离散时间和频率的一侧波形?

信息处理 离散信号 自由度 因果关系
2022-02-18 12:19:23

考虑一个离散时间波形,其中对于所有样本为零,而在其他地方不为零。是否存在这样的波形,其离散傅立叶变换也具有 for的属性?x[n]n[0...N1]n>N/2X[k]k[0...N1]X[k]=0k>N/2

如果是这样,这可以被视为两个域中的离散时间“因果关系”,将两个序列的上半部分视为表示自变量(时间或频率)的负值。

更多背景:

在这个相关问题中:

时间和频率的单边波形?

MattL 提供了一个简洁的答案,证明单边连续时间波形不能同时存在于时间和频率中,这意味着我们不能同时具有因果波形,对于所有,以及类似的仅正频谱对于所有x(t)=0t<0X(ω)=0ω<0

正如 Matt 提出的,充分性基于 Schwartz 的 Paley-Wiener 条件,该条件证明对于所有因果波形都必须收敛。因此,除了将使用柯西主值收敛的奇点之外,在任何区间内都不能为零。由于 as,因此不可能有没有负频率分量的因果波形。|lnX(ω)|dωX(ω)ln(ϵ)ϵ0

DFT 的值在数学上等同于连续离散时间傅里叶变换的样本。类似于 Matt 确认的 DTFT 在任何时间间隔内都不能为零,但它可以定期通过零而不会违反 Paley-Wiener 条件提供的约束。由于DTFT可以周期性地通过零,这让我怀疑可能有解决方案?或者我们如何证明即使这种情况也不存在,因为这似乎(据我所知)没有被马特对连续时间情况的出色回应所涵盖?

1个回答

可行的。但仅适用于奇数它将有无限的解决方案。N

例子:

x=[x0,x1,0]x0=0.5(1+13)+j0.5(113)x1=0.5(113)+j0.5(113)

import numpy as np
x = np.array([.5 + .5/np.sqrt(3) + 1j*(.5 - .5/np.sqrt(3)),
              .5 - .5/np.sqrt(3) + 1j*(.5 + .5/np.sqrt(3)), 
              0])
xf = np.fft.fft(x)
assert np.allclose(xf[2], 0)

证明

我们寻求以 N / 2 自由度编码N 2位信息有无数这样的编码。对于偶数情况,我们寻求以自由度零点。我们知道一种解决方案是通过唯一性(一对一),我们因此得出结论,它是唯一的解决方案。N/211N/2N/2N/2x=X=0

我推导出的解决方案,它概括了任何奇数N=3N

x * exp(k) = X
(x.re + x.im) * (cos - i*sin)
(x.re*cos - x.re*i*sin) + (x.im*i*cos - x.im*i*i*sin) = X.re + X.im*i
x.re*cos + x.im*sin = X.re
x.im*cos - x.re*sin = X.im
 cos(k=0) * x.re + sin(k=0) * x.im = X[0].re
 cos(k=1) * x.re + sin(k=1) * x.im = X[1].re
 cos(k=2) * x.re + sin(k=2) * x.im = X[2].re

-sin(k=0) * x.re + cos(k=0) * x.im = X[0].im
-sin(k=1) * x.re + cos(k=1) * x.im = X[1].im
-sin(k=2) * x.re + cos(k=2) * x.im = X[2].im
[1   1   1] * r + [0    0     0] * i = R0
[1 -.5 -.5] * r + [0   .87 -.87] * i = R1
[1 -.5 -.5] * r + [0  -.87  .87] * i = R2

[0    0     0] * r + [1   1   1] * i = I0
[0  -.87  .87] * r + [1 -.5 -.5] * i = I1
[0   .87 -.87] * r + [1 -.5 -.5] * i = I2
r2 = i2 = 0
-->
[1   1   0] * r + [0    0   0] * i = R0
[1 -.5   0] * r + [0   .87  0] * i = R1
[1 -.5   0] * r + [0  -.87  0] * i = R2

[0    0   0] * r + [1   1  0] * i = I0
[0  -.87  0] * r + [1 -.5  0] * i = I1
[0   .87  0] * r + [1 -.5  0] * i = I2
r0 +    r1          = R0;
r0 - .5*r1 + .87*i1 = R1;
r0 - .5*r1 - .87*i1 = R2;

          i0 +    i1 = I0;
-.87*r1 + i0 - .5*i1 = I1;
 .87*r1 + i0 - .5*i1 = I2;

现在我们任意设置R0=I0=1并将其提供给Wolfram Alpha,这给了我们(我设置g为 的占位符sin(2pi/3)):

对于一般情况


1 -注意:它实际上是位信息( reals and imaginaries)和个自由度( re & im),这在示例中显示我们指定两个值 ( ) 以获得一个解决方案。N1N/2N+1N/2R0, I0