傅里叶变换在信号处理,热了学,声学中随处可见他的身影,但都是以复杂的数学推导得出。本篇以通俗的方式向广大爱好者展现出傅里叶变换的意义与乐趣。

我们从圆的转动频率不同的思路出发,将时域信号分离出来,得到傅里叶变换最直观的结果。

如图:是一个固定周期信号波,频率是3Hz,我们把这个波形缠绕在一个旋转的圆周上(形如花瓣)。箭头指的是同一时刻,圆与信号波的对应位置

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(1)

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(2)

原始信号波的固定频率是:3Hz。但圆的旋转频率可以变化,如0.5圈/秒时,圆上就分布了6个花瓣,3圈/秒时,每圈上只有一个花瓣,所以圆旋转的越快,上面围绕的花瓣越少,旋转的越慢,上面围绕的花瓣越多(圆旋转时要和原始信号波形时间同步,一致)。

所以圆的旋转频率决定了它周围花瓣的数量,这就隐含了频域的信息。

如图因旋转频率不一样,所以花瓣时而增加,时而减少。

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(3)

当圆以3圈/秒旋转时,波的信号频率是3个周期/秒。所以每圈只有一个花瓣(一个周期波)与之对应

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(4)

我们现在来求文章开头提到的箭头向量在圆的每个频率下的平均值(可以理解为频率下的振幅),因波有波谷和波峰,围绕在圆上,向量有正负之分,圆上每圈围绕的花瓣越多,平均值越小,并在圆心附近来回浮动。这个平均值也可以理解为花瓣的质心。建立振幅(质心)与频率的坐标系

如图开始是时因频率为0,箭头指向最大值,振幅(质心)最大,

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(5)

随着旋转频率增加,花瓣数减少。平均值趋于圆心,振幅(质心)最小

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(6)

但在3圈/秒(与信号周期相同)时,因每圈只有一个花瓣所以振幅(质心)平均值增加,出现尖峰。

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(7)

频率大于3圈/秒后,因脱离了波峰,所以振幅(质心)有趋近于圆心位置

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(8)

当我们移动信号波的对称轴到0的位置时,就只剩下频率3圈/秒位置振幅(质心)最大。花瓣就变成如下的样式

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(9)

如下是信号频率:2个周期/秒,同理在圆旋转频率为2的位置出现凸起,尖峰。

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(10)

当我们将上述的2Hz和3Hz叠加时就变成了如下样式,在振幅与频率的坐标系上,只有在2和3的位置出现的凸起尖峰。这个结论非常重要。

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(11)

将时域转换到频域时,其余位置均为0,有异常的位置出现尖峰。这就是傅里叶变换的本质,

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(12)

如下一个含有噪声的信号,经过傅里叶变换后,就显现出来,出现尖峰。

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(13)

傅立叶变换把原有频率从一团糟的信号里分离出来,将时域无法解决的问题转换的频域,就轻而易举的解决了。

傅里叶变换的三种不同角度(变换的真谛傅里叶变换)(14)

上述就是对傅里叶变换简单直观的描述,下一篇讨论如何得到傅里叶变换公式。

声明:本篇所用的图片取自国外数学家所做的视频,小编经过全部整合汇入自己的见解用最通俗的语言与大家一起分享。

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