Fourier Transform and Power/Phase analysis

傅里叶变换简介[1]

经傅里叶变换生成的函数 ${\hat {f}}$ 称作原函数 $f$ 的傅里叶变换,亦称**频谱**。通常情况下, $f$ 是实数函数,而 ${\hat {f}}$ 则是函数,用一个复数来表示振幅相位

一般情况下,若“傅里叶变换”一词不加任何限定语,则指的是“连续傅里叶变换”(连续函数的傅里叶变换)。定义傅里叶变换有许多不同的方式。本文中采用如下的定义:(连续)傅里叶变换将可积函数 $f:\mathbb {R} \rightarrow \mathbb {C}$ 表示成复指数函数的积分或级数形式。即:
$$
{\hat {f}}(\xi )=\int _{-\infty }^{\infty }f(x)\ e^{-2\pi ix\xi }dx = \int _{-\infty }^{\infty }f(t)\ e^{-2\pi ift }dt
$$

  • $ξ$, $f$为任意实数

自变量x表示时间(以秒为单位),变换变量 $ξ$ 表示频率(以赫兹为单位)。在适当条件下,${\hat {f}}$ 可由逆变换(inverse Fourier transform)由下式确定 $f$:
$$
f(x)=\int _{-\infty }^{\infty }{\hat {f}}(\xi )\ e^{2\pi i\xi x}d\xi
$$

  • $x$ 为任意实数

对于傅里叶系数(Fourier Coefficient)的解释[^Source]:

  • Amplitude spectrum is magnitude of Fourier coefficients
  • Phase spectrum is angle of Fourier coefficients

计算能量与功率[2]

对于信号 $f(t)$ ,其能量 $E$ 的定义为:
$$
E = \lim_{T \rightarrow \infty} \int^{T}_{-T} \lvert{f(t)}\rvert^{2}dt
$$

其功率 P 的定义为:

$$
P = \lim_{T \rightarrow \infty} \frac{1}{2T} \int^{T}_{-T} \lvert{f(t)}\rvert^{2}dt = \frac{E \text{ (Total Energy)}}{\text{Total time}}
$$
可以用物理学中电阻的功率计算来便于理解:

对于电阻R,施加电压$f(t)$,在区间(-∞,+∞)上,其能量 $E$ 就是:
$$
E = \frac{1}{R} \int^{\infty}_{-\infty} \lvert{f(t)}\rvert^{2}dt
$$
在信号处理的过程当中,取R的值为1,即为该信号的能量计算公式。

计算相位

相位简介[3]

相位(英语:Phase)又称位相相角,是描述信号波形变化的度量。

计算

对于傅里叶变换之后的数据(Fourier Coefficient,为一个复数),可以通过求该数据的相位角来获得其相位(Phase)。

在MATLAB中可以使用angle()函数实现:

1
2
3
N = 10; % Length of the sequence
fft_data = fft(data); % 应用快速傅里叶变换
phase = angle(fft_data(1:N/2+1); %计算相位

计算功率谱密度

开始之前需要注意的地方:

  • Two limitations of the Fourier-transform based frequency representation
    1. Changes in frequency structure over time are difficult to visualize
    2. EEG data violate the stationarity assumption of Fourier analysis

PSD简介

Power Spectral Density (PSD): A Power Spectral Density (PSD) is the measure of signal’s power content versus frequency. A PSD is typically used to characterize broadband random signals. The amplitude of the PSD is normalized by the spectral resolution employed to digitize the signal.

谱密度估计 (Spectral density estimation)<span class=”hint–top hint–rounded” aria-label=”Spectral density estimation - Wikipedia

[^Source]: Fourier coefficients - YouTube“>[4]

Many other techniques for spectral estimation have been developed to mitigate the disadvantages of the basic periodogram. These techniques can generally be divided into non-parametric, parametric, and more recently semi-parametric (also called sparse) methods。

1. non-parametric spectral density estimation

Following is a partial list of non-parametric spectral density estimation techniques:

2. parametric spectral density estimation

Below is a partial list of parametric techniques:

Reference


Fourier Transform and Power/Phase analysis
https://zhenyumi.github.io/posts/e62f727a/
作者
向海
发布于
2022年1月17日
许可协议