第三次翻转课堂草稿

思考题

(1) 为什么信号的通信速度和占有的频带宽度是互相矛盾的?

由尺度变换, 若 f(t)↔F(ω), 则 ∀0≠a∈R, 有

f(at)↔1|a|F(ωa),

以 a>0 为例.

一方面, 为了提高通信速度, 需要增加单位时间内传输的脉冲数, 因此需要压缩脉冲信号的宽度, 即增大上式中的 a.

另一方面, 为了减小占有的频带宽度, 需要增大 1a, 即减小 a.

进一步, 可以参考 3b1b 的这期视频:

【官方双语】直观看待不确定性原理:不只是量子现象哦哔哩哔哩bilibili.

(2) 信号发生时移后,其频谱如何变化?

若 f(t)↔F(ω), 则 f(t−t0)↔F(ω)e−jωt0.

即正向 (向右) 时移 t0, 对应频谱在复平面上顺时针旋转 ωt0.

对于实信号, 将频谱密度函数改写为 F(ω)=|F(ω)|ejφ(ω), 于是

f(t−t0)↔|F(ω)|ej(φ(ω)−ωt0),

即幅度频谱不变, 相位频谱减小 ωt0.

(3) 如何利用频移特性实现信号的频谱搬移?

频谱搬移即将低频调制信号 f(t) 搬移到高频载波 cos⁡(ω0t) 的频率附近.

调制信号 f(t) 可展开为傅里叶级数, 于是只需考虑正弦函数的情况.

为了实现正弦函数的调频, 可以用另一正弦函数与之相乘, 由积化和差即得.

由此思路, 我们只需要考虑 f(t)cos⁡(ω0t) 和 f(t)sin⁡(ω0t),

其中正弦可利用欧拉公式改写为指数形式, 从而由频移特性得到其频谱.

具体来说:

  1. f(t)cos⁡ω0t↔12[F(ω+ω0)+F(ω−ω0)].

  2. f(t)sin⁡ω0t↔j2[F(ω+ω0)−F(ω−ω0)].

(4) 对信号进行微分运算后,其频谱如何变化?

由实信号的微分性质: f′(t)↔jωF(ω),

即频谱密度函数逆时针旋转 90∘ 后缩放为原来 ω 倍.

上式又可表达为 f′(t)↔ω|F(ω)|ej(φ(ω)+π2),

于是低频分量幅度减小, 高频分量幅度增加, 并且相位增加 π2.

(5)如何理解信号的时域卷积定理和频域卷积定理?

时域卷积同构于频域乘法.

证明

  1. 映射: F:f(t)↦F(ω).

  2. 一对一: F[f(t)]=F[g(t)]⇒f(t)=g(t).

  3. 映上的: ∀F(ω),∃f(t)=F−1[F(ω)](t):F[f(t)](ω)=F(ω).

  4. O.P. 性: F[f(t)⋅g(t)](ω)=F[f(t)](ω)∗F[g(t)](ω).

证毕.

而频域卷积不同构于时域乘法, 但也可以用于化简运算.

多次应用对称性质, 频域卷积也只是时域卷积的推论.

 

练习题

  1. 由 f(at−b)↔1|a|F(ωa)e−jωba, 得

f(2t−5)↔Eτ2Sa(ωτ4)e−52jω.
  1. 若图中信号为 f(t)=Sa(π(t−1)), 则由 Sa(t)↔πI{−1<ω<1}, 得

Sa(π(t−1))↔e−jωI{−π<ω<π}.
  1. 由频域卷积定理, f1(t)f2(t)↔12πF1(ω)∗F2(ω), 有

(t−2)f(t)↔12πF[t−2](ω)∗F(ω)=e−2jω2πF[t](ω)∗F(ω)=je−2jωδ′(ω)∗F(ω)=(jδ′(ω)−2δ(ω))∗F(ω)=jF′(ω)−2F(ω).

其中 t 的傅里叶变换, 由 1↔2πδ(ω) 和 tnf(t)↔jnF(n)(ω) 给出.

  1. 由 Gτ(t)↔τSa(ωτ2) 和积分性质 ∫−∞tf(τ)dτ↔F(ω)jω+πF(0)δ(ω) 得

∫−∞tGτ(t)dt↔τjωSa(ωτ2)+πτδ(ω).
  1. 由定义,

F[f(t)](ω)=∫−∞+∞δ′(t−1)e−jωt−3(t−1)dt=(jω+3)e−jω,

题目中的符号是混乱邪恶的, 混乱体现在正斜体不分, 邪恶体现在定义不统一.

  1. 记 f(t)↔F(ω), 则由频移与时移性质知

ej4tf(t−2)↔F(ω−4)e−j2(ω−4).
  1. 由对称性质, 1πt↔−jsgn(ω).

    由微分性质, f′(t)↔jωF(ω).

    由卷积定理, y(t)↔ωsgn(ω)F(ω).

  1. 由 x″(t)=δ′(t+2)+δ(t+2)−2δ(t)+δ(t−2)−δ′(t−2), 得

F[x″(t)](ω)=jωe2jω+e2jω−2+e−2jω−jωe−2jω,

于是由时域积分性质 (注意不是微分性质),

F[x′(t)](ω)=e2jω−e−2jω+e2jω+e−2jω−2jω,F[x(t)](ω)=2ωsin⁡2ω+2cos⁡2ω−2j2ω2=4Saω(Saω+cos⁡ω)=4Sa2ω+4Sa2ω.

随手化简, 没想到还挺简洁.

 

上述练习题的代码

  1. 注意到 f(t)=EGτ(t)=E2[u(τ2−t)+u(τ2+t)],

  1. 下述代码的结果中, 注意到 I{−π<ω<π}=G2π(t)=sgn(π−ω)+sgn(π+ω)2.

  1. 我们只需要算 F[t−2](ω).

  1. 计算 F[f(t)](ω).

  1. 用卷积定理后再用软件求解:

  1. 注意 HeavisidePi[t] 和 HeavisideLambda[t] 图像上的区别.