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頻譜分析方法的優點

發布時間:2023-06-19 08:42:34

A. 系統的時域分析和頻域分析各有什麼優缺點

從開始的系統時域分析,到頻域分析,雖然形式上可能會有些詫異,但是不可否認,他們的思路都是一致的,即將信號分解成一個個的基信號,然後研究系統對於基信號的響應,再將這些所有的基信號的響應疊加,便是系統對於一個完整的復雜信號的響應。

系統時域分析:
1)將信號分解成一個個的沖激函數(注意,是沖激函數,而不是一個個單獨的沖激,函數的定義是在整個的時間域上定義的),因此,只要我們知道了系統對於一個沖激函數的響應函數,我們就能夠求出系統對於整個信號函數的響應函數;
2)時域分析的系統特性,就是由微分方程表示,通過微分方程,我們能夠求得系統的沖激響應,即系統對於沖激函數的響應函數h(t);
3)此時,將完整復雜信號(已經分解好了的信號),通過系統,就好像流水線上加工產品一樣,讓整個信號通過,然後對每一個沖激函數進行加工,並且對於不同的沖激函數,做不同的個性化加工,這里的個性化加工,就是根據沖激函數中的沖激在時間軸上位置,如果沖激在時間軸上0點左邊t0的位置上,並且沖激的幅值是a,那麼對應的加工結果就是個性化了的沖激函數的響應函數a*h(t+t0),對每個分解的基信號(即沖激函數)都做了這樣的個性化加工以後,再將所有的加工結果相加,最終得到我們想要的系統對於整個信號的響應。這就是我們所說的卷積的過程,即y(t)=cov[f(t),h(t)]。

系統頻域分析:
開始已經說過,系統的頻域分析跟系統的時域分析如出一轍,甚至更為簡單方便,這也就是為什麼我們更願意通過頻域分析信號系統的原因,還有一個原因就是通過頻域分析系統在物理上更為直觀,我們很容易通過頻域看出,系統對信號做了怎樣的手腳(具體來說,就是,系統對信號各個頻率分量做了怎樣的處理)。
1)將信號分解成一個個不同頻率的虛指數信號函數(注意,這里也是函數,擁有完整的時域軸),因此,只要我們知道了系統對於一個虛指數信號函數的響應函數,我們就能夠求出系統對於整個信號的響應;
2)我們將表示系統特性的微分方程,通過將輸入定義為虛指數洗好函數,驚訝的發現,系統的輸出形式任然是虛指數信號函數,只不過多了一個加權值,這個加權值就是系統沖激響應h(t)的傅里葉變換H(jw)在這個虛指數信號函數(關於t的函數)對應頻率w0的值。說頻域處理比時域處理更簡潔,是因為,時域處理每個沖激函數時是用更為復雜的h(t)的平移並且加權來代替一個那麼簡單的沖激函數;而在頻域,處理每一個固定頻率的虛指數信號函數的時候,只是對其進行簡單的加權即可,相當於對流水線上的每一個固定頻率的產品加了一個外包裝就好了;
3)然後就是對流水線上的每個虛指數信號函數處理了;

4)最後將這些處理的結果,通過系統的LTI特性(即平均性和疊加性),相加即可。

5)結果的到了,我們仔細觀察,還可以發現,結果的形式直接就是輸出信號的分解,分解成了虛指數信號函數的疊加。而這樣的形式,剛好就表示了輸出y(t)跟其傅里葉變換對的對應關系,其實物理含義就是,這其中的F(jw)H(jw)就是輸出信號的頻譜Y(jw)。

通過系統的頻域分析,我們很容易從系統的頻響函數H(jw)知道系統對於不同的頻率基信號做了何種處理。

最後用最簡單的語言,說明系統頻域分析的本質:
F(jw)是原本信號各個頻率虛指數信號函數(基信號)的加權值,當通過系統的流水線處理時,系統給其各個頻率虛指數信號函數(基信號)又進行了加工,即又乘以了一個加權值(也就是想要哪個頻率的虛指數信號函數,就將其乘以一個好的數,要是不喜歡就乘以0,或者稍微大點),這樣輸出結果,即系統響應的就是各個頻率的虛指數信號函數的加權信號的疊加。而把這個加權值得疊加抽離出來,就是輸出信號的頻譜,即Y(jw)=F(jw)H(jw).

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