跳转至

傅里叶分析与频率响应

傅里叶分析的核心思想:复杂信号可以拆成许多不同频率的复指数;LTI 系统只会改变每个频率的幅值和相位,不会凭空把它变成别的频率。


1. 为什么要从时域走向频域

观察一段带噪声的 IMU 数据,仅从波形可能很难分清:

  • 缓慢变化的真实姿态;
  • 50 Hz 的电源干扰;
  • 高频机械振动;
  • 传感器宽带噪声。

频域会把这些成分按频率排开。我们就能设计低通、带阻等滤波器,保留需要的成分并抑制其余部分。

为什么选择复指数

把 \(e^{j\omega t}\) 输入 LTI 系统:

\[ y(t)=\int_{-\infty}^{\infty}h(\tau)e^{j\omega(t-\tau)}d\tau =e^{j\omega t}\underbrace{\int_{-\infty}^{\infty}h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau}_{H(j\omega)} \]

输出仍是同频率的复指数,只多了复数系数 \(H(j\omega)\)。因此复指数是 LTI 系统的特征函数:

\[ e^{j\omega t}\longrightarrow H(j\omega)e^{j\omega t} \]

\(|H(j\omega)|\) 改变幅值,\(\angle H(j\omega)\) 改变相位。


2. 周期信号:连续时间傅里叶级数

周期为 \(T_0\)、基波角频率为 \(\omega_0=2\pi/T_0\) 的信号可表示为

\[ x(t)=\sum_{k=-\infty}^{\infty}X_k e^{jk\omega_0t} \]

系数为

\[ X_k=\frac1{T_0}\int_{t_0}^{t_0+T_0}x(t)e^{-jk\omega_0t}dt \]
  • \(k=0\) 是直流分量,也就是一周期平均值;
  • \(k=\pm1\) 是基波;
  • \(k=\pm2,\pm3,\ldots\) 是高次谐波;
  • 只需在任意一个完整周期上积分。

50% 占空比方波为什么有很多高频

对幅值在 \(\pm A\) 间切换、零均值且具有半波对称的方波,三角形式为

\[ x(t)=\frac{4A}{\pi}\left(\sin\omega_0t+\frac13\sin3\omega_0t+\frac15\sin5\omega_0t+\cdots\right) \]

突然跳变需要许多高次谐波共同合成。边沿越陡,高频成分通常越丰富,这也是数字开关会产生 EMI 的原因之一。

若 \(x(t)\) 为实信号,则 \(X_{-k}=X_k^*\),称为共轭对称。负频率不是另一种物理振动,而是用复指数表达实正弦时自然出现的数学伙伴。

离散周期序列:DTFS

周期为 \(N\) 的离散序列只需要 \(N\) 个不同频率分量:

\[ x[n]=\sum_{k=0}^{N-1}X[k]e^{j2\pi kn/N} \]
\[ X[k]=\frac1N\sum_{n=0}^{N-1}x[n]e^{-j2\pi kn/N} \]

这是离散傅里叶变换思想的直接来源。


3. 非周期信号:连续时间傅里叶变换

当周期趋向无穷,离散谱线变成连续频谱:

\[ X(j\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}x(t)e^{-j\omega t}dt \]

逆变换为

\[ x(t)=\frac1{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(j\omega)e^{j\omega t}d\omega \]

\(X(j\omega)\) 通常是复数,可写成

\[ X(j\omega)=|X(j\omega)|e^{j\phi(\omega)} \]
  • 幅度谱 \(|X|\):每个频率有多强;
  • 相位谱 \(\phi\):各频率在时间上怎样对齐。

相位同样重要

两个信号可以有相同幅度谱却有完全不同的波形。幅度决定“用了哪些积木”,相位决定“这些积木怎样拼起来”。

常用变换对

以下采用角频率 \(\omega\),单位 rad/s:

\(x(t)\) \(X(j\omega)\) 说明
\(\delta(t)\) \(1\) 瞬时冲激包含所有频率
\(1\) \(2\pi\delta(\omega)\) 常量只有直流
\(e^{-at}u(t),\ a>0\) \(\dfrac1{a+j\omega}\) 因果衰减指数
\(\cos\omega_0t\) \(\pi[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)]\) 两条对称谱线
\(u(t+T/2)-u(t-T/2)\) \(T\,\mathrm{sinc}(\omega T/2)\) 时域矩形对应频域 sinc

这里定义 \(\mathrm{sinc}(x)=\sin x/x\),且 \(\mathrm{sinc}(0)=1\)。

矩形脉冲越窄,频谱主瓣越宽;时域和频域不能同时无限集中。这是“短脉冲含有宽频带”的数学来源。


4. 离散时间傅里叶变换(DTFT)

对一般离散序列:

\[ X(e^{j\Omega})=\sum_{n=-\infty}^{\infty}x[n]e^{-j\Omega n} \]
\[ x[n]=\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}X(e^{j\Omega})e^{j\Omega n}d\Omega \]

离散角频率 \(\Omega\) 的单位是 rad/sample,并且

\[ X(e^{j(\Omega+2\pi)})=X(e^{j\Omega}) \]

这说明离散频谱以 \(2\pi\) 为周期。模拟频率和离散频率的关系为

\[ \Omega=\omega T_s=2\pi\frac{f}{f_s} \]

Example

采样率 \(f_s=1000\) Hz 时,100 Hz 对应 \(\Omega=0.2\pi\) rad/sample;500 Hz 对应 \(\pi\) rad/sample,也就是 Nyquist 频率。

DTFT 与 DFT 不要混淆

名称 输入 输出 用途
DTFT 可为无限长离散序列 连续且 \(2\pi\) 周期的频率函数 理论分析
DFT 长度 \(N\) 的有限数据 \(N\) 个离散频点 计算机数值计算
FFT — — 快速计算 DFT 的算法,不是另一种变换

5. 最重要的傅里叶变换性质

设 \(x(t)\leftrightarrow X(j\omega)\):

时域操作 频域结果 直觉
\(ax_1+bx_2\) \(aX_1+bX_2\) 线性
\(x(t-t_0)\) \(e^{-j\omega t_0}X(j\omega)\) 延时只增加线性相位
\(x(at)\) $\dfrac1{ a
\(e^{j\omega_0t}x(t)\) \(X(j(\omega-\omega_0))\) 调制搬移频谱
\(dx/dt\) \(j\omega X(j\omega)\) 微分放大高频
\(\int_{-\infty}^t x(\tau)d\tau\) \(X(j\omega)/(j\omega)\),另需注意直流项 积分偏重低频
\(x*h\) \(XH\) 卷积变乘法
\(x(t)h(t)\) \(\dfrac1{2\pi}X*H\) 时域相乘变频域卷积

微分会按 \(|\omega|\) 放大频率分量,所以直接对带噪编码器角度做差分,往往得到非常抖的速度。

Parseval 能量关系

\[ \int_{-\infty}^{\infty}|x(t)|^2dt =\frac1{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}|X(j\omega)|^2d\omega \]

它说明总能量没有消失,只是从时间轴换到了频率轴上表示。


6. 频率响应:系统在频域中的说明书

冲激响应的傅里叶变换就是频率响应:

\[ H(j\omega)=\mathcal F\{h(t)\} \]

由于 \(y=x*h\),有

\[ Y(j\omega)=X(j\omega)H(j\omega) \]

因此每个频率都被独立地乘上一个复数增益。

一阶 RC 低通

\[ H(j\omega)=\frac1{1+j\omega RC} \]

其幅值和相位为

\[ |H(j\omega)|=\frac1{\sqrt{1+(\omega RC)^2}} \]
\[ \angle H(j\omega)=-\arctan(\omega RC) \]

截止角频率 \(\omega_c=1/(RC)\),截止频率 \(f_c=1/(2\pi RC)\)。在截止点:

\[ |H|=\frac1{\sqrt2}\approx0.707 \]

换成分贝:

\[ 20\log_{10}|H|\approx-3.01\ \mathrm{dB} \]

所以截止频率常称为 −3 dB 频率,它不是“到此完全截止”,而是幅值降到 0.707。

常见滤波器

类型 通过 抑制 机器人例子
低通 低频 高频 平滑 IMU/编码器噪声
高通 高频 直流与低频 去除传感器缓慢漂移
带通 某段频带 频带外 提取机械共振或生理信号频段
带阻/陷波 除某窄频段外 某窄频段 抑制 50/60 Hz 工频干扰

滤波存在代价

更强的幅值衰减通常伴随相位滞后和时间延迟。控制回路里不能只看“波形变平滑了”,还必须评估相位裕度和响应速度。

理想砖墙滤波器通常具有无限长、双边的冲激响应,无法被实时、有限资源系统原样实现。工程滤波器只能在过渡带宽、计算量、延迟和衰减之间折中。


7. 本章自测

1. 周期信号与非周期信号的频谱通常有什么区别?

周期信号用傅里叶级数表示,频谱通常是位于整数倍基频处的离散谱线;非周期信号用傅里叶变换表示,频谱通常连续。

2. 为什么微分会放大高频噪声?

因为 \(dx/dt\leftrightarrow j\omega X(j\omega)\),频率越高,幅值乘数 \(|\omega|\) 越大。

3. 一个系统在 20 Hz 处 \(H=0.5e^{-j\pi/4}\)。输入为 \(2\cos(2\pi20t)\) 时,稳态输出是什么?

输出幅值为 \(2\times0.5=1\),相位滞后 \(\pi/4\):\(y(t)=\cos(2\pi20t-\pi/4)\)。

4. −3 dB 是否表示幅值只剩一半?

不是。幅值比约为 \(10^{-3/20}\approx0.708\);功率比才约为一半。

下一步:拉普拉斯变换与传递函数。