資料介紹
傅里葉變換在物理學(xué)、數(shù)論、組合數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、密碼學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、海洋學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用(例如在信號(hào)處理中,傅里葉變換的典型用途是將信號(hào)分解成幅值分量和頻率分量)。傅里葉變換能將滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成三角函數(shù)(正弦和/或余弦函數(shù))或者它們的積分的線性組合。在不同的研究領(lǐng)域,傅里葉變換具有多種不同的變體形式,如連續(xù)傅里葉變換和離散傅里葉變換。傅里葉變換是一種解決問(wèn)題的方法,一種工具,一種看待問(wèn)題的角度。理解的關(guān)鍵是:一個(gè)連續(xù)的信號(hào)可以看作是一個(gè)個(gè)小信號(hào)的疊加,從時(shí)域疊加與從頻域疊加都可以組成原來(lái)的信號(hào),將信號(hào)這么分解后有助于處理。我們?cè)瓉?lái)對(duì)一個(gè)信號(hào)其實(shí)是從時(shí)間的角度去理解的,不知不覺(jué)中,其實(shí)是按照時(shí)間把信號(hào)進(jìn)行分割,每一部分只是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)值,一個(gè)信號(hào)是一組這樣的分量的疊加。傅里葉變換后,其實(shí)還是個(gè)疊加問(wèn)題,只不過(guò)是從頻率的角度去疊加,只不過(guò)每個(gè)小信號(hào)是一個(gè)時(shí)間域上覆蓋整個(gè)區(qū)間的信號(hào),但他確有固定的周期,或者說(shuō),給了一個(gè)周期,我們就能畫(huà)出一個(gè)整個(gè)區(qū)間上的分信號(hào),那么給定一組周期值(或頻率值),我們就可以畫(huà)出其對(duì)應(yīng)的曲線,就像給出時(shí)域上每一點(diǎn)的信號(hào)值一樣,不過(guò)如果信號(hào)是周期的話 ,頻域的更簡(jiǎn)單,只需要幾個(gè)甚至一個(gè)就可以了,時(shí)域則需要整個(gè)時(shí)間軸上每一點(diǎn)都映射出一個(gè)函數(shù)值。傅里葉變換就是將一個(gè)信號(hào)的時(shí)域表示形式映射到一個(gè)頻域表示形式;逆傅里葉變換恰好相反。這都是一個(gè)信號(hào)的不同表示形式。它的公式會(huì)用就可以,當(dāng)然把證明看懂了更好。對(duì)一個(gè)信號(hào)做傅里葉變換,可以得到其頻域特性,包括幅度和相位兩個(gè)方面。幅度是表示這個(gè)頻率分量的大小,那么相位呢,它有什么物理意義?頻域的相位與時(shí)域的相位有關(guān)系嗎?信號(hào)前一段的相位(頻域)與后一段的相位的變化是否與信號(hào)的頻率成正比關(guān)系。傅里葉變換就是把一個(gè)信號(hào),分解成無(wú)數(shù)的正弦波(或者余弦波)信號(hào)。也就是說(shuō),用無(wú)數(shù)的正弦波,可以合成任何你所需要的信號(hào)。想一想這個(gè)問(wèn)題:給你很多正弦信號(hào),你怎樣才能合成你需要的信號(hào)呢?答案是要兩個(gè)條件,一個(gè)是每個(gè)正弦波的幅度,另一個(gè)就是每個(gè)正弦波之間的相位差。所以現(xiàn)在應(yīng)該明白了吧,頻域上的相位,就是每個(gè)正弦波之間的相位。傅里葉變換用于信號(hào)的頻率域分析,一般我們把電信號(hào)描述成時(shí)間域的數(shù)學(xué)模型,而數(shù)字信號(hào)處理對(duì)信號(hào)的頻率特性更感興趣,而通過(guò)傅立葉變換很容易得到信號(hào)的頻率域特性。傅里葉變換簡(jiǎn)單通俗理解就是把看似雜亂無(wú)章的信號(hào)考慮成由一定振幅、相位、頻率的基本正弦(余弦)信號(hào)組合而成,傅里葉變換的目的就是找出這些基本正弦(余弦)信號(hào)中振幅較大(能量較高)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率,從而找出雜亂無(wú)章的信號(hào)中的主要振動(dòng)頻率特點(diǎn)。如減速機(jī)故障時(shí),通過(guò)傅里葉變換做頻譜分析,根據(jù)各級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速、齒數(shù)與雜音頻譜中振幅大的對(duì)比,可以快速判斷哪級(jí)齒輪損傷。拉普拉斯變換,是工程數(shù)學(xué)中常用的一種積分變換。它是為簡(jiǎn)化計(jì)算而建立的實(shí)變量函數(shù)和復(fù)變量函數(shù)間的一種函數(shù)變換。對(duì)一個(gè)實(shí)變量函數(shù)作拉普拉斯變換,并在復(fù)數(shù)域中作各種運(yùn)算,再將運(yùn)算結(jié)果作拉普拉斯反變換來(lái)求得實(shí)數(shù)域中的相應(yīng)結(jié)果,往往比直接在實(shí)數(shù)域中求出同樣的結(jié)果在計(jì)算上容易得多。拉普拉斯變換的這種運(yùn)算步驟對(duì)于求解線性微分方程尤為有效,它可把微分方程化為容易求解的代數(shù)方程來(lái)處理,從而使計(jì)算簡(jiǎn)化。在經(jīng)典控制理論中,對(duì)控制系統(tǒng)的分析和綜合,都是建立在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上的。引入拉普拉斯變換的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn),是可采用傳遞函數(shù)代替微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的特性。這就為采用直觀和簡(jiǎn)便的圖解方法來(lái)確定控制系統(tǒng)的整個(gè)特性(見(jiàn)信號(hào)流程圖、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖)、分析控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程(見(jiàn)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)、根軌跡法),以及綜合控制系統(tǒng)的校正裝置(見(jiàn)控制系統(tǒng)校正方法)提供了可能性。拉普拉斯變換在工程學(xué)上的應(yīng)用:應(yīng)用拉普拉斯變換解常變量齊次微分方程,可以將微分方程化為代數(shù)方程,使問(wèn)題得以解決。在工程學(xué)上,拉普拉斯變換的重大意義在于:將一個(gè)信號(hào)從時(shí)域上,轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域(s域)上來(lái)表示;在線性系統(tǒng),控制自動(dòng)化上都有廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理中,Z變換是一種非常重要的分析工具。但在通常的應(yīng)用中,我們往往只需要分析信號(hào)或系統(tǒng)的頻率響應(yīng),也即是說(shuō)通常只需要進(jìn)行傅里葉變換即可。那么,為什么還要引進(jìn)Z變換呢?
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