訊號與系統/傅立葉轉換的範例

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範例5.1

試求y(t)=eαtu(t)α>0之傅立葉轉換,並繪出y(t)的頻譜。


                                         © G. E. Carlson, Signal and Linear System Analysis, 2nd ed., John Wiley & Sons, 1998.


【解】 y(t)ej2πftdt
       =y(t)eαtu(t)ej2πftdt
      =y(t)e(α+j2πf)tdt
      =1α+j2πfe(α+j2πf)tdt0
      =1α+j2πf

範例5.1(續)

Y(f)=1α+j2πf=1α2+4π2f2

Y(f)=(1α+j2πf)=1(α+j2πf)

=0tan1(2πfα)

=tan1(2πfα)


                                 © G. E. Carlson, Signal and Linear System Analysis, 2nd ed., John Wiley & Sons, 1998.

範例5.2

試求χ2(t)=eat,a>0之傅立葉轉換

【解】 χ2(f)={χ2(t)} =y(t)χ2(t)ej2πftdt

 = 0eatej2πftdt+0eatej2πftdt
 = 1aj2πf +1a+j2πf
 =2aa2+(2πf)2
 假設a=2 


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

範例5.3

試求χ(t)=recttτ的傅立葉轉換。

【解】


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


           (1)用頻率f:X(f)={χ2(t)} =χ(t)ej2πftdt

=recttτej2πftdt =τ2τ21ej2πftdt =1j2πfej2πftτ2τ2

=1j2πfej2πft(ejπfτejπfτ)

=τsin(πfτ)πfτ=τsinc(τf)

            sinc(x)=sin(πχ)πχ

範例5.3(續)

(2)用角頻率ωXω(ω)=inftyejωtdt

=inftyrect(tτ)ejωtdt

=tτtτ1ejωtdt

=1jω(ejωtτejωtτ)

=τsinωτ2ωτ2

=τsa(ωτ2)

           sa(y)=sin(y)y

範例5.3(續)

定義:sinc(x)=sin(πx)πx

    Sa(y)=sin(y)y

範例5.3(續)

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

範例5.4

試求xb(t)=rect(t+12)rect(t12)的傅立葉轉換


【解】xb(f)=10ej2πftdt01ej2πftdt

=1j2πf[ej2πft10ej2πft01]

=1j2πf(1ej2πftej2πft+1)

                                          ej2πft+ej2πft
                                                =2cos2πf

=1j2πf[22cos(2πf)]

=jπf(1cos2πf)

                                        1cos2πf
                                         =2sin2(πf)

=j2sin2πfπf

=j2πfsinc2(f)


                               © Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, D. Ronald Fannin, Signals & Systems:  Continuous and Discrete, 4th ed., Prentice Hall International, 1998.

範例5.4(續)

                                     © Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, D. Ronald Fannin, Signals & Systems:  Continuous and Discrete, 4th ed., Prentice Hall International, 1998.


說明:Xb(f)=j2πfsinc2(f)

    Xbω(ω)=jω(sinπfπf)2
                                =jω[sin(ω2)ω2] 2                                 
                                =jωsa2ω2

範例5.5

試求直流訊號χ(t)=1,<t<的傅立葉轉換

【解】X(f)=1ej2πftdt

    =limTt2t21ej2πftdt
    =limT1j2πfej2πftdtt2t2
   =limT1j2πf[ej2πftej2πft]

=1πflimTsin(πfT)

因為limTsin(πfT)不存在,故χ(t)=1 的傅立葉轉換不收斂。 由此範例可知,直流訊號χ(t)=1的傅立葉轉換不存在。很多常用的訊號 模型 如cos,sin,δ(t),u(t)等其傅立葉轉換均不存在! 下節將介紹廣義的傅立葉轉換(generalized Fourier transform)來解決此一問題


廣義的傅立葉轉換

為了讓一些常用的訊號模型如sin,cos複指數訊號(ej2πft),δ(t),u(t)可作傅立葉轉換,將其擴展為包含極限的定義,也就是廣義的傅立葉轉換。

例如:

     (1) {cos2πf0t} =limα0  {exp(αt)cos2πf0t} ,α>0
     =12 {δ(ff0)+δ(f+f0)}
    (2) {δ(t)}= limϵ0 {δϵ(t)=rect(t/2ϵ)/(2ϵ)} =1
 
    (3) {A} =limT {Arect(t/T)}=Aδ(f)

範例5.6

試求函數δ(t)的傅立葉轉換。

【解】 {δ(t) }= δ(t)ej2πftdt

                                 χ(t)δ(t)=χ(0)δ(t)
   = δ(t)ej2πf0dt
   =δ(t),dt=1

所以:δ(t)1

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

由上圖知,單位脈衝訊號δ(t)包含所有頻率且不同頻率之振幅均相等。


範例5.7

試求δ(f)的傅立葉逆轉換

【解】1 {δ(f) }= δ(f)ej2πftdf=δ(f)ej2π0tdf=δ(f)df=1

所以:1δ(f) 物理意義:大小為1的常數訊號為一直流訊號,故其頻譜只在f=0處存在

                    一單位脈衝函數
                           
                                            ©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


注意:根據上述關係可知。Im {1}=ejπftdt=δ(f) 積分公式:ejπftdt=δ(f)


範例5.8

試求2πδ(ω)的傅立葉逆轉換。

【解】1 {2πδ(ω)}=12π2πδ(ω)ejωtdω=δ(ω)ej0tdω=δ(ω)dω=1 所以:12πδ(ω)

 注意 :根據上述關係可知Im {1} =1ejωtdt=2πδ(ω)

積分公式:ejωtdt=δ(ω)

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

δ(kχ)v.s.δ(χ)

       δ(kχ)=1|k|δ(χ)    k0

【證明】 (1)假設k>0 δ(kχ)dx

                                                 令y=kχ
                                                  dy=kdχ
                          =δ(y)(yk)  
                          =1kδ(y)dy
                          =1kδ(x)dx
                          =1kδ(x)dx
δ(kχ)=1kδ(χ)   k>0

δ(kχ)v.s.δ(χ)(續)

(2)假設k<0         δ(kχ)dx
                                           令y=kχ
                                            dy=kdχ
                   
                 因為k<0
                     
                          =δ(y)dyk  
                          =-1kδ(y)dy
                          =-1kδ(x)dx
                          =1kδ(x)dx
δ(kχ)=1kδ(χ)   k<0

結論: (1)δ(kχ)=1|k|δ(χ) k0

       (2)k=-1

δ(χ)=δ(χ)δ(χ)為一偶函數。


範例5.9

試求χ(t)=ej2πf0t之傅立葉轉換,其中f0為一固定頻率。

【解】X(f)=χ(t)ej2πftdt

                 =χ(t)ej2πf0tej2πftdt
   
                 =χ(t)ej2π(ff0)tdt
                                           根據積分公式χ(t)ej2πftdt=δ(f)
                 =δ(ff0) 

Xω(ω)=X(ω2π)=δ(ωω02π)

     ω=2πf
      ω0=2πf0
                    =2πδ(ωω0)

X(f)(或Xω(ω) )可知,χ(t)=ej2πf0t為僅具有單一頻率f0的訊號


範例5.10

試求符號函數(sign function)y(t)=sgn(t)的傅立葉轉換。

【解】 符號函數

                   sgn(t)=1  t>0 ;  -1  t<0

sgn(t)= [lima0eatu(t)ea(t)u(t)] a>0

Y(f)= {sgn(t)}= [lima0eatu(t)ea(t)u(t)]

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

範例5.10(續)

[e^{-at}u(t)-e^{-a(-t)}u(-t)]

= { eatu(t)ea(t)u(t) } ej2πftdt

=eatu(t)ej2πftdt-ea(t)u(t)ej2πftdt

=0eatej2πftdt-0ea(t)u(t)ej2πftdt

=0e(a+j2πf)tdt-0e(a+j2πf)tdt

=1a+j2πf+1a+j2πf=j4πf[a2+4π2f2]


範例5.10(續)

Y(f)= { sgn(t) }=lima0j4πf(a2+4π2f2)=j4πf4π2f2=1jπf

所以sgn(t)1jπf(=2jω,ω=2πf)

                                            © G. E. Carlson, Signal and Linear System Analysis, 2nd ed., John Wiley & Sons, 1998.