离散时间信号的傅里叶变换

摘抄整理自《数字信号处理》第二版,吴镇扬,高等教育出版社12页,1.2节离散时间信号的傅里叶变换与z变换。

像模拟信号一样,离散时间信号或数字信号序列(这里用词相当严谨,数字信号序列取值上是离散的而离散时间信号则不一定)也存在着傅里叶变换,通常称为离散时间信号的傅里叶变换,即DTFT(Discrete-Time Fourier Transform)。序列x(n)的DTFT定义为

$X({e^{jw}}) = sumlimits_{n =  - infty }^infty  {x(n){e^{ - jwn}}} $  (1.9)

式中w为数字角频率,它是频率f对采样频率fs作归一化后的角频率

$w = frac{{2pi f}}{{{f_s}}}$

显然X(e^jw)是w的连续函数,并且是以2π为周期的。(1.9)式的级数不一定总是收敛的,例如x(n)为单位阶跃序列,级数就不收敛。(1.9)式收敛的充分条件为:

$sumlimits_{n =  - infty }^infty  {left| {x(n){e^{ - jwn}}} ight|}  = sumlimits_{n =  - infty }^infty  {left| {x(n)} ight|}  < infty $

即x(n)绝对可和,则它的DTFT一定存在。同时,也可以推断,有限长序列总是满足绝对可和条件的,其DTFT也总是存在的。

用e^jwn乘以(1.9)式的两边,并在w的一个周期内积分,可得

$egin{array}{c}
intlimits_{ - pi }^pi {X({e^{jw}}){e^{jwm}}dw} = intlimits_{ - pi }^pi {left[ {sumlimits_{n = - infty }^infty {x(n){e^{ - jwn}}} } ight]} {e^{jwm}}dw\
= sumlimits_{n = - infty }^infty {x(n)intlimits_{ - pi }^pi {{e^{jw(m - n)}}} dw} \
= 2pi sumlimits_{n = - infty }^infty {x(n)delta (m - n)}
end{array}$

注释:上式中,m和n是表示序列的位置,取值离散,即m要么等于n,要么为不等于n的其他整数,在这个前提下,积分结果可分情况讨论得出。注意到这里δ(m-n)是单位序列(离散)而不是冲激函数(连续)。

$x(n) = frac{1}{{2pi }}intlimits_{ - pi }^pi  {X({e^{jw}}){e^{jwn}}dw} $ 

这就是离散时间信号的逆傅里叶变换(IDTFT)的公式。

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