时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

首先看抽样信号的频谱:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

因此,抽样信号的频谱由于抽样冲击序列频谱的周期性,而被周期拓展了。

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

上图清晰地表明了一个时域连续信号被抽样离散以后,其频谱是如何获得了周期拓展这个过程的。

下面看看频域离散是如何对应时域周期的:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)
时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

图1

上图可以和下图的DTFT对比:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

显然,图1表示在区间[0, 2π]上对x(n)的傅里叶变换X(ejω)的N点等间隔采样。将X(k)看做长度为N的有限长序列xN(n)的DFT,即

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

下面推导序列xN(n)与原序列x(n)之间的关系,并导出频域采样定理:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

将图1代入上式得到:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

由于图1可以表示由已知频谱x(k)倒推时域信号x(n),因此上图的推导过程中,我们可以认为是由已知的频率采样点得出的离散时间序列x(m)与原序列x(n)存在周期关系

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)
时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

上图说明,X(z)在单位圆上的N点等间隔采样X(k)的N点IDFT是原序列x(n)以N为周期的周期延拓序列的主值序列。综上所述,可以总结出频域采样定理:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)
时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

上述推导应用了如下定理:

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

如果序列x(n)的长度为M,则只有当频域采样点数NM时,才有

xN(n)=IDFT[X(k)]=x(n)

即可由频域采样X(k)恢复原序列x(n),否则产生时域混叠现象。

上述频域离散导致时域信号周期性的原因其实就在于

时域频域(时域离散对应频域周期与频域离散对应时域周期)

这个单位圆等间隔取样函数的周期性引起的必然结果。

因此:

1:时域离散导致频域周期的原因在于冲击采样序列函数的频域周期性。

2:频域离散导致时域周期的原因在于单位圆等间隔采样函数的周期性。

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