傅里叶变换究竟是什么玩意 以及 这些公式究竟是怎么来的 第二章 频率是什么玩意
欧拉发现了这么一个(或者说两个)公式:
通过上下两个公式相加或者相减,我们可以得出cos和sin的复指数表示:
但是问题来了,我们为什么要搞这么复杂,为什么要把实实在在的正弦信号搞成高深难懂的复数(虚数)?
这里为了方便叙述,我只简单说一下:表示成复数只是为了方便一些运算而已。也就是说其实表示成第一章说的一些正弦信号的也是可以的,表示为指数相加也是可以的,但是表示成复数以后,对于一些计算会非常方便,所以以后我们就把信号用一堆复数相加来表示啦。
再来解决第一章的疑问,什么是频率?
按照通俗解释,频率就是一个单位时间段里事件发生次数的多少,例如一个人一分钟眨眼300次,那么他眨眼的频率就是一秒钟5次(好像眼眨得有点快……)。
而对于一个正弦波来说,它是一个周期信号,也就是说它的幅值变化规律是呈周期出现的:
注意坐标轴的横轴是代表时间t,那么它的频率是多少?假设一秒钟出现一个周期,那么它的频率就是1次每秒,假设出现两个周期,那么它的频率就是2次每秒,即一个周期是0.5秒。以后,我们为了严谨性,把“秒”的概念用“单位时间”来表示,即一个时间计数单位,你们也可以为了好理解把一个单位时间当成“1秒”。
但是在三角级数中,又出现了新的概念,即角频率。其实用角频率和频率来表示,就像用复数和正弦来表示信号的分解一样,没有什么特殊的含义,可以理解为“为了方便某些运算”。角频率就可以理解为钟表的指针在单位时间里转过的角度。现在我们的钟表转的速度非常快,比如一秒钟就正好转一圈(即一个周期),而一个周期的角度是2π,它的角频率是多少呢,不就是每秒2π呗?
我们先来思考一下如果一个单位时间的正弦信号是一个周期,那它应该怎么表示?
答案是:
是不是有些奇怪?有些人不禁想问,前面这个2π是哪里来的?大家再思考一下之前的信号进行分解以后,出现的一项: 的周期是多少?大家可以用笔画一下,先画,可以得到,t=0.25的时候,整个周期经过了1/4,t=0.5的时候,正好度过了上半边,而 t=1的时候,正好度过了一个周期。再试一下:t=π的时候度过了一半,t=2π的时候正好度过了整个周期,所以的频率是
那我们应该怎么表示频率和角频率之间的关系?
一半来说,我们希望用1来表示的频率,毕竟变量t前面的系数是1,这样方便思考也方便运算。所以我们使用公式,即ω是角频率,f是频率。
我们可以简单理解为,角频率毕竟和频率之间只是个倍数关系,没什么特别的,只是为了理解方便,所以我们从此以后,在信号领域,我们就全都用频率来代指角频率了!
也就是说,sin(t)的频率我们认为是1,sin(2t)的频率我们认为是2.
而经过通过正弦波合成的信号:例如:
我们就说,这个信号由四种频率构成,也就是1,3,5,7,而信号前面的系数代表的则是这个频率的正弦信号(子信号)在合成这个总的信号的时候它的强度大小,我们记为该频率的幅值。即该总信号的频域表示为:
也就是说,该信号在频率是1和3、5、7的地方不为零,也就是说该信号在这些频域的分量有值,而在其他的地方(包括偶数整数和小数部分)没有值。
频率是傅里叶变换里最难理解的部分,这个理解了,以后其他的知识就会非常容易了。
下一章我们将开启信号的叠加。