การแปลงฟูริเยร์แบบไม่ต่อเนื่องของลำดับขั้นตอนของยูนิต


10

จากหนังสือเรียนรู้ว่า DTFT ของ ยู[n] ได้รับจาก

(1)ยู(ω)=πδ(ω)+11-อี-Jω,-πω<π

อย่างไรก็ตามฉันไม่ได้เห็นตำราเรียนของ DSP ที่อย่างน้อยก็แกล้งทำเป็นให้เสียงที่มาไม่มากก็น้อย (1).

Proakis [1] เกิดขึ้นครึ่งขวาของด้านขวามือของ (1) โดยการตั้งค่า Z=อีJω ใน Z- การเปลี่ยนแปลงของ ยู[n]และบอกว่าถูกต้องยกเว้น ω=2πk(ซึ่งแน่นอนว่าถูกต้อง) จากนั้นเขาก็กล่าวว่าที่เสาของZ- เปลี่ยนเราต้องเพิ่มแรงกระตุ้นเดลต้ากับพื้นที่ของ πแต่นั่นดูเหมือนสูตรสำหรับฉันมากกว่าสิ่งอื่นใด

Oppenheim and Schafer [2] พูดถึงในบริบทนี้

แม้ว่ามันจะไม่ตรงไปตรงมาเพื่อแสดงลำดับนี้สามารถแสดงโดยการแปลงฟูริเยร์ต่อไปนี้:

ซึ่งตามด้วยสูตรเทียบเท่ากับ (1). น่าเสียดายที่พวกเขาไม่ได้มีปัญหาในการแสดงให้เราเห็นว่าหลักฐาน "ไม่ตรงไปตรงมา"

หนังสือที่ฉันไม่รู้จริง ๆ แต่ฉันพบเมื่อมองหาหลักฐาน (1)คือการแนะนำการประมวลผลสัญญาณดิจิตอลและการออกแบบตัวกรองโดย BA Shenoi บนหน้า 138มี "มา" ของ(1)แต่น่าเสียดายที่มันผิด ฉันถามคำถาม"DSP-puzzle"เพื่อให้ผู้คนแสดงสิ่งที่ผิดกับการพิสูจน์นั้น]

ดังนั้นคำถามของฉันคือ:

ใครสามารถให้หลักฐาน / มาของ (1)นั่นคือเสียงหรือแม้กระทั่งเข้มงวดในขณะที่สามารถเข้าถึงได้สำหรับวิศวกรมีความโน้มเอียงทางคณิตศาสตร์? ไม่สำคัญว่าจะเพิ่งคัดลอกมาจากหนังสือ ฉันคิดว่ามันคงจะดีถ้ามีไว้ในเว็บไซต์นี้อยู่ดี

โปรดทราบว่าแม้ในmath.SEเกือบไม่มีอะไรที่เกี่ยวข้องที่จะพบ: คำถามนี้มีคำตอบไม่ได้และที่หนึ่งมีสองคำตอบซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นสิ่งที่ผิด (เหมือนกับอาร์กิวเมนต์ Shenoi) และคนอื่น ๆ ใช้คุณสมบัติ "สะสม" ซึ่งฉันจะมีความสุข แต่ก็ต้องพิสูจน์คุณสมบัติซึ่งทำให้คุณกลับไปสู่จุดเริ่มต้น (เพราะหลักฐานทั้งสองพิสูจน์โดยทั่วไปในสิ่งเดียวกัน)

ในฐานะที่เป็นบันทึกสุดท้ายฉันได้มาพร้อมกับหลักฐาน (เช่นฉันเป็นวิศวกร) และฉันจะโพสต์เป็นคำตอบในอีกไม่กี่วันต่อจากนี้ แต่ฉันก็ยินดีที่จะรวบรวมหลักฐานอื่นที่เผยแพร่หรือไม่ได้เผยแพร่ ที่เรียบง่ายและสง่างามและที่สำคัญที่สุดคือสามารถเข้าถึงได้สำหรับวิศวกร DSP

PS: ฉันไม่สงสัยความถูกต้องของ (1)ฉันต้องการเห็นหลักฐานที่ค่อนข้างตรงไปตรงมาหนึ่งหรือหลายข้อ


[1] Proakis, JG และ DG Manolakis, การประมวลผลสัญญาณดิจิตอล: หลักการ, อัลกอริทึมและแอปพลิเคชั่น , รุ่นที่ 3, ส่วน 4.2.8

[2] Oppenheim, AV และ RW Schafer, การประมวลผลสัญญาณแบบไม่ต่อเนื่อง , รุ่นที่ 2, p. 54



แรงบันดาลใจจากความคิดเห็นโดย Marcus Müllerฉันต้องการแสดงให้เห็นว่า ยู(ω) ตามที่กำหนดโดย Eq (1) ตอบสนองความต้องการ

u[n]=u2[n]U(ω)=12π(UU)(ω)

ถ้า U(ω) คือ DTFT ของ u[n]จากนั้น

V(ω)=11ejω

ต้องเป็น DTFT ของ

v[n]=12sign[n]

(ที่เรากำหนด sign[0]=1), เพราะ

V(ω)=U(ω)πδ(ω)u[n]12=12sign[n]

ดังนั้นเราจึงมี

12π(VV)(ω)(12sign[n])2=14

จากการที่มันตามมาว่า

12π(VV)(ω)=DTFT{14}=π2δ(ω)

ด้วยสิ่งนี้เราได้รับ

12π(UU)(ω)=12π[(πδ(ω)+V(ω))(πδ(ω)+V(ω))]=12π[π2δ(ω)+2πV(ω)+(VV)(ω)]=π2δ(ω)+V(ω)+π2δ(ω)=U(ω)q.e.d.

waaah อย่าทำลายโลกของฉัน ข้อสงสัยในสูตรดังกล่าวทำให้เกิดความสับสนวุ่นวาย ตัวอย่างเช่น,u2(t)=u(t)และด้วยเหตุนี้ (ด้วย prefactor นิยาม FT ต่อเนื่องขึ้นอยู่กับ c)
DTFT(u2)(ω)=cU(ω)U(ω)=cπU(ω)+c1+ejωU(ω)=cπ(πδ(ω)+11ejω)+cπ1+ejω+c11+ejω11+ejω=cπ2δ(ω)+2cπ1+ejω+c11+ejω11+ejω=magic?U
Marcus Müller

@ MarcusMüller: ไม่ต้องสงสัยเลยว่าสูตรนั้นถูกต้อง คำถามคือวิธีแสดงให้เห็นในวิธีที่วิศวกรที่มีใจเรียบง่ายสามารถเข้าใจได้ และu2[n]=u[n]ใช้งานได้กับ DTFT ที่กำหนดไม่มีปัญหา
Matt L.

ฉันคิดว่าตัวเองเป็นคนที่เรียบง่ายและนั่นหมายความว่าฉันกังวลเมื่อสิ่งต่าง ๆ ไม่รู้สึก "ปลอดภัย" เมื่อฉันมองไม่เห็นว่ามันมาจากไหน
Marcus Müller

1
ฉันเห็นว่าสิ่งที่คุณตามมาคือเพื่อไม่ให้พิสูจน์ว่าสมการนั้นถูกต้องหรือไม่ แต่จะเป็นการพิสูจน์อย่างจริงจังและโดยตรง มา U(w)จากหลักการและคำจำกัดความแรกของ DTFT จากนั้นเมื่อใดก็ตามที่เราต้องการพิสูจน์หลักฐานที่เกี่ยวข้องกับแรงกระตุ้นฉันคิดว่าควรอ้างถึงหนังสือที่อ้างถึงจากทฤษฎีฟังก์ชันทั่วไป: Lighthill-1958อ้างใน Opp & Schafer สำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับฟังก์ชันแรงกระตุ้นและการใช้ในการแปลงฟูริเยร์ หลักฐานอื่น ๆ ทั้งหมดย่อมจะขึ้นอยู่กับการพิสูจน์ที่อ้างอิงจากการอ้างอิงเหล่านั้นและจะไม่เพียงพอที่จะแทนที่การพิสูจน์ที่เข้มงวด
Fat32

1
@ Fat32: นั่นเป็นมุมมองที่ถูกต้อง อย่างไรก็ตามฉันคิดว่าเป็นไปได้ที่เราจะได้รับการแปลงพื้นฐานเช่นDTFT{1}=2πδ(ω)และถ้าเราพอใจที่จะกำหนดอินทิกรัลโดยค่านิยมหลักของโคชี
Matt L.

คำตอบ:


3

Cedron Dawg โพสต์จุดเริ่มต้นที่น่าสนใจในคำตอบนี้ มันเริ่มต้นด้วยขั้นตอนเหล่านี้:

U(ω)=n=0+ejωn=limNn=0N1ejωn=limN[1ejωN1ejω]=11ejωlimN[ejωN1ejω]

ปรากฎว่าคำที่อยู่ในขีด จำกัดสามารถขยายได้ดังต่อไปนี้ :

ejωN1ejω=1sin2(ω)+(1cos(ω))2[cos(ω)cos(Nω)+cos(Nω)sin(ω)sin(Nω)+j(sin(ω)cos(Nω)+cos(ω)sin(ω)sin(Nω))]

ปัจจัยทั่วไปที่อยู่นอกวงเล็บสามารถแสดงเป็น :

1sin2(ω)+(1cos(ω))2=14sin2(ω/2)

ส่วนที่แท้จริงภายในวงเล็บยังเท่ากับ :

cos(ω)cos(Nω)+cos(Nω)sin(ω)sin(Nω)=2sin(ω/2)sin[ω(N+1/2)]

ในทางตรงกันข้ามส่วนจินตภาพสามารถเขียนใหม่เป็น :

sin(ω)cos(Nω)+cos(ω)sin(ω)sin(Nω)=2sin(ω/2)cos[ω(N+1/2)]

การเขียนคำศัพท์ต้นฉบับใหม่เราจะได้รับ:

ejωN1ejω=2sin(ω2)4sin2(ω2)(sin[ω(N+1/2)]jcos[ω(N+1/2)])=sin[ω(M+1/2)]2sin(ω2)jcos[ω(M+1/2)]2sin(ω2)

ที่ฉันใช้ M=N1 และขีด จำกัด ยังคงไม่ได้รับผลกระทบเหมือน M เช่นกัน

ตามคำจำกัดความที่ 7 ในเว็บไซต์นี้ :

limM12sin(ω/2)sin[ω(M+1/2)]=πδ(ω)

จนถึงตอนนี้เราก็มี:

limMejω(M+1)1ejω=πδ(ω)jlimMcos[ω(M+1/2)]2sin(ω/2)

ถ้าเราสามารถพิสูจน์ได้ว่าคำที่สองทางด้านขวาของความเสมอภาคคือ 0ในบางแง่มุมแล้วเราก็ทำเสร็จแล้ว ฉันถามมันที่ math.SEและแน่นอนว่าลำดับฟังก์ชั่นนั้นมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์การกระจาย ดังนั้นเราจึงมี:

U(ω)=11ejωlimN[ejωN1ejω]=11ejω+πδ(ω)+jlimMcos[ω(M+1/2)]2sin(ω/2)=11ejω+πδ(ω)

นี่เป็นสิ่งที่ดีมาก! ฉันตรวจสอบแล้วและทุกอย่างดูเหมือนจะถูกต้องดังนั้นส่วนจินตภาพต้องมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ในบางแง่มุม ฉันจะคิดเกี่ยวกับมันสักหน่อย
Matt L.

@MattL แจ้งให้เราทราบหากคุณสามารถดำเนินการใด ๆ !
Tendero

@MattL หลักฐานก็เสร็จสมบูรณ์ในที่สุด!
Tendero

การทำงานที่ดี! ฉันพบว่าคำศัพท์โคไซน์มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์เนื่องจาก Riemann-Lebesgue lemma แต่ปัญหาของฉันคือกรณีω=0. เพราะสูตรแรกนั้นขึ้นอยู่กับผลรวมทางเรขาคณิตซึ่งใช้ได้สำหรับเท่านั้นω0. มันใช้งานได้ดี แต่ก็ยังมีข้อบกพร่องเล็กน้อย ฉันมีรากศัพท์อื่นที่ไม่แยกคำ1/(1ejω)ซึ่งในกรณีนี้ ω=0ได้รับการดูแลอย่างระมัดระวังมากขึ้น แต่ก็ยังเป็น "หลักฐานของวิศวกร" ฉันอาจโพสต์เมื่อฉันมีเวลามากขึ้น
แมตต์แอล

2

ฉันจะให้หลักฐานอันง่าย ๆ สองข้อที่ไม่ต้องการความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีการกระจาย สำหรับหลักฐานที่คำนวณ DTFT โดยกระบวนการ จำกัด โดยใช้ผลลัพธ์จากทฤษฎีการกระจายให้ดูคำตอบนี้โดย TenderoTendero

ฉันจะพูดถึง (และไม่อธิบายรายละเอียด) หลักฐานแรกที่นี่เพราะฉันโพสต์มันเป็นคำตอบสำหรับคำถามนี้วัตถุประสงค์ที่จะแสดงให้เห็นว่าหลักฐานที่ตีพิมพ์บางข้อผิดพลาด

หลักฐานอื่นไปดังนี้ ก่อนอื่นเรามาเขียนส่วนคู่ของลำดับขั้นตอนหน่วยu[n]:

(1)ue[n]=12(u[n]+u[n])=12+12δ[n]

DTFT ของ (1) คือ

(2)DTFT{ue[n]}=πδ(ω)+12

ซึ่งเท่ากับส่วนที่แท้จริงของ DTFT ของ u[n]:

(3)UR(ω)=Re{U(ω)}=πδ(ω)+12

ตั้งแต่ u[n] เป็นลำดับที่มีคุณค่าที่เราทำเพราะชิ้นส่วนจริงและจินตภาพของ U(ω) มีความเกี่ยวข้องผ่านการแปลงของฮิลแบร์ตและดังนั้น ยูR(ω) กำหนดเฉพาะ ยู(ω). อย่างไรก็ตามในข้อความ DSP ส่วนใหญ่ความสัมพันธ์ที่แปลงฮิลแบร์ตเหล่านี้ได้มาจากสมการชั่วโมง[n]=ชั่วโมง[n]ยู[n] (ซึ่งใช้ได้สำหรับลำดับเชิงสาเหตุใด ๆ ชั่วโมง[n]) ซึ่งมันตามมานั้น H(ω)=12π(Hยู)(ω). ดังนั้นเพื่อที่จะแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของฮิลแบร์ตความสัมพันธ์ระหว่างส่วนจริงและจินตภาพของ DTFT เราจำเป็นต้องมี DTFT ของยู[n]ซึ่งเราอยากได้มาที่นี่จริงๆ ดังนั้นการพิสูจน์จะกลายเป็นวงกลม นั่นเป็นเหตุผลที่เราจะเลือกวิธีที่แตกต่างเพื่อให้ได้ส่วนจินตภาพของยู(ω).

สำหรับการสืบมา ยูผม(ω)=อิ่ม{ยู(ω)} เราเขียนส่วนที่แปลก ๆ ของ ยู[n] ดังต่อไปนี้:

(4)ยูโอ[n]=12(ยู[n]-ยู[-n])=ยู[n-1]-12+12δ[n]

ถ่าย DTFT ของ (4) จะช่วยให้

Jยูผม(ω)=อี-Jωยู(ω)-πδ(ω)+12=อี-Jω(ยูR(ω)+Jยูผม(ω))-πδ(ω)+12=อี-Jω(πδ(ω)+12)+อี-JωJยูผม(ω)-πδ(ω)+12(5)=12(1+อี-Jω)+อี-JωJยูผม(ω)

ที่ฉันเคยใช้ (3). อีคิว(5) สามารถเขียนเป็น

(6)jUI(ω)(1ejω)=12(1+ejω)

ข้อสรุปที่ถูกต้องจาก (6)คือ (ดูคำตอบนี้สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม)

(7)jUI(ω)=121+ejω1ejω+cδ(ω)

แต่เนื่องจากเรารู้ว่า UI(ω) จะต้องเป็นฟังก์ชันคี่ของ ω (เพราะ u[n] มีมูลค่าจริง) เราสามารถสรุปได้ทันที c=0. ดังนั้นจาก(3) และ (7) ในที่สุดเราก็ได้

U(ω)=UR(ω)+jUI(ω)=πδ(ω)+12+121+ejω1ejω=πδ(ω)+12(1+1+ejω1ejω)(8)=πδ(ω)+11ejω
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.