Fourierova transformacija

Fourierova transformacija (natančneje zvezna Fourierova transformacija ; izgovorjava:[fuʁie])) je matematična metoda s področja Fourierove analize, ki aperiodični signal razčleni na neprekinjen spekter. Funkcija, ki opisuje ta spekter, se imenuje tudi Fourierova transformacija ali spektralna funkcija. Gre za integralno transformacijo,o poimenovano po matematiku Jeanu Baptistu Josephu Fourierju. Fourier je leta 1822 uvedel Fourierovo serijo, ki pa je definirana le za periodične signale in vodi do diskretnega frekvenčnega spektra.

Primer uporabe Fourierove transformacije je določanje sestavin zvoka. Ta slika je rezultat uporabe transformacije konstantnega Q (s Fourierjem povezane transformacije) na valovno akorda C-dur na klavirju. Prvi trije vrhovi na levi ustrezajo frekvencam osnovne frekvence akorda (C, E, G). Preostali manjši vrhovi so visokofrekvenčni prizvoki teh osnovnih tonov..
Rdeča sinusna krivulja sinusoid se lahko opiše z amplitudo vrha (1), razdaljo med vrhovoma (2), RMS (3), valovno dolžino (4). Rdeča in modra sinusoida sta zamaknjeni za fazno razliko θ.
zgornja vrsta kaže enotni impulz kot funkcijo časa (f(t)) in njegovo Fourierovo translmacijo kot funkcijo frekvence ((ω)). Spodnja vrstica prikazuje zakasnjeni enotni impulz kot funkcijo časa (g(t)) in njegovo Fourierjevo transformacijo kot funkcijo frekvence (ĝ (ω)). [Zakasnitev v časovni domeni pomeni kompleksni fazni premik v frekvenčni domeni.

Obstaja kar nekaj primerov uporabe, za katere treba za Fourierjevo transformacijo uporabiti računalnik. V ta namen je na voljo diskretna Fourierjeva transformacija ali hitra Fourierjeva transformacija.

Definicija

Naj bo integrabilna funkcija, kjer imenovan Lebesgueov prostor. (Zvezna) Fourierova transformacija od je definirana z

in ustrezna inverzna transformacija je:

Pri tem sta in so -dimenzionalna prostorska elementa, imaginarna enota, pa standardni produkt vektorjev in .

Normalizacijska konstanta v literaturi ni dosledna. V teoriji psevdodiferencialnih operatorjev in pri obdelavi signalov se faktor v transformaciji pogosto izpušča, tako da inverzna transformacija ustrezno dobi na začetek faktor . Transformacija je tako:

Faktor na začetku faktor preprečuje neposredno uporabo Plancherelovega izreka, ker potem Fourierova transformacija ne daje več unitarne preslikave in tako se spremeni moč signala. Vendar, kot pri vseh ortogonalnih transformacijah, je to mogoče zlahka kompenzirati s substitucijo (ponovno skaliranje abscise) in zato ne predstavlja temeljne težave. Točno to predlaga literatura o obdelavi signalov in sistemski teoriji: prehod od naravne frekvence h kotni frekvenci (ki vključuje faktor):

Realna inačica Fourierove transformacije se imenuje Hartleyjeva transformacija. Za realne funkcije Fourierovo transformacijo lahko nadomestimo s sinusno in kosinusno transformacijo.

Primeri uporabe

Stiskanje podatkov za digitalno komunikacijo

Stiskanje digitalnih podatkov s pomočjo Fourierove transformacije je osrednja tehnologija na področju komunikacije, izmenjave podatkov in pretakanja medijev na (mobilnem) internetu. [1]

Tabele pomembnih Fourierovih transformacij

Naslednje tabele prikazujejo nekaj zaprtih Fourierovih transformacij. Funkciji f(x) in g(x) označimo njuni Fourierovi transformaciji s f̂ in ĝ. Vključene so samo tri najpogostejše konvencije. Morda bi bilo koristno opaziti, da podaja vnos 105 razmerje med Fourierovo transformacijo funkcije in izvirno funkcijo, ki jo je mogoče razumeti kot povezavo Fourierjeve transformacije in njenega obrata.

Funkcionalne relacije, enodimenzionalne

Fourierove transformacije v tej tabeli lahko najdete pri Erdélyi (1954) or Kammler (2000, appendix).

FunkcijaFourierova transformacija
asbscisa je unitarna običajna frekvenca
Fourierova transformacija
unitarna, kotna frekvenca
Fourierova transformacija<
ne-unitarna, kotna frekvenca
pripombe
Definiticije
101 Linearnost
102 Pomik v časovni domeni
103 Pomik v frekvenčni domeni, dualno vrstici 102
104 Skalirano v časovni domeni. Če je velik, se koncentrira na 0 in

razširi in zniža.
105 Ista transformacija dvakrat zapored, x po prvi transformaciji nastopi namesto frekvence (ξ or ω).
106 Odvod n-tega reda.

f je Schwartzova funkcija

Integracija.[2] Opomba: je Diracova delta funkcija in povprečna (DC) vrednost , tako da je
107 To je dualno vrstici 106
108 Izraz fg pomeni konvolucijo f in g — to pravilo je t.i. konvolucijski teorem
109 To je dualno 108
110For f(x) purely real Hermitska simetrija z zahteva kompleksni konjugat.
113Za imaginarno f(x) z pomeni kompleksni konjugat.
114 [[<kompleksna konjugacija]], generalizacija 110 in 113
115 Slledi iz 101 in 103 s pomočjo Eulerjeve formule:
116 Sledi iz 101 in 103 s pomočjo Eulerjeve formule:


kvadratno integrabilne funkcije, enodimenzionalne

Fourierove transformacije v tej tabeli je najti v Campbell & Foster (1948), Erdélyi (1954), ali Kammler (2000, priloga).

FunkcijaFourierova transformacija
asbscisa je unitarna običajna frekvenca
Fourierova transformacija
unitarna, kotna frekvenca
Fourierova transformacija<
ne-unitarna, kotna frekvenca
pripombe
Definicije
201 Pravokotni pulz in normalizirana sinc funkcija, definirana kot sinc(x) = sin(πx)/πx
202 Dualno vrstici 201.
203 tri(x) je trikotna funkcija
204 Dualno vrstici 203.
205 Funkcija u(x) je Heavisidov prag in a > 0.
206 Za unitarne Fourierove tranasformacije je torej eαx2 svoja lastna transformacija - do multiplikatorja α. Da to velja, mora biti Re(α) > 0.
208 Za Re(a) > 0. Fourierova transformacija eksponentne padajoče funkcije je Lorentzova funkcija .
209 Hyperbolična funkcija si je lastna Fourtierova transformacija
210 Hn je Hermiteov polinom ntega reda. Če velja a = 1, so Gauss-Hermiteove funkcije lastne funkcije Fourierovega operatorja. Enačba se poenostavi na 206 za n = 0.

Dvodimenzionalne funkcije

FunctionFourier transform
unitary, ordinary frequency
Fourier transform
unitary, angular frequency
Fourier transform
non-unitary, angular frequency
Remarks
400 Spremenljivke ξx, ξy, ωx, ωy so realna števila. Področje integrala je celotna ravnina.
401 Obe funkciji sta gaussovi, lahko da brez prostornine = 1
402 Funkcija je definirana circ(r) = 1 za 0 ≤ r ≤ 1, sicer pa = 0. Rezultat je porazdelitev amplitud za Airyjev disk

Glej tudi

  • Diskretna Fourierjeva transformacija
  • Fourierjeva transformacija za signale z diskretnim časom
  • Hitra Fourierjeva transformacija
  • Inverzna hitra Fourierjeva transformacija

Literatura

Spletne povezave

  • Weisstein, Eric Wolfgang. »Fourier Transform«. MathWorld.
  • Was ist eine Fourier-Transformation? Eine visuelle Einführung na YouTubu

Sklici