傅利葉入門 動手演示波形疊加

2021-09-06 03:58:08 字數 2617 閱讀 4123

記得以前有門課程,有這麼乙個說法:任何週期函式,都可以看作是不同振幅,不同相位正弦波的疊加。

咳咳。。。

舉個栗子,某函式有如下圖示形狀:

可以由多個形狀如下的波形疊加合成。

咋一看,一想,不合理呀,一種彎曲豐滿的的曲線怎麼會合成橫平豎直的直線呢?多個曲線相加莫非就是變高、變寬、變陡或變緩,也不至於平了吧。小學老師告訴我乙隻羊加乙隻羊等於兩隻羊,我信了,但是現在告訴我兩隻美羊羊加3只懶羊羊等於熊大,我不信!

這是我開始的想法,估計大家也是有和我一樣的想法。

當今美顏相機、聲音控制、變音、影象識別等對大家都不陌生了,這些處理、聲音處理等技術,或多或少用到了一種叫做傅利葉變換的東東。想想這是以前課堂裡東西呀,情不自禁回憶以前的學校生涯,課堂經常玩手機,懶,學的差,混得low。黑板前那不厭其煩的講課,說的雖然是漢語但聽得比巴基斯坦語還艱難的老師,現在深刻體會到他寫的每一行字,說的每一句話都是對的。

出來混,早晚都要還的。想把以前忽略過的東西溫習一遍,就當是一次回憶了,順便練練手,說不定哪天又用到了。

額嗬。。。咳咳。。。以上是無關緊要的敘事。

回到剛開始的問題,在書本上有這麼乙個公式:

什麼意思尼?

用開局第乙個圖的矩形波為例,這個時域波形有 n=200個訊號點。

結合上面公式得出通俗的表達:

200個點組成的矩形波=101個點組成的cos曲線的疊加+101個點組成的sin曲線疊加。

接下我們就開始以輕鬆愉快的方式來驗證這個問題。

怎麼個輕鬆法,比如當成這是乙個是真的嗎的題目,節目開始:

我們開始來討論這個是真的嗎的問題。

要求得這些曲線還需要乙個公式:

這個公式簡單理解就是求得每個曲線的振幅。

不同的曲線有不同的振幅,這些曲線就像是聲音,不同振幅和不同的頻率的聲音構成動聽的樂章,只是本文的樂章是乙個矩形。

做飯的鍋,灶已經準備好, 開始炒菜了。

先來把 cos 曲線下鍋。(cos 部分在書本裡被稱為實部)

《下面合成動態圖中:綠色代表cos曲線, 藍色代表上次合成後的線, 紅色代表本次疊加結果的線》

開始先用慢火,看先前10 條線合成的過程:

(⊙o⊙)… 是慢慢有點有矩形的樣子,但是還是不夠像,這菜還不夠熟,接下來就火力全開,讓子彈飛一會兒。

準備!action!

101 個曲線能合成:

是不是有點驚訝!肉眼很難看出和矩形的差別了。現在僅是101 條線,你想想如果是無窮個相加那不就是90度的直角了嗎。

只要肯努力,彎的都能掰直。真的不是我亂說的,而是有依據的。

細心的人可能會發現有很多y=0的直線,這不是我濫竽充數隨便加的,而是公式求出來的振幅就是0。 還有開篇第一圖中間部分訊號值是200, 怎麼曲線疊加之後是50了,這我也真不知道了,我按照書本做就是這樣的結果,如果你知道那就告訴我唄。  

書本上告訴我們這些曲線構成了該訊號的頻域。 什麼?你問我畫出來是什麼樣子。

還是先來看剛才前10條曲線的頻譜圖:

這個圖和大家學過的書本上的圖很類似,感覺像是體育課上從高到低排列隊伍的樣子。

還是看不懂?

我開始也是看不懂這個圖和前面10條曲線有什麼關係, 後來知道變通了,原來這個圖是旋轉而來的。

怎麼轉,如下:

旋轉結束後,每條曲線的振幅值對應上面的小圓點的值。

全部的101個曲線組成的頻譜圖如下:

這個看著像啥尼,好像啥也不像 ̄□ ̄||

上面的cos 部分的曲線疊加就說完了。

認真的同學提到了還有sin 部分(在書本上也叫虛部)的曲線沒有說。

sin 部分不再細講,只展示結果,其疊加結果如下圖:

我也看不出這個有什麼作用,好像可有可無,無非和前面實部疊加成的矩形波加起來稍微一點更像矩形。

它的頻譜圖尼是這樣子的:

最後。宣布本期節目的問題: 多個正弦波可以疊加成矩形波。 是真的嗎?

答案: 是真的!!!

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