stringtranslate.com

Частотная область

Преобразование Фурье преобразует представление функции во временной области, показанное красным, в представление функции в частотной области, показанное синим. Частоты компонентов, распределенные по спектру частот, представлены в виде пиков в частотной области.

В математике , физике , электронике , проектировании систем управления и статистике частотная область относится к анализу математических функций или сигналов относительно частоты (и, возможно, фазы), а не времени, как во временных рядах . [1] Проще говоря, график временной области показывает, как сигнал изменяется с течением времени, тогда как график частотной области показывает, как сигнал распределяется в различных частотных диапазонах в диапазоне частот. Комплексное представление частотной области состоит как из величины, так и из фазы набора синусоид ( или других базисных форм волн) в частотных компонентах сигнала. Хотя принято называть часть величины (частотную область с действительным значением) частотной характеристикой сигнала, фазовая часть необходима для однозначного определения сигнала.

Заданная функция или сигнал могут быть преобразованы между временной и частотной областями с помощью пары математических операторов, называемых преобразованиями . Примером является преобразование Фурье , которое преобразует временную функцию в комплексную сумму или интеграл синусоидальных волн разных частот с амплитудами и фазами, каждая из которых представляет собой частотную составляющую. « Спектр » частотных составляющих является представлением сигнала в частотной области. Обратное преобразование Фурье преобразует функцию частотной области обратно в функцию временной области. Анализатор спектра — это инструмент, обычно используемый для визуализации электронных сигналов в частотной области.

Представление в частотной области может описывать либо статическую функцию, либо определенный временной период динамической функции (сигнала или системы). Частотное преобразование динамической функции выполняется в течение конечного периода времени этой функции и предполагает, что функция повторяется бесконечно за пределами этого периода времени. Некоторые специализированные методы обработки сигналов для динамических функций используют преобразования, которые приводят к совместной частотно-временной области , при этом мгновенная частотная характеристика является ключевым звеном между временной областью и частотной областью.

Преимущества

Одной из основных причин использования представления проблемы в частотной области является упрощение математического анализа. Для математических систем, управляемых линейными дифференциальными уравнениями , очень важного класса систем с множеством реальных приложений, преобразование описания системы из временной области в частотную область преобразует дифференциальные уравнения в алгебраические уравнения , которые гораздо проще решать.

Кроме того, рассмотрение системы с точки зрения частоты часто может дать интуитивное понимание качественного поведения системы, и для ее описания была разработана показательная научная номенклатура, характеризующая поведение физических систем в ответ на изменяющиеся во времени входные сигналы с использованием таких терминов, как полоса пропускания , частотная характеристика , усиление , фазовый сдвиг , резонансные частоты , постоянная времени , ширина резонанса , коэффициент затухания , добротность , гармоники , спектр , спектральная плотность мощности , собственные значения , полюса и нули .

Примером области, в которой частотный анализ дает лучшее понимание, чем временной, является музыка ; теория работы музыкальных инструментов и музыкальная нотация, используемая для записи и обсуждения музыкальных произведений, неявно основана на разложении сложных звуков на их отдельные составляющие частоты ( музыкальные ноты ).

Величина и фаза

При использовании преобразований Лапласа , Z- или Фурье сигнал описывается сложной функцией частоты: компонент сигнала на любой заданной частоте задается комплексным числом . Модуль числа — это амплитуда этого компонента, а аргумент — относительная фаза волны. Например, используя преобразование Фурье , звуковую волну , такую ​​как человеческая речь, можно разбить на составляющие ее тоны разных частот, каждая из которых представлена ​​синусоидой разной амплитуды и фазы. Реакция системы как функция частоты также может быть описана сложной функцией. Во многих приложениях информация о фазе не важна. Отбрасывая информацию о фазе, можно упростить информацию в представлении частотной области для генерации частотного спектра или спектральной плотности . Анализатор спектра — это устройство, которое отображает спектр, в то время как сигнал во временной области можно увидеть на осциллографе .

Типы

Хотя о " частотной области " говорят в единственном числе, существует ряд различных математических преобразований, которые используются для анализа функций временной области и называются методами "частотной области". Это наиболее распространенные преобразования и области, в которых они используются:

В более общем плане можно говорить одомен преобразования относительно любого преобразования. Вышеуказанные преобразования можно интерпретировать как захват некоторой формы частоты, и, следовательно, домен преобразования называется частотным доменом.

Дискретная частотная область

Дискретная частотная область — это частотная область, которая является дискретной , а не непрерывной . Например, дискретное преобразование Фурье отображает функцию, имеющую дискретную временную область, в функцию, имеющую дискретную частотную область. С другой стороны, дискретно-временное преобразование Фурье отображает функции с дискретным временем ( сигналы с дискретным временем ) в функции, имеющие непрерывную частотную область. [2] [3]

Периодический сигнал имеет энергию только на базовой частоте и ее гармониках; таким образом, его можно анализировать с помощью дискретной частотной области. Дискретный по времени сигнал порождает периодический частотный спектр. В ситуации, когда имеют место оба эти условия, сигнал, который является дискретным и периодическим, приводит к частотному спектру, который также является дискретным и периодическим; это обычный контекст для дискретного преобразования Фурье .

История термина

Термины «частотная область» и « временная область » начали использоваться в технике связи в 1950-х и начале 1960-х годов, а термин «частотная область» появился в 1953 году . [4] Подробности см. в разделе «временная область: происхождение термина ». [5]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Бротон, С.А.; Брайан, К. (2008). Дискретный анализ Фурье и вейвлеты: приложения к обработке сигналов и изображений . Нью-Йорк: Wiley . стр. 72.
  2. ^ C. Britton Rorabaugh (1998). DSP primer. McGraw-Hill Professional. стр. 153. ISBN 978-0-07-054004-0.
  3. ^ Шанбао Тонг и Нитиш Вьомеш Такор (2009). Количественные методы анализа ЭЭГ и их клиническое применение. Artech House. стр. 53. ISBN 978-1-59693-204-3.
  4. ^ Заде, LA (1953), «Теория фильтрации», Журнал Общества промышленной и прикладной математики , 1 : 35–51, doi :10.1137/0101003
  5. Самые ранние известные случаи использования некоторых слов из области математики (T), Джефф Миллер, 25 марта 2009 г.

Goldshleger, N., Shamir, O., Basson, U., Zaady, E. (2019). Метод частотной области электромагнитного излучения (FDEM) как инструмент для изучения загрязнения в подпочвенном слое. Geoscience 9 (9), 382.

Дальнейшее чтение