變換的真諦:「傅立葉變換」形象直觀的本質原理

2020-12-04 電子通信和數學

傅立葉變換在信號處理,熱了學,聲學中隨處可見他的身影,但都是以複雜的數學推導得出。本篇以通俗的方式向廣大愛好者展現出傅立葉變換的意義與樂趣:

我們從圓的轉動頻率不同的思路出發,將時域信號分離出來,得到傅立葉變換最直觀的結果。

如圖:是一個固定周期信號波,我們把這個波形纏繞在一個旋轉的圓周上(形如花瓣)。箭頭指的是同一時刻,圓與信號波的對應位置。

上圖信號波的固定頻率是:3個周期/秒。但圓的旋轉頻率可以變化,如0.5圈/秒時,圓上分布了6個花瓣,3圈/秒時,每圈上有一個花瓣,所以圓旋轉的越快,上面圍繞的花瓣越少,旋轉的越慢,上面圍繞的花瓣越多(圓旋轉時要和原始信號波形時間同步,一致)。

如圖因旋轉頻率不一樣,所以花瓣時而增加,時而減少。

當圓以3圈/秒旋轉時,波的信號頻率是3個周期/秒。所以每圈只有一個花瓣(一個周期波)與之對應

我們現在來求文章開頭提到的箭頭向量在圓的每個頻率下的平均值(可以理解為頻率下的振幅),因波有波谷和波峰,圍繞在圓上,向量有正負之分,圓上每圈圍繞的花瓣越多,平均值越小。這個平均值也可以理解為花瓣的質心。建立振幅(質心)與頻率的坐標系

如圖開始是時因頻率為0,箭頭指向最大值,振幅(質心)最大,

隨著旋轉頻率增加,花瓣數減少。平均值趨於圓心,振幅(質心)最小

但在3圈/秒(與信號周期相同)時,因每圈只有一個花瓣所以振幅(質心)平均值增加,出現尖峰。

頻率大於3圈/秒後,因脫離了波峰,所以振幅(質心)有趨近於圓心位置

當我們移動信號波的對稱軸到0的位置時,就只剩下頻率3圈/秒位置振幅(質心)最大。花瓣就變成如下的樣式

如下是信號頻率:2個周期/秒,同理在圓旋轉頻率為2的位置出現凸起,尖峰。

當我們將上述的2Hz和3Hz疊加就變成了如下樣式,在振幅與頻率的坐標繫上,只有在2和3的位置出現的凸起尖峰。這個結論非常重要。

將時域轉換到頻域時,其餘位置均為0,有異常的位置出現尖峰。這就是傅立葉變換的本質。

如下一個含有噪聲的信號輸入我們所描述的「系統」,就顯現出來,出現了尖峰。這就是傅立葉變換的結果。

傅立葉變換把原有頻率從一團糟的信號裡分離出來,將時域無法解決的問題轉換的頻域,就輕而易舉的解決了。

至於用上述的直觀分析如何推導出傅立葉變換公式,下一篇將討論從這些直觀的原理中如何得到傅立葉變換公式。

聲明:本篇所用的圖片取自國外數學家所做的視頻,小編經過全部整合匯入自己的見解用最通俗的語言與大家一起分享。

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