단위 단계 시퀀스의 이산 시간 푸리에 변환


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교과서에서 우리는 의 DTFT 가u[n]

(1)U(ω)=πδ(ω)+11−e−jω,−π≤ω<π

그러나 나는 적어도 의 사운드 파생물을주는 척하는 DSP 교과서를 보지 못했습니다 .(1)

Proakis [1]은 의 -transform 에서 를 설정 하여 오른쪽의 오른쪽 절반을 도출하여 유효하다고합니다. 제외 (코스의 올바른이다). 그런 다음 -변환 의 극점에서 우리는 \ pi 영역의 델타 임펄스를 추가해야한다고 말하지만 이는 다른 어떤 것보다 나에게 레시피처럼 보입니다.(1)z=ejωZu[n]ω=2πkZπ

이 문맥에서 Oppenheim과 Schafer [2] 언급

보여주기가 간단하지는 않지만이 시퀀스는 다음과 같은 푸리에 변환으로 나타낼 수 있습니다.

그 뒤에 과 동등한 공식이옵니다 . 불행히도, 그들은 "완전히 직설적이지 않다"는 증거를 우리에게 보여주는 데 어려움을 겪지 않았습니다.(1)

의 증거를 찾을 때 내가 발견 실제로 몰랐 책,하지만 이는 입니다 디지털 신호 처리 및 필터 디자인을 소개 BA Shenoi에 의해. 에 138 페이지 가의 "유도"의 ,하지만 불행히도 그것은 잘못된 것입니다. 나는 물었다 "DSP-퍼즐"질문을 사람들이 그 증거에 어떤 문제가 있는지 보여 가지고.](1)(1)

그래서 내 질문 은 :

수학적으로 기울어 진 엔지니어가 접근 할 수 있지만 건전하거나 엄격한 대한 증명 / 파생을 제공 할 수 있습니까 ? 책에서 방금 복사 한 것은 중요하지 않습니다. 어쨌든이 사이트에있는 것이 좋을 것 같습니다.(1)

math.SE 에서도 관련성이 거의 없습니다. 이 질문 에는 답이 없으며, 하나 는 두 가지 답변이 있으며 , 그 중 하나 는 잘못되었습니다 (Shenoi의 주장과 동일). 다른 하나는 "누적 속성"을 사용합니다. , 나는 그것을 좋아할 것이지만, 그 속성을 증명해야합니다. 두 가지 증명이 기본적으로 같은 것을 입증하기 때문에 시작으로 돌아갑니다.

마지막으로, 나는 증거와 같은 것을 생각해 냈습니다 (음, 나는 엔지니어입니다). 그리고 나는 며칠 후 답변으로 게시 할 것이지만 다른 출판되거나 발표되지 않은 증거를 수집하게되어 기쁩니다. 간단하고 우아하며, 가장 중요한 것은 DSP 엔지니어가 액세스 할 수있는 것입니다.

추신 : 나는 (1) 의 타당성을 의심하지 않으며 (1), 하나 또는 여러 개의 비교적 간단한 증거를보고 싶습니다.


[1] Proakis, JG 및 DG Manolakis, 디지털 신호 처리 : 원리, 알고리즘 및 응용 프로그램 , 3 판, 4.2.8 절

[2] Oppenheim, AV 및 RW Schafer, 불연속 시간 신호 처리 , 2 판, p. 54.



Marcus Müller의 의견에서 영감을 얻은 Eq.의 U (\ omega) 를 보여주고 싶습니다 유(ω). (1) 요구 사항을 충족

유[엔]=유2[엔]→유(ω)=12π(유⋆유)(ω)

경우 유(ω) 의 DTFT 인 유[엔] , 다음

V(ω)=11−이자형−제이ω

의 DTFT 여야합니다

V[엔]=12기호[엔]

( \ text {sign} [0] = 1 을 정의하는 위치 기호[0]=1)

V(ω)=U(ω)−πδ(ω)⟺u[n]−12=12sign[n]

그래서 우리는

12π(V⋆V)(ω)⟺(12sign[n])2=14

그로부터 다음과 같이

12π(V⋆V)(ω)=DTFT{14}=π2δ(ω)

이것으로 우리는 얻는다

12π(U⋆U)(ω)=12π[(πδ(ω)+V(ω))⋆(πδ(ω)+V(ω))]=12π[π2δ(ω)+2πV(ω)+(V⋆V)(ω)]=π2δ(ω)+V(ω)+π2δ(ω)=U(ω)청

와아. 내 세상을 망치지 마 그 공식에서 의심은 혼란의 영역을 소개합니다. 예를 들어, 이므로 (상수 에 따라 연속 FT 정의 사전 요소가 있음 ),u2(t)=u(t)c
DTFT(u2)(ω)=c⋅U(ω)∗U(ω)=cπU(ω)+c1+e−jω∗U(ω)=cπ(πδ(ω)+11−e−jω)+cπ1+e−jω+c11+e−jω∗11+e−jω=cπ2δ(ω)+2cπ1+e−jω+c11+e−jω∗11+e−jω=magic?U
— Marcus Müller

@ MarcusMüller : 그 공식에 대해서는 의심의 여지가 없습니다. 문제는 단순한 생각을 가진 엔지니어가 이해할 수있는 방식으로 보여주는 방법입니다. 그리고 주어진 DTFT에 대해 이 문제없이 작동합니다. u2[n]=u[n]
— Matt L.

나는 나 자신이 매우 단순하다고 생각하며, 그것이 어떻게 파생되는지 볼 수 없을 때 상황이 "안전"하다고 느끼지 않을 때 걱정한다는 것을 의미합니다.
— Marcus Müller

1
나는 당신이 겪고있는 것이 방정식이 올바른지 아닌지를 증명하는 것이 아니라 오히려 DTFT의 첫 번째 원칙과 정의에서 를 엄격하고 직접적으로 도출하는 것 입니다. 하나를 포함하는 엄격한 증명하고 싶어 그런 때마다 충동을 : 내가 하나 더 일반화 된 함수 이론에서 인용 된 책을 참조해야 추측 다음 Lighthill에-1958은 충격 기능의 토론과 푸리에 변환에서의 사용을위한 OPP & Schafer 씨에 인용된다. 다른 모든 증거는 필연적으로 해당 참조에 작성된 증거에 의존하며 엄격한 증거를 대체하기에는 불충분합니다. U(w)
— Fat32

1
@ Fat32 : 그것은 유효한 관점입니다. 그러나 와 같은 기본 변환을 수락하고 다음과 같이 적분을 정의하기에 경우 합리적으로 건전한 파생이 가능하다고 생각 합니다. 그들의 Cauchy 주요 가치. DTFT{1}=2πδ(ω)
— Matt L.

답변:


3

Cedron Dawg는 이 답변 에 흥미로운 초기 지점을 게시했습니다 . 다음 단계로 시작합니다.

U(ω)=∑n=0+∞e−jωn=limN→∞∑n=0N−1e−jωn=limN→∞[1−e−jωN1−e−jω]=11−e−jω−limN→∞[e−jωN1−e−jω]

한계 내부의 용어 는 다음과 같이 확장 될 수 있습니다 .

e−jωN1−e−jω=1sin2⁡(ω)+(1−cos⁡(ω))2⋅[−cos⁡(ω)cos⁡(Nω)+cos⁡(Nω)−sin⁡(ω)sin⁡(Nω)+j(−sin⁡(ω)cos⁡(Nω)+cos⁡(ω)sin⁡(ω)−sin⁡(Nω))]

괄호 밖의 공통 요소 는 다음과 같이 표현할 수 있습니다 .

1sin2⁡(ω)+(1−cos⁡(ω))2=14sin2⁡(ω/2)

괄호 안의 실제 부분 도 다음과 같습니다 .

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

반면에 허수 부는 다음 과 같이 다시 쓸 수 있습니다 .

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

원래 용어를 다시 작성하면 다음과 같은 결과를 얻습니다.

e−jωN1−e−jω=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)

여기서 을 사용했으며 한계는 로 영향을받지 않습니다 .M=N−1M→∞

이 사이트 의 7 번째 정의에 따르면 :

limM→∞−12sin⁡(ω/2)sin⁡[ω(M+1/2)]=−πδ(ω)

지금까지 우리는 그것을 가지고 있습니다 :

limM→∞e−jω(M+1)1−e−jω=−πδ(ω)−jlimM→∞cos⁡[ω(M+1/2)]2sin⁡(ω/2)

평등 오른쪽의 두 번째 항이 어떤 의미에서 이라는 것을 증명할 수 있다면 우리 는 끝난 것입니다. 나는 math.SE에서 물었고 실제로 함수의 순서는 0 분포 에 가깝습니다 . 그래서 우리는 그것을 가지고 있습니다 :0

U(ω)=11−e−jω−limN→∞[e−jωN1−e−jω]=11−e−jω+πδ(ω)+jlimM→∞cos⁡[ω(M+1/2)]2sin⁡(ω/2)=11−e−jω+πδ(ω)

이거 좋은데! 나는 그것을 점검했고 모든 것이 정확 해 보였으므로 상상의 부분은 어떤 의미에서 0이되어야합니다. 나는 그것에 대해 조금 생각할 것이다.
— Matt L.

@MattL. 당신이 어떤 발전을 할 수 있는지 알려주세요!
— Tendero

@MattL. 증거가 마침내 완성되었습니다!
— Tendero

잘 했어! 나는 코사인 항이 리만-레 베스 (Riemann-Lebesgue) 정리로 인해 제로가되는 경향이 있다는 것을 알았지 만, 제 문제는 입니다. 첫 번째 공식은 기하 합을 기반으로하기 때문에 에만 유효합니다 . 그것은 결국 어떻게 든 작동하지만 여전히 사소한 결함입니다. 이라는 용어를 분리하지 않은 또 다른 파생물이 있습니다.이 경우 은 약간 더주의해서 처리되지만 여전히 "엔지니어의 증거"입니다. . 시간이 더 있으면 게시 할 수 있습니다. ω=0ω≠01/(1−e−jω)ω=0
— 매트 L.

2

분포 이론에 대한 지식이 필요없는 비교적 간단한 두 가지 증명을 제공합니다. 분포 이론의 결과를 사용하여 한계 프로세스로 DTFT를 계산하는 증거는 Tendero의 답변을 참조하십시오 .

이 질문에 대한 답변 으로 게시했기 때문에 여기에서 첫 번째 증거 만 언급하고 자세히 설명하지는 않겠습니다 . 그 목적은 게시 된 특정 증거에 결함이 있음을 보여주기위한 것입니다.

다른 증거는 다음과 같습니다. 먼저 단위 단계 시퀀스 의 짝수 부분을 적어 봅시다 :u[n]

(1)ue[n]=12(u[n]+u[−n])=12+12δ[n]

의 DTFT 는(1)

(2)DTFT{ue[n]}=πδ(ω)+12

이는 의 DTFT의 실제 부분과 같습니다 .u[n]

(3)UR(ω)=Re{U(ω)}=πδ(ω)+12

이후 의 실수 및 허수 부분 때문에 우리가 끝나면 실제 값의 시퀀스 인 , 결과적으로, 변형 힐버트 통해 관련되며, 의적 결정 . 그러나, 대부분의 DSP 텍스트에서, 이들 힐베르트 관계 방정식에서 유도 된 변환 (인과 순서 유효 해당), 그 다음 이로부터 입니다. DTFT의 실수 부와 허수 부 사이의 힐버트 변환 관계를 나타내려면 의 DTFT가 필요합니다u[n]U(ω)UR(ω)U(ω)h[n]=h[n]u[n]h[n]H(ω)=12π(H⋆U)(ω)u[n]실제로 여기에서 도출하고 싶습니다. 따라서 증거는 원형이됩니다. 그렇기 때문에 우리는 의 허수 부분을 도출하는 다른 방법을 선택할 것 입니다.U(ω)

을 도출하기 위해 의 홀수 부분을 다음과 같이 씁니다 .UI(ω)=Im{U(ω)}u[n]

(4)uo[n]=12(u[n]−u[−n])=u[n−1]−12+12δ[n]

의 DTFT를 복용 하면(4)

jUI(ω)=e−jωU(ω)−πδ(ω)+12=e−jω(UR(ω)+jUI(ω))−πδ(ω)+12=e−jω(πδ(ω)+12)+e−jωjUI(ω)−πδ(ω)+12(5)=12(1+e−jω)+e−jωjUI(ω)

내가 사용한 곳 . 등식 로 쓸 수 있습니다(3)(5)

(6)jUI(ω)(1−e−jω)=12(1+e−jω)

의 정확한 결론은 자세한 내용 은 이 답변 을 참조하십시오)(6)

(7)jUI(ω)=121+e−jω1−e−jω+cδ(ω)

그러나 그 이후 알 의 홀수 함수이어야 (때문 - 실제 값이다), 우리는 즉시 종결 할 수있는 . 따라서 과 우리는 마침내UI(ω)ωu[n]c=0(3)(7)

U(ω)=UR(ω)+jUI(ω)=πδ(ω)+12+121+e−jω1−e−jω=πδ(ω)+12(1+1+e−jω1−e−jω)(8)=πδ(ω)+11−e−jω
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