n )sinnx dx b +dx cosnx (a =2a 0·2π=a 0π.即a 0=⎰ππ-f(x)π1dx. 对f(x)=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a两边同时乘以coskx(k 为正整数),可得:f(x)coskx=2a 0coskx +∑∞=1n n n )sinnx coskx b +cosnx coskx (a ,则新级数收敛,有coskx f(x )ππ-⎰dx=2a 0⎰ππ-coskx dx +∑⎰⎰∞=1n ππ-n ππ-n )dx sinnx coskx b +coskx dx cosnx a (.由三解函数的正交性,等式右边除了以=a k 为系数的那一项积分kx cos a 2ππ-k ⎰dx= a k π外,其余各项积分都为0,∴coskx f(x )ππ-⎰dx= a k π,即a k =⎰ππ-f(x)coskx π1dx (k=1,2,…). 同理,对f(x)=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a两边同时乘以sinkx(k 为正整数),可得:b k =⎰ππ-f(x)sinkx π1dx (k=1,2,…).概念3:若f 是以2π为周期且在[-π, π]上可积的函数,则按定理15.2中所求a n , b n 称为函数f(关于三角函数系)的傅里叶系数,以f 的傅里叶系数为系数的三角级数2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 称为f(关于三角函数系)的傅里叶级数,记作f(x)~2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a .注:若2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 在整个数轴上一致收敛于f ,则,f(x)=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a .三、收敛定理概念4:若f 的导函数在[a,b]上连续,则称f 在[a,b]上光滑. 若定义在[a,b]上除了至多有限个第一类间断点的函数f 的导函数在[a,b]上除了至多有限个点外都存在且连续,在这有限个点上导函数f ’的左右极限存在,则称f 在[a,b]上按段光滑.注:若函数f 在[a,b]上按段光滑,则有: 1、f 在[a,b]上可积;2、在[a,b]上每一点都存在f(x ±0),且有t 0)f(x -t)f(x lim 0t +++→=f ’(x+0),t-0)f(x -t)f(x lim 0t ---→=f ’(x-0);3、补充定义f ’在[a,b]上那些至多有限个不存在点上的值后,f ’在[a,b]上可积.定理15.3:(傅里叶级数收敛定理)若周期为2π的函数f 在[-π, π]上按段光滑,则在每一点x ∈[-π, π],f 的傅里叶级数2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 收敛于f 在点x 的左右极限的算术平均值,即20)-f(x 0)f(x ++=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a ,其中a n , b n 为傅里叶系数.注:当f 在点x 连续时,则有20)-f(x 0)f(x ++=f(x),即f 的傅里叶级数收敛于f(x).推论:若周期为2π的续连函数f 在[-π, π]上按段光滑,则f 的傅里叶级数在(-∞,+∞)上收敛于f.注:由f 周期为2π,可将系数公式的积分区间[-π, π]任意平移,即:a n =⎰+2πc c f(x)cosnx π1dx, b n =⎰+2πc c f(x)sinnx π1dx, n=1,2,….c 为任意实数. 在(-π, π]以外的部分,按函数在(-π, π]上的对应关系作周期延拓,如 f 通过周期延拓后的函数为:,2,1k ],1)π(2k , 1)π-(-(2k x ,) 2π-f(x ]π, (-πx ,f(x)(x)f ˆ⎩⎨⎧⋯±±=+∈∈= 函数f 的傅里叶级数就是指函数(x)fˆ的傅里叶级数.例1:设f(x) )0, (-πx ,0]π[0,x x ,⎩⎨⎧∈∈=,求f 的傅里叶级数展开式.解:f 及其周期延拓后图象如图:可见f 按段光滑.由收敛定理,有a 0=⎰ππ-f(x)π1dx=⎰π0x π1dx=2π. 当n ≥1时,a n =nx cos f(x)π1ππ-⎰dx=⎰π0xcosnx π1dx=⎰-π0π0sinnx n π1|xsinnx n π1dx=π2|cosnx πn 1 =πn 12(cosn π-1)=πn 1(-1)2n -;b n =⎰ππ-f(x)sinnx π1dx=⎰π0xsinnx π1dx=-⎰+π0π0cosnx n π1|xcosnx n π1dx=n (-1)1n +.∴在(-π, π)上,f(x)=4π+∑∞=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-1n n2n sinnx n (-1)cosnx πn 1-)1(.当x=±π时,该傅里叶级数收敛于20)πf(0)πf(+±+-±=20π+=2π.∴f 在[-π, π]上的傅里叶级数图象如下图:例2:把函数f(x)= π2x πx πx 0πx 0 x 22⎪⎩⎪⎨⎧≤<-=<<,,,展开成傅里叶级数. 解:f 及其周期延拓后图象如图:可见f 按段光滑.由收敛定理,有a 0=⎰2π0f(x)π1dx=⎰π02x π1dx-⎰2ππ2x π1dx =-2π2. 当n ≥1时,a n =nx cos f(x)π1ππ-⎰dx =⎰π02cosnx x π1dx-⎰2ππ2cosnx x π1dx ; 又⎰π02cosnx x π1dx=⎰-π0π02xsinnx n π2|sinnx x n π1dx=21n n 2(-1)+-;⎰2ππ2cosnx x π1dx=⎰-2ππ2ππ2xsinnx n π2|sinnx x n π1=21n 2n 2(-1)n 4++; ∴a n =21n 221n n 2(-1)n 4n 2(-1)++---=2n4[(-1)n -1]. b n =⎰2π0f(x)sinnx π1dx=⎰π02sinnx x π1dx-⎰2ππ2sinnx x π1dx ;又⎰π02sinnx x π1dx=-⎰-π0π02xcosnx n π2|cosnx x n π1dx=πn ](-1)-2[1n π)1(3n 1n --+;⎰2ππ2sinnx x π1dx=-⎰-2ππ2ππ2xcosnx n π2|cosnx x n π1dx=-πn ](-1)-2[1n π)1(n 4π3n 1n +--+; ∴b n =πn ](-1)-2[1n π)1(3n 1n --++πn ](-1)-2[1n π)1(n 4π3n 1n --++ =πn ](-1)-4[1n 2π)1(n 4π3n n ---=πn ](-1)-4[1n (-1)]-[1 2πn 2π3n n -+ =⎪⎭⎫ ⎝⎛-+πn 4n 2π](-1)-[1n 2π3n ;∴当x ∈(0, π)∪(π, 2π]时, f(x)= -π2+∑∞=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-++1n 3n n 2sinnx πn 4n 2π](-1)-[1n 2π1]cosnx -[(-1)n 4 .当x=π时,该傅里叶级数收敛于20)f(π0)f(π++-=2)π(π22-+=0;当x=0或2π时,该傅里叶级数收敛于20)f(00)f(0++-=204π-2+=-2π2.注:由当x=2π时,有f(x)= -π2+∑∞=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-++1n 3n n 2sinnx πn 4n 2π](-1)-[1n 2π1]cosnx -[(-1)n 4=-π2+∑∞=1n n 21]-[(-1)n4=-π2-8∑∞=+0n 21)(2n 1=-2π2. 可求得∑∞=+0n 21)(2n 1=8π2.例3:在电子技术中经常用到矩形波,用傅里叶级数展开后,就可以将巨形波看成一系列不同频率的简庇振动的叠加,在电工学中称为谐波分析。
法国数学家傅里叶发现,任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示(选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的),后世称为傅里叶级数(法文:série de Fourier,或译为傅里叶级数)一种特殊的三角级数。
形如(1)的级数,其中αn(n=0,1,2,…)和b n(n=1,2,…)是与x无关的实数,称为三角级数。
特别,当(1)中的系数αn,b n可通过某个函数ƒ(x)用下列公式表示时,级数(1)称为ƒ的傅里叶级数:(2)式中ƒ是周期2π的可积函数,即ƒ∈l(-π,π)。
此时,由公式(2)得到的系数αn,b n称为ƒ的傅里叶系数。
ƒ的傅里叶级数记为。
(3)当然,ƒ的傅里叶级数并不一定收敛;即使收敛,也不一定收敛于ƒ(x)。
假如已知三角级数一致收敛于ƒ(x),即,那么双方都乘以cos nx或sin nx后,在(-π,π)上可以逐项积分,由三角函数系的正交性,即得公式(2)。
所以,如果三角级数(1)一致收敛于ƒ(x),级数(1)必为ƒ的傅里叶级数。
问题往往是,给定函数ƒ,需要把它表示成三角级数(1)。
J.-B.-J.傅里叶的建议是,利用公式(2),求出ƒ的傅里叶系数αn,b n,就得到傅里叶级数(3)。
可以证明,只要ƒ满足一定的条件,那么ƒ的傅里叶级数σ【ƒ】收敛于ƒ。
傅里叶级数的收敛判别法常用的判别法有:①迪尼判别法对固定的点x,如有数s,使得函数φx(u)/u=(ƒ(x+u)+ƒ(x-u)-2s)/u在【-π,π】上勒贝格可积,则σ【ƒ】在点x收敛于s。
由此可知,当ƒ在点x连续,并满足李普希茨条件,即(0<u≤h),那么σ【ƒ】在x收敛于ƒ(x),其中M ,h,α均为正数,且α≤1。
另外,当ƒ(x)具有连续的导函数ƒ┡(x)时,σ【ƒ】一致收敛于ƒ(x)。
②狄利克雷-若尔当判别法假设函数ƒ在含有点x的某区间,例如[x-h,x+h]上分段单调,则ƒ的傅里叶级数在点x收敛于(ƒ(x+0)+ƒ(x-0))/2。
周期信号的傅里叶级数分析 连续时间LTI 系统的时域分析: 以冲激函数为基本信号系统零状态响应为输入信号与系统冲激响应之卷积 傅立叶分析以正弦函数或复指数函数作为基本信号系统零状态响应可表示为一组不同频率的正弦函数或复指数函数信号响应的加权和或积分; 周期信号: 定义在区间,每隔一定时间 T ,按相同规律重复变化的信号,如图所示 .它可表示为f <t >=f < t +m T >其中 m 为正整数, T 称为信号的周期,周期的倒数称为频率. 周期信号的特点:(1) 它是一个无穷无尽变化的信号,从理论上也是无始无终的,时间范围为(2) 如果将周期信号第一个周期内的函数写成,则周期信号可以写成〔3〕周期信号在任意一个周期内的积分保持不变,即有 1. 三角形式的傅立叶级数周期信号 ,周期为1T ,角频率11122T f ππω==(,)-∞∞(,)-∞∞()f t f t ()该信号可以展开为下式三角形式的傅立叶级数.式中各正、余弦函数的系数n n b a , 称为傅立叶系数,函数通过它可以完全表示. 傅立叶系数公式如下式中积分可以取任意一个周期,一般情况下,取) ,0(T 或)2 ,2(TT-三角形式的傅立叶级数还可以写成下面形式∑∞=++=110)cos()(nn n t n c c t f ϕω或两种形式之间系数有如下关系: 2.指数函数形式的傅里叶级数令:()n n b a n F j 21)(1-=ω 由欧拉公式⎰-=Ttn tt f Tj d e )(11ω令:0)0(a F =前面的级数可展成指数形式系数 e )()(1j 1tn n n F t f ωω∑∞-∞==nnn n n n a b arctgb ac -=+=ϕ;:在傅立叶三角表示式中22()nnn c n F F ϕω±=相角辐角等于三角表示的初;2的模可知系数1)(一地表示了他唯,变化而变化的复数)(是一个随着频率)(11t f n n F ωω在傅立叶级数中,无论三角函数表示还是指数函数表示,都是通过三个量完整地表示一个函数:。
周期信号的傅里叶级数分析 连续时间LTI 系统的时域分析: 以冲激函数为基本信号
系统零状态响应为输入信号与系统冲激响应之卷积 傅立叶分析
以正弦函数或复指数函数作为基本信号
系统零状态响应可表示为一组不同频率的正弦函数或复指数函数信号响应的加权和或积分; 周期信号: 定义在区间
(,)-∞∞ ,每隔一定时间 T ,按相同
规律重复变化的信号,如图所示 。
它可表示为 f (t )=f ( t +m T )
其中 m 为正整数, T 称为信号的周期,周期的倒数称为频率。
t
()t f 1
1
-T
2
/T 0
周期信号的特点:
(1) 它是一个无穷无尽变化的信号,从理论上也是无始无终的,时
间范围为(,)-∞∞
(2) 如果将周期信号第一个周期内的函数写成
,则周期信
号
()f t 可以写成
0()()
n f t f t nT ∞
=-∞
=
-∑
(3)周期信号在任意一个周期内的积分保持不变,即有
()()()a T
b T
T
a
b
f t dt f t dt f t dt
++=
=⎰
⎰
⎰
1. 三角形式的傅立叶级数
周期信号
f t () ,周期为1T ,角频率
11122T f π
πω=
=
该信号可以展开为下式三角形式的傅立叶级数。
[]∑∞
=++
=++++++++=1
1
1
011121211110)sin()cos(...)sin()cos(...
)2sin()2cos()sin()cos()(n
n n n n t n b t n a a t n b t n a t b t a t b t a a t f ωωωωωωωω
式中各正、余弦函数的系数
n n b a , 称为傅立叶系数,函数通过它可以完全表示。
傅立叶系数公式如下
⎪⎪⎪⎪⎩
⎪
⎪⎪⎪⎨⎧=====⎰⎰⎰+++Λ
Λ,2,1d sin )(2,2,1d cos )(2d )(100
00
110n t t n t f T b n t t n t f T a t t f T a T
t t n T
t t n T
t t ωω
式中积分可以取任意一个周期,一般情况下,取
) ,0(T 或
)
2 ,2(T
T
-
三角形式的傅立叶级数还可以写成下面形式
∑∞
=++
=1
1
0)
cos()(n
n n t n c c t f ϕω或
∑∞
=++
=1
1
0)
sin()(n
n n t n d d t f θω
两种形式之间系数有如下关系:
n
n n n n n n n n n b a
arctg a b arctg
b a d
c
d a c =-=+=
===θϕ,2
2000⎭⎬
⎫
=-====n n n n n n d c b n d c a θϕθϕcos sin ,2 ,1 sin cos n n n n Λ
2.指数函数形式的傅里叶级数
)sin()cos()sin()cos(2
)sin(2)cos(:
利用欧拉公式111111111111t n j t n e t n t n e e e j
t n e e t n t jn t jn t
jn t jn t jn t jn ωωωωωωωωωωωω-=+=-=+=---
[]∑∞
=++
=1
1
1
0)sin()cos()(n
n n t n b t n a a t f ωω
∑∞
=---+++
=1
0]
2
2
[1
1
1
1
n
t
jn t jn n
t
jn t jn n e e jb e e a a ωωωω
∑∞
=-++-+=10]
)(21)(21[11n t jn n n t jn n n e jb a e jb a a ωω
令:()
n n b a n F j 21
)(1-=ω
()()⎰
⎰
-=
T
T
t
t n t f T
t t n t f T
10
1d sin )(1
j
d cos )(1
ωω
由欧拉公式
⎰
-=T
t
n t
t f T
j d e )(1
1
ω
()
n n b a n F j 2
1
)(1+=-ω
()()⎰
⎰
+=T
T
t
t n t f T
t t n t f T
10
1d sin )(1
j
d cos )(1
ωω⎰
=
T
t
n t
t f T
j d e
)(1
1ω
令:
0)0(a F = 前面的级数可展成指数形式系数
e )()(1
j 1
t
n n n F t f ωω∑∞
-∞
==
d e )(1
)(1
1
j 1⎰
-=
=T t
n n t t f T
n F F ωω
与三角形式不同。
),,(的区间为这里:注意∞-∞n ()惟一确定。
则,)(出给如合。
组性线的e 号信数可分解成号周期信1j 1t f n F t
n ωω
有模和辐角,是一个复数)(注意:1ωn F
n
n
n n a b
arctg b a jb a n F μμ辐角等于2
其模等于
),(21)(由于221+=±ω
n
n
n n n n a b arctg
b a
c -=+=
ϕ;:在傅立叶三角表示式中2
2
()n
n
n c n F F ϕω±=
相角辐角等于三角表示的初;2
的模可知系数1)
(一地表示了他唯
,变化而变化的复数)(是一个随着频率)(11t f n n F ωω在傅立叶级数中,无论三角函数表示还是指数函数表示,都是通过三个量完整地表示一个函数:
n
n n c n F n n ϕωωωω下基底的相位值在)3(或)(下基底的幅度值在)2(频率)1(1111
)cos(三角表示的基底为指数表示的基底为11t n e
t
jn ωω。