§3.02周期信號的頻譜分析——傅里葉級數(shù)

1、授課方式：理論課授課方式：理論課 教學(xué)方法：講授教學(xué)方法：講授 教學(xué)內(nèi)容：周期信號傅里葉級數(shù)分析教學(xué)內(nèi)容：周期信號傅里葉級數(shù)分析 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù) 頻譜圖頻譜圖 X 主要內(nèi)容 三角函數(shù)形式的傅氏級數(shù)三角函數(shù)形式的傅氏級數(shù) 指數(shù)函數(shù)形式的傅氏級數(shù)指數(shù)函數(shù)形式的傅氏級數(shù) 兩種傅氏級數(shù)的關(guān)系兩種傅氏級數(shù)的關(guān)系 頻譜圖頻譜圖 函數(shù)的對稱性與傅里葉級數(shù)的關(guān)系函數(shù)的對稱性與傅里葉級數(shù)的關(guān)系 周期信號的功率周期信號的功率 傅里葉有限級數(shù)與最小方均誤差傅里葉有限級數(shù)與最小方均誤差 X 一三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù) tntn 11 sin,cos 是

2、一個完備的正交函數(shù)集是一個完備的正交函數(shù)集 t在一個周期內(nèi)，在一個周期內(nèi)，n=0,1,. 0sincos 2 2 11 T T tmtn nm nm T tmtn T T , 0 , 2 coscos 2 2 11 nm nm T tmtn T T , 0 , 2 sinsin 2 2 11 由積分可知由積分可知 1.三角函數(shù)集 X 1 11 2 , , T Ttf 基波角頻率為基波角頻率為周期為周期為周期信號周期信號 在滿足在滿足狄氏條件狄氏條件時，可展成時，可展成 1 sincos)( 1 110 n nn tnbtnaatf 直流分量直流分量 Tt t ttf T a 0 0 d)( 1

3、 0 余弦分量的幅度余弦分量的幅度 Tt t n ttntf T a 0 0 dcos)( 2 1 正弦分量的幅度正弦分量的幅度 Tt t n ttntf T b 0 0 dsin)( 2 1 稱為三角形式的傅里葉級數(shù)，其系數(shù)稱為三角形式的傅里葉級數(shù)，其系數(shù) 2級數(shù)形式 X 其他形式 00 ac 22 nnn bac n n n a b arctan nnn ca cos nnn cb sin 余弦形式余弦形式 正弦形式正弦形式 00 ad n n n a b arctan nnn da sin nnn db cos 1 10 sin)( n nn tnddtf 22 nnn bad 2 co

4、s)( 1 10 n nn tncctf X 關(guān)系曲線稱為幅度頻譜圖；關(guān)系曲線稱為幅度頻譜圖； 關(guān)系曲線稱為相位頻譜圖。關(guān)系曲線稱為相位頻譜圖。 可畫出可畫出頻譜圖。頻譜圖。 周期信號頻譜具有周期信號頻譜具有離散性、諧波性、收斂性離散性、諧波性、收斂性 。 n c n 幅度頻率特性和相位頻率特性 的線性組合。的線性組合?；ń穷l率的整數(shù)倍）基波角頻率的整數(shù)倍）（ ）和各次諧波）和各次諧波，基波（，基波（周期信號可分解為直流周期信號可分解為直流 : 1 1 n X 二指數(shù)函數(shù)形式的傅里葉級數(shù) 1 1復(fù)指數(shù)正交函數(shù)集復(fù)指數(shù)正交函數(shù)集 2, 1, 0 e 1 j n tn 2 2級數(shù)形式級數(shù)形式 3

5、 3系數(shù)系數(shù) 1 11 1 1 0 jj 0 j 1 dee de)( )( T tntn T tn t ttf nF 4 e)()( 1 j 1 tn n nFtf 5 de )( 11 1 0 j T tn ttf T 利用利用復(fù)變函數(shù)的正交特性復(fù)變函數(shù)的正交特性 n F 也可寫為也可寫為 X 說明 變換對。變換對。 式是一對式是一對、惟一確定，惟一確定，則，則如給出如給出)5()4()( 1 tfnF 的線性組合。的線性組合。 區(qū)間上的指數(shù)信號區(qū)間上的指數(shù)信號周期信號可分解為周期信號可分解為 tn 1 j e, 4 e)()( 1 j 1 tn n nFtf 5 de)( 11 1 0

6、j 1 T tn ttf T nF X 三兩種系數(shù)之間的關(guān)系及頻譜圖 T tn ttf T nF 0 j 1 de )( 1 )( 1 TT ttntf T ttntf T 0 1 0 1 dsin)( 1 jdcos)( 1 nn baj 2 1 TT ttntf T ttntf T nF 0 1 0 11 dsin)( 1 jdcos)( 1 )( nn baj 2 1 n nFnF j 11 e)( 是是復(fù)復(fù)數(shù)數(shù))(),( 11 nFnF X nnn cbanF 2 1 2 1 )( 22 1 相頻特性相頻特性 n n n a b arctan 幅頻特性和相頻特性 幅頻特性幅頻特性 的的

7、奇奇函函數(shù)數(shù)關(guān)關(guān)于于 的的偶偶函函數(shù)數(shù)關(guān)關(guān)于于 取取正正值值）的的奇奇函函數(shù)數(shù)（實實際際關(guān)關(guān)于于 取取正正值值）的的偶偶函函數(shù)數(shù)（實實際際關(guān)關(guān)于于 )( 1 1 n nF nb na n n X 1 1 3 n c 0 c 1 c 3 c O 1 1 3 n O 頻譜圖 幅度頻譜幅度頻譜 相位頻譜相位頻譜 離散譜，譜線離散譜，譜線 曲線曲線 或或 n n F c 曲線曲線 n X 四總結(jié) （1）周期信號周期信號f(t)的傅里葉級數(shù)有兩種形式的傅里葉級數(shù)有兩種形式 （3）周期信號的頻譜是離散譜，三個性質(zhì)周期信號的頻譜是離散譜，三個性質(zhì) （2）兩種頻譜圖的關(guān)系兩種頻譜圖的關(guān)系 （4）引入負(fù)頻率引入

8、負(fù)頻率 X (1)周期信號f(t)的傅里葉級數(shù)有兩種形式 = 1 10 )cos( n nn tncc 三角形式三角形式 指數(shù)形式指數(shù)形式 1 110 sincos)( n nn tnbtnaatf tn n nFtf 1 j 1 e)()( X 0001 0 2 1 )(acFncnF n (2)兩種頻譜圖的關(guān)系 )()( 11 nn 相相位位頻頻譜譜為為奇奇函函數(shù)數(shù) nn c，三角函數(shù)形式：三角函數(shù)形式：單邊頻譜單邊頻譜 nn F，指數(shù)函數(shù)形式：指數(shù)函數(shù)形式：雙邊頻譜雙邊頻譜 關(guān)系關(guān)系 )()( 11 nFnF 偶偶函函數(shù)數(shù)指指數(shù)數(shù)形形式式的的幅幅度度頻頻譜譜為為 X (3)三個性質(zhì) 的譜

9、線唯一的譜線唯一惟一性：惟一性： 處處現(xiàn)在現(xiàn)在（離散性），頻率只出（離散性），頻率只出諧波性：諧波性： 收斂性：收斂性： )( , 1 1 tf n nFn (4)引入負(fù)頻率 對對于于雙雙邊邊頻頻譜譜，負(fù)負(fù)頻頻率率 )( 1 n ，只只有有數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)意意義義，而而無無 物物理理意意義義。為為什什么么引引入入負(fù)負(fù)頻頻率率? ? 的實函數(shù)的性質(zhì)不變。的實函數(shù)的性質(zhì)不變。，才能保證，才能保證和和 數(shù)，必須有共軛對數(shù)，必須有共軛對是實函數(shù)，分解成虛指是實函數(shù)，分解成虛指 )(ee 11 jj tf tf nn 注意：注意：沖激函數(shù)序列的頻譜不滿足收斂性沖激函數(shù)序列的頻譜不滿足收斂性 X 五函數(shù)的對稱性與

10、傅里葉級數(shù)的關(guān)系 偶函數(shù)偶函數(shù) 奇函數(shù)奇函數(shù) 奇諧函數(shù)奇諧函數(shù) 偶諧函數(shù)偶諧函數(shù) 注：指交流分量注：指交流分量 X 1偶函數(shù) 為實函數(shù)。為實函數(shù)。 項。項。項，只含直流項和余弦項，只含直流項和余弦傅里葉級數(shù)中不含正弦傅里葉級數(shù)中不含正弦 )( 1 nF 信號波形相對于縱軸是對稱的信號波形相對于縱軸是對稱的 )()(tftf )(tf Ot T E T 0 n b 2 0 1 0dcos)( 4 T n ttntf T a nnnn abanFF 2 1 j 2 1 )( 1 0 n X 2奇函數(shù) )()(tftf 對稱的：對稱的：波形相對于縱坐標(biāo)是反波形相對于縱坐標(biāo)是反 )(tf OtTT 1

11、 1 為虛函數(shù)。為虛函數(shù)。量，量，傅里葉級數(shù)中無余弦分傅里葉級數(shù)中無余弦分)( 1 nF 0= d)( 1 2 2 0 T T ttf T a 0dcos)( 2 2 2 1 T Tn ttntf T a T n ttntf T b 0 1 dsin)( 2 nnnn bbanFFj 2 1 j 2 1 )( 1 2 0 1 0dsin)( 4 T ttntf T X 0 6 , 4 , 2 nn ban時時 3奇諧函數(shù) 2 0 1 dcos)( 4 5 , 3 , 1 T n ttntf T an 時時 2 0 1 dsin)( 4 T n ttntf T b f(t)的傅氏級數(shù)偶次諧波為零

12、，即的傅氏級數(shù)偶次諧波為零，即 )(tf OtTT 2 T 2 )( T tftf 若波形沿時間軸平移半個周若波形沿時間軸平移半個周 期并相對于該軸上下反轉(zhuǎn)，期并相對于該軸上下反轉(zhuǎn)， 此時波形并不發(fā)生變化：此時波形并不發(fā)生變化： 0 0 a X 2 1 T tftf 1 1 2 T 4偶諧函數(shù) 2 0 1 1 1 dsin)( 4 T n ttntf T b 0 5 , 3 , 1 nn ban時時當(dāng)當(dāng) 2 0 1 1 1 dcos)( 4 6 , 4 , 2 T n ttntf T an 時時當(dāng)當(dāng) f(t)的傅氏級數(shù)奇次諧波為零，只有偶次諧波分量的傅氏級數(shù)奇次諧波為零，只有偶次諧波分量 )(

13、tf Ot 1 T 1 T 2 1 T 2 1 T 稱為偶諧函數(shù)。稱為偶諧函數(shù)。 與原波形重合，與原波形重合，波形移動波形移動 2 1 T X 六周期信號的功率 這是這是帕塞瓦爾定理帕塞瓦爾定理在傅里葉級數(shù)情況下的具體體現(xiàn)在傅里葉級數(shù)情況下的具體體現(xiàn); ; 表明：表明： 周期信號平均功率周期信號平均功率= =直流、基波及各次諧波分直流、基波及各次諧波分 量有效值的平方和；量有效值的平方和； 也就是說，也就是說，時域和頻域的能量是守恒時域和頻域的能量是守恒的。的。 繪成的線狀圖形，表示繪成的線狀圖形，表示 各次諧波的平均功各次諧波的平均功 率隨頻率分布的情況，稱為率隨頻率分布的情況，稱為功率譜系數(shù)功率譜系數(shù)。 2 n F n n n n n nn Fcabaa 2 1 22 0 1 222 0 2 1 2 1 T ttf T P 0