DFT、DTFT、DFS、FFT之間的關係

DFT、DTFT、DFS、FFT、FT、FS之間的關係

FT和FS是研究連續信號的,在數字信號處理中不涉及。

主要是前四種的關係:

  • DFT(Discrete Fourier Transform):離散傅里葉變換

  • DTFT(Discrete-time Fourier Transform):離散時間傅里葉變換

  • DFS(Discrete Fourier Series):離散傅里葉級數

  • FFT(Fast Fourier Transform):快速傅里葉變換

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首先來說圖(1)和圖(2),對於一個模擬信號,如圖(1)所示,要分析它的頻率成分,必須變換到頻域,這是通過傅立葉變換即FT(Fourier Transform)得到的,於是有了模擬信號的頻譜,如圖(2);注意1:時域和頻域都是連續的!

但是,計算機只能處理數字信號,首先需要將原模擬信號在時域離散化,即在時域對其進行採樣,採樣脈衝序列如圖(3)所示,該採樣序列的頻譜如圖(4),可見它的頻譜也是一系列的脈衝。所謂時域採樣,就是在時域對信號進行相乘,(1)×(3)後可以得到離散時間信號x[n],如圖(5)所示;由前面的性質1,時域的相乘相當於頻域的卷積,那麼,圖(2)與圖(4)進行卷積,根據前面的性質2知,**會在各個脈衝點處出現鏡像,於是得到圖(6),它就是圖(5)所示離散時間信號x[n]的DTFT(Discrete time Fourier Transform),即離散時間傅立葉變換,這裏強調的是“離散時間”四個字。**注意2:此時時域是離散的,而頻域依然是連續的。

經過上面兩個步驟,我們得到的信號依然不能被計算機處理,因爲頻域既連續,又週期。我們自然就想到,既然時域可以採樣,爲什麼頻域不能採樣呢?這樣不就時域與頻域都離散化了嗎?沒錯,接下來對頻域在進行採樣,頻域採樣信號的頻譜如圖(8)所示,它的時域波形如圖(7)。現在我們進行頻域採樣,即頻域相乘,圖(6)×圖(8)得到圖(10),那麼根據性質1,這次是頻域相乘,時域卷積了吧,圖(5)和圖(7)卷積得到圖(9),不出所料的,鏡像會呈週期性出現在各個脈衝點處。我們取圖(10)週期序列的主值區間,並記爲X(k),它就是序列x[n]的DFT(Discrete Fourier Transform),即離散傅立葉變換。可見,DFT只是爲了計算機處理方便,在頻率域對DTFT進行的採樣並截取主值而已。有人可能疑惑,對圖(10)進行IDFT,回到時域即圖(9),它與原離散信號圖(5)所示的x[n]不同呀,它是x[n]的週期性延拓!沒錯,因此你去查找一個IDFT的定義式,是不是對n的取值區間進行限制了呢?這一限制的含義就是,取該週期延拓序列的主值區間,即可還原x[n]!

FFT呢?FFT的提出完全是爲了快速計算DFT而已,它的本質就是DFT!我們常用的信號處理軟件MATLAB或者DSP軟件包中,包含的算法都是FFT而非DFT。

DFS,是針對時域週期信號提出的,如果對圖(9)所示週期延拓信號進行DFS,就會得到圖(10),只要截取其主值區間,則與DFT是完全的一一對應的精確關係。這點對照DFS和DFT的定義式也可以輕易的看出。因此DFS與DFT的本質是一樣的,只不過描述的方法不同而已。

我理解的就是:

DTFT(離散時間傅里葉變換,強調的是離散時間,只保證時域是離散的)得到對時域連續信號的離散化採樣後的頻譜函數,這個採樣後時域的信號是離散的(採樣序列是離散的),但是由於採樣信號在頻域的週期性,而且根據時域相乘、頻域卷積的原則,原信號的頻譜(是連續的)會搬移在採樣信號的每一個脈衝點,這樣一來,DTFT得到的頻譜函數就是連續且週期的DTFT就是對時域的採樣!

但是,連續且週期的頻譜信號不能夠被計算機所處理,所以要就要對頻域信號進行採樣了(DFT)!

與時域採樣相同,頻域採樣也是一系列的週期序列信號相乘,這樣,頻域的信號就是離散的了,但此時頻域信號仍然是週期的。一旦對頻域進行採樣後(頻域相乘、時域卷積),時域又和週期脈衝信號卷積了,結果就是DTFT求出的時域離散信號被搬移到每一個脈衝所在處了,但這樣就實現了時域和頻域的離散化!DFT就是對DTFT後的頻域信號再進行一次離散化採樣,得到了離散週期的時域、頻域信號!(DFT會對得到的週期性頻譜截取主值)

此時,時域是離散的,但是有周期性,計算機不好處理!

通過DFS截取時域離散週期信號的主值!

DTDF是數學家的傑作、DFT是工程師的傑作!離散化有助於計算機分析!

綜上所述,要將模擬信號轉化爲可以計算機處理的離散信號,經過一下幾步:

1.DTFT對時域離散化採樣

2.DFT對頻域離散化採樣(順便截取頻域週期信號主值)

3.DFS截取時域週期信號主值

4.這樣,就將連續信號轉化爲離散信號了(時域、頻域都離散)

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