傅里叶级数与频谱:单边谱与双边谱

《测试技术 / 信号分析》课堂笔记:傅里叶级数 · 频谱(单边谱 / 双边谱)· 傅里叶变换

本文整理自 2026-10-14 下午课堂录音的前半段(约 00:10 — 01:45)。原始录音环境噪声较大,部分口述内容无法准确还原,凡不确定处均在第八部分列出,请以教材为准。

一、这节课讲了什么

这节课的主线只有一句话:如何把一个复杂信号,拆成一堆不同频率的正弦 / 余弦分量,再用「频谱」把它画出来。

模块 内容
引入 从原始电流波形 → 各频率分量 → 用「窗口」筛选感兴趣的频率
三角形式傅里叶级数 $A_0$、$A_n$、$B_n$ 的求法;奇偶性带来的简化
指数形式傅里叶级数 复系数 $C_n$;由它自然导出双边谱
频谱 幅度谱、相位谱;$\lvert C_n\rvert$ 与 $A_n$ 的定量关系
准周期信号 两个周期信号叠加,频率比不是有理数 → 不是周期信号
非周期信号 $T \to \infty$ 极限 → 离散谱变连续谱 → 傅里叶变换

课堂上的推进顺序是「先三角形式、再指数形式,最后推到非周期」,本文按这个顺序讲。

二、核心结论速览

  1. 信号分解的物理意义:任何复杂波形都能看成直流 + 一系列不同频率、不同幅值、不同相位的正弦波的叠加。
  2. 工程上做分解的目的很实际——滤波与选频:用「窗口函数」只让感兴趣的那几个频率通过。
  3. 周期信号的分解工具是傅里叶级数,前提是该信号在一个周期内满足狄利克雷条件(连续或只有有限个第一类间断点、只有有限个极值点、绝对可积)。
  4. 三角形式:$x(t)=A_0+\sum_{n=1}^{\infty}(A_n\cos n\omega_0 t+B_n\sin n\omega_0 t)$,其中 $\omega_0=2\pi/T$ 是基波角频率。
  5. $A_0$ 是直流分量,等于信号在一个周期内的平均值。
  6. $A_n$、$B_n$ 由正交性求出,积分区间取一个周期即可($0\sim T$ 或 $-T/2\sim T/2$ 都行)。
  7. 奇偶性是第一简化手段:偶函数 → $B_n=0$(只剩余弦);奇函数 → $A_n=0$ 且 $A_0=0$(只剩正弦)。
  8. 判断奇偶不要死记公式,画到坐标系里看——这是老师在课上反复强调的「小经验」。
  9. 三角函数族的正交性是求系数的理论基础:不同频率的 $\sin$、$\cos$ 在一个周期内积分恒为 0。
  10. 指数形式:$x(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}C_n e^{jn\omega_0 t}$,$n$ 取全部整数(含负)。
  11. $C_n$ 是复数,因此它同时携带幅值和相位两重信息。
  12. 三角形式 → 单边谱($n=0,1,2,\dots$);指数形式 → 双边谱($n=0,\pm1,\pm2,\dots$)。
  13. 两种谱的换算关系:$n\ge1$ 时 $|C_n|=\frac{1}{2}A_n$;$n=0$ 时 $C_0=A_0$。
  14. 课堂用矩形波验证了上式:$A_n=\frac{2a}{n\pi}$,对应 $|C_n|=\frac{a}{n\pi}$,正好是一半。
  15. 双边谱是偶对称的:$|C_{-n}|=|C_n|$,正负频率成对出现。
  16. 相位谱由 $C_n$ 的辐角给出;$n>0$ 与 $n<0$ 的相位反对称。
  17. 准周期信号:两个(或以上)周期信号叠加,若各频率之比不全是有理数,则叠加结果找不到公共周期,因此不是周期信号。
  18. 准周期信号仍是离散谱,但谱线位置不成等间隔的谐波关系——这是它与周期信号的根本区别。
  19. 非周期信号可以看作周期趋于无穷大的周期信号:谱线间隔 $\Delta\omega=\omega_0=2\pi/T\to0$,谱线无限密集 → 离散谱变成连续谱。
  20. 连续谱不能再用「某根谱线有多高」描述,要改用频谱密度的概念。
  21. 由此得到傅里叶变换对:正变换 $X(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}x(t)e^{-j\omega t}dt$,逆变换 $x(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)e^{j\omega t}d\omega$。
  22. $X(\omega)$ 是复函数,所以非周期信号的频谱同样有幅度谱密度和相位谱密度两条曲线。
  23. 周期信号的频谱是离散的、谐波性的;非周期信号的频谱是连续的——这是两类信号最核心的差别。
  24. 时域与频域是一一对应的:一个域里越宽,另一个域里越窄;做频域分析时务必分清楚横轴是频率还是时间。

三、知识结构树

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信号分析(本次课)
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|- 1. 为什么要做信号分解
| |- 复杂波形 -> 各频率分量
| |- 工程目的:滤波 / 选频
| `- 窗口函数:只让感兴趣的频率通过
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|- 2. 周期信号的分解:傅里叶级数
| |- 前提:狄利克雷条件(连续/有限间断点、有限极值、绝对可积)
| |- 三角形式
| | |- 表达式:A0 + 求和(An cos n w0 t + Bn sin n w0 t)
| | |- A0:直流分量 = 一个周期的平均值
| | |- An、Bn:由正交性积分求得
| | `- 奇偶性简化
| | |- 偶函数 -> Bn = 0(只剩余弦)
| | `- 奇函数 -> An = 0 且 A0 = 0(只剩正弦)
| `- 指数形式
| |- 表达式:求和 Cn exp(j n w0 t),n 取全部整数
| |- Cn 为复数 -> 同时含幅值与相位
| `- Cn = (1/T) 积分 x(t) exp(-j n w0 t) dt
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|- 3. 频谱
| |- 单边谱(三角形式):n = 0, 1, 2, ...
| |- 双边谱(指数形式):n = 0, 正负 1, 正负 2, ...
| |- 换算:|Cn| = An / 2(n >= 1);C0 = A0
| |- 幅度谱:偶对称
| `- 相位谱:奇对称
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|- 4. 准周期信号
| |- 定义:多个周期信号叠加
| |- 判别:频率比不全为有理数 -> 无公共周期
| `- 特征:仍是离散谱,但不是等间隔谐波
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`- 5. 非周期信号:傅里叶变换
|- 思路:T -> 无穷大,谱线间隔 -> 0
|- 结果:离散谱 -> 连续谱(频谱密度)
|- 正变换:X(w) = 积分 x(t) exp(-j w t) dt
|- 逆变换:x(t) = (1/2pi) 积分 X(w) exp(j w t) dw
`- X(w) 为复函数 -> 幅度谱密度 + 相位谱密度

四、知识点详解

4.1 从波形到频谱:为什么要做信号分解

课堂从一个实际的电流波形讲起:原始波形看起来杂乱,但展开之后可以看到它是由几个确定频率的分量叠加而成的。

这个思路的工程价值在于:

  • 可以对指定频率范围的信号做提取或抑制;
  • 用一个「窗口」把不需要的频率挡在外面,只保留感兴趣的成分;
  • 这就是滤波器的基本思想——「只允许经过这个窗口的频率,其他频率一律通不过」。

课堂原话大意:这是工程上非常常用的手段,把信号按频率分解,然后选择我们感兴趣的信号。

4.2 三角形式傅里叶级数

表达式

$x(t)=A_0+\sum_{n=1}^{\infty}(A_n\cos n\omega_0 t+B_n\sin n\omega_0 t)$

其中 $\omega_0=\frac{2\pi}{T}$ 称为基波角频率,$n\omega_0$ 是第 $n$ 次谐波的角频率。

系数公式

$A_0=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}x(t),dt$

$A_n=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\cos n\omega_0 t,dt$

$B_n=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\sin n\omega_0 t,dt$

  • $A_0$ 是直流分量,物理意义是信号在一个周期内的平均值;
  • $A_n$ 是第 $n$ 次余弦分量的幅值;
  • $B_n$ 是第 $n$ 次正弦分量的幅值。

积分区间取 $0\sim T$ 或 $-T/2\sim T/2$ 都可以,只要正好是一个周期。

理论基础:三角函数的正交性

$\int_{0}^{T}\cos m\omega_0 t\cos n\omega_0 t,dt=0\quad(m\neq n)$

$\int_{0}^{T}\sin m\omega_0 t\sin n\omega_0 t,dt=0\quad(m\neq n)$

$\int_{0}^{T}\sin m\omega_0 t\cos n\omega_0 t,dt=0\quad(\forall, m,n)$

正是因为不同频率的三角函数在一个周期内「互相抵消」,才能把某一个系数单独「筛」出来。

4.3 奇偶性带来的简化(重点)

这是本节最实用的一条:先看奇偶性,能省掉一半的积分。

信号性质 满足条件 结论
偶函数 $x(-t)=x(t)$ $B_n=0$,只剩余弦项(含 $A_0$)
奇函数 $x(-t)=-x(t)$ $A_n=0$ 且 $A_0=0$,只剩正弦项
一般函数 无对称性 $A_0$、$A_n$、$B_n$ 都要算

判断方法(课堂强调的「小经验」)

不要死记公式,把波形画到坐标系里看:

  • 波形关于纵轴($t=0$)左右对称 → 偶函数;
  • 波形关于原点中心对称 → 奇函数;
  • 都不是 → 老老实实算。

课堂原话大意:只要用我这个图形的方式去理解,分母、分子谁为零基本上都能先判断出来。

补充:半波对称

如果信号满足 $x(t+T/2)=-x(t)$(后半周期是前半周期倒过来),则只含奇次谐波,偶次谐波系数全为 0。方波就属于这一类。

4.4 指数形式傅里叶级数

表达式

$x(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}C_n e^{jn\omega_0 t}$

注意这里的求和范围是 $n$ 从 $-\infty$ 到 $+\infty$,也就是说包含了负频率。

复系数

$C_n=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}x(t)e^{-jn\omega_0 t},dt$

  • $C_n$ 是复数,因此可以写成 $C_n=|C_n|e^{j\varphi_n}$,其中 $\lvert C_n\rvert$ 是幅值,$\varphi_n$ 是相位;
  • 复系数 $C_n$ 与三角形式的系数之间存在确定的换算关系(见 4.5)。

为什么要用指数形式

  • 表达式更紧凑,只有一个系数 $C_n$;
  • 直接对应双边谱,物理上正、负频率成对出现;
  • 是通向傅里叶变换的自然跳板(把求和换成积分)。

4.5 单边谱与双边谱

对比项 三角形式 指数形式
谱的类型 单边谱 双边谱
$n$ 的取值范围 $0,1,2,3,\dots$ $\dots,-2,-1,0,1,2,\dots$
系数 $A_0$、$A_n$、$B_n$ $C_n$(复数)
谱线位置 只有正频率 正、负频率成对出现

换算关系(本节最关键的一组公式)

$C_0=A_0$

$|C_n|=\frac{1}{2}A_n\quad(n\ge1)$

也就是说,双边谱的每根谱线高度,正好是单边谱的一半——因为双边谱把同一个幅值「劈」给了正、负两个频率。

课堂的矩形波验证

以幅值为 $a$ 的矩形波为例,算出:

$A_n=\frac{2a}{n\pi}$

那么按换算关系:

$|C_n|=\frac{1}{2}\cdot\frac{2a}{n\pi}=\frac{a}{n\pi}$

课堂上把两条谱逐根对照,确认每根谱线都正好是一半,从而验证了上面这个结论。

幅度谱与相位谱

  • 幅度谱:双边幅度谱关于纵轴偶对称,即 $|C_{-n}|=|C_n|$;
  • 相位谱:双边相位谱关于原点奇对称,正负频率的相位差一个负号。

4.6 准周期信号

定义:由两个或两个以上的周期信号叠加而成。

判别准则:设两个分量的频率为 $f_1$、$f_2$,令 $f_1/f_2$:

  • 若比值是有理数 → 存在公共周期,叠加结果仍是周期信号;
  • 若比值是无理数 → 找不到公共周期,叠加结果不是周期信号。

课堂举例

三个叠加信号中,只有第 2 个的频率比是有理数(比值为 1 : 6),其余两个都是无理数比。因此只有第 2 个是真正的周期信号,另外两个属于准周期信号。

频谱特征

  • 准周期信号仍然是离散谱;
  • 但谱线不成等间隔的谐波关系(各分量频率之间没有整数倍关系);
  • 所以它介于「周期」与「非周期」之间——谱离散,但非周期。

4.7 从周期到非周期:傅里叶变换

思路:把周期推向无穷大

周期信号的谱线间隔为:

$\Delta\omega=\omega_0=\frac{2\pi}{T}$

当 $T\to\infty$ 时,$\Delta\omega\to0$——谱线越来越密,最后连成一片。

同时,求和式 $\sum$ 在极限下变成积分 $\int$:

$\sum_{n=-\infty}^{\infty}C_n e^{jn\omega_0 t}\quad\longrightarrow\quad\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)e^{j\omega t},d\omega$

傅里叶变换对

$X(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}x(t)e^{-j\omega t},dt$

$x(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)e^{j\omega t},d\omega$

  • $X(\omega)$ 称为信号的频谱密度函数(也叫频谱函数);
  • 它是复函数:$X(\omega)=|X(\omega)|e^{j\varphi(\omega)}$。

关键理解

周期信号 非周期信号
频谱 离散谱线 连续曲线
描述量 谱线幅值 $A_n$ / $\lvert C_n\rvert$ 频谱密度 $\lvert X(\omega)\rvert$
量纲 与信号同量纲 信号量纲 × 时间(因为是「密度」)

课堂上特别提醒:非周期信号不能再说「某个频率上的幅值是多少」,因为它是在单位频率上的密度——严格来说两者在概念上有区别,只是习惯上都叫「频谱」。

收敛条件

傅里叶变换存在的充分条件通常表述为绝对可积:

$\int_{-\infty}^{\infty}|x(t)|,dt<\infty$

这是比狄利克雷条件更严格的数学条件;工程上大多数实际信号都满足。

4.8 时域与频域的对应关系

课堂最后把正变换和逆变换摆在一起对照,强调一个容易混的点:

式子 积分变量 结果域
正变换 $X(\omega)=\int x(t)e^{-j\omega t}dt$ 对时间积分 得到频率的函数
逆变换 $x(t)=\frac{1}{2\pi}\int X(\omega)e^{j\omega t}d\omega$ 对频率积分 得到时间的函数
  • 正变换:对时间积分 → 得到频率的函数;
  • 逆变换:对频率积分 → 得到时间的函数;
  • 两个式子的指数符号相反(一个 $-j\omega t$,一个 $+j\omega t$)。

课堂原话大意:一定要清楚你是在讲频率还是时间,横轴代表什么要说明白。

由此引出的一般规律

  • 时域越「窄」(脉冲越短)→ 频域越「宽」;
  • 时域越「宽」(变化越慢)→ 频域越「窄」;
  • 这就是时宽与带宽成反比,是后续采样定理、测不准关系的根源。

五、例题与解题方法汇总

题型 1:求周期信号的傅里叶级数系数

步骤

  1. 写出周期 $T$,算出 $\omega_0=\frac{2\pi}{T}$;
  2. 先判断奇偶性,确定哪些系数可以直接判零;
  3. 对剩下的系数套积分公式,积分区间取一个周期;
  4. 写出级数表达式。

要点:先判奇偶能省掉大量计算,是考场上的第一反应。

题型 2:由三角形式系数写双边谱

步骤

  1. $C_0=A_0$;
  2. $|C_n|=\frac{1}{2}A_n$($n\ge1$);
  3. 按偶对称补出 $n<0$ 的部分:$|C_{-n}|=|C_n|$;
  4. 相位按奇对称补出。

要点:双边谱每根线是单边谱的一半,别忘了一分为二。

题型 3:判断叠加信号是否为周期信号

步骤

  1. 求出各分量的频率 $f_1,f_2,\dots$;
  2. 两两求比值,化为最简分数;
  3. 全部为有理数 → 周期信号;出现无理数 → 准周期信号(非周期)。

题型 4:判断信号的对称性并简化

观察到的特征 结论
关于纵轴对称 偶函数,$B_n=0$
关于原点对称 奇函数,$A_n=0$,$A_0=0$
后半周期是前半周期的倒像 只含奇次谐波
无对称性 全部系数都要算

六、术语速查表

术语 含义
基波 / 基频 $n=1$ 对应的分量,角频率 $\omega_0=2\pi/T$
谐波 $n\ge2$ 的分量,频率是基频的整数倍
直流分量 $A_0$,信号在一个周期内的平均值
三角形式 用 $\cos$、$\sin$ 展开的傅里叶级数
指数形式 用 $e^{jn\omega_0 t}$ 展开的傅里叶级数
单边谱 三角形式对应的谱,$n$ 只取非负
双边谱 指数形式对应的谱,$n$ 取全部整数
幅度谱 各频率分量的幅值随频率的分布
相位谱 各频率分量的初相随频率的分布
正交性 不同频率三角函数在一个周期内积分为 0
偶函数 $x(-t)=x(t)$,只含余弦
奇函数 $x(-t)=-x(t)$,只含正弦
准周期信号 多个周期信号叠加、频率比含无理数,非周期但谱离散
频谱密度 非周期信号的频谱,连续且带「密度」量纲
傅里叶变换 非周期信号从时域到频域的变换
狄利克雷条件 傅里叶级数收敛的充分条件
绝对可积 $\int\lvert x(t)\rvert,dt<\infty$,傅里叶变换存在的充分条件
窗口函数 用于选频,只让指定频率通过

七、课堂强调与复习重点

  1. 先看奇偶性再算积分——这是老师反复强调的第一反应。
  2. 判断奇偶靠画图,不要背公式。
  3. $|C_n|=\frac{1}{2}A_n$ 必须记牢,课堂上专门用矩形波逐根谱线验证过。
  4. 分清单边谱与双边谱:一个 $n\ge0$,一个 $n\in\mathbb{Z}$。
  5. 准周期信号的关键是频率比是否有理数。
  6. 非周期信号是周期信号的极限,这条思路贯穿整章。
  7. 时域与频域的横轴千万别搞混——正变换对时间积分、逆变换对频率积分。
  8. 积分区间取一个周期即可,取 $0\sim T$ 最省事。

八、【以教材为准】待核对清单

本节录音质量较差,以下内容无法从录音中准确还原,请对照教材确认后再采信:

  1. 矩形波例子的幅值符号:课堂上口述的波形幅值记为 $a$,$A_n=\frac{2a}{n\pi}$。教材中若用 $A$ 或 $E$ 表示幅值,请按教材符号替换。
  2. 准周期信号举例的三个频率值:录音中只能听出「比值 1:6 是有理数、另外两个是无理数」,具体频率数值未能还原。
  3. 相位谱的具体表达式:录音中只讲清了「正负频率相位反对称」,$\varphi_n=\arctan(-B_n/A_n)$ 这一形式是我按通识补的。
  4. 半波对称的表述:录音中未明确出现「半波对称」一词,$x(t+T/2)=-x(t)$ 的结论是按教材通识补充的。
  5. 收敛条件的严格表述:录音中提到「绝对可积」但语焉不详,具体表述请以教材为准。
  6. 「窗口函数」的定义范围:课堂上把滤波器与窗口放在一起讲,教材中若将二者分开定义,请以教材为准。

九、复习自测

  1. 傅里叶级数三角形式的表达式是什么?$\omega_0$ 与 $T$ 是什么关系?

  2. $A_0$ 的物理意义是什么?为什么说它是「直流分量」?

  3. 写出 $A_n$、$B_n$ 的积分公式。

  4. 偶函数的傅里叶级数中哪些项一定为零?为什么?

  5. 奇函数的傅里叶级数中哪些项一定为零?$A_0$ 呢?

  6. 课堂上推荐的「判断奇偶性」的方法是什么?

  7. 三角函数正交性在求傅里叶系数中起什么作用?

  8. 指数形式傅里叶级数的求和范围是什么?为什么包含负频率?

  9. $C_n$ 为什么是复数?它携带哪两重信息?

  10. 单边谱和双边谱分别对应哪种展开形式?

  11. 写出 $\lvert C_n\rvert$ 与 $A_n$ 的换算关系,并说明 $n=0$ 时的情况。

  12. 课堂用哪个信号验证了第 11 题的结论?验证结果是什么?

  13. 双边幅度谱具有什么对称性?相位谱呢?

  14. 什么是准周期信号?如何判断一个叠加信号是不是周期信号?

  15. 准周期信号的频谱是离散的还是连续的?它与周期信号的谱有何区别?

  16. 非周期信号是如何从周期信号「取极限」得到的?极限过程中谱线间隔如何变化?

  17. 写出傅里叶变换对的两个式子,并说明各自是对哪个变量积分。

  18. 非周期信号的频谱为什么要叫「频谱密度」?它和周期信号的谱线幅值在概念上有什么区别?

  19. 傅里叶变换存在的充分条件是什么?

  20. 时宽与带宽之间是什么关系?举一个直观的例子说明。

  21. 滤波器与「窗口函数」在思路上有什么共同点?

  22. 如果横轴标错(把时间当频率),会导致什么后果?

十、复习自测参考答案

建议先自己做完第九部分,再对照这里。带「★」的是本题的重点。

1. $x(t)=A_0+\sum_{n=1}^{\infty}(A_n\cos n\omega_0 t+B_n\sin n\omega_0 t)$;$\omega_0=\frac{2\pi}{T}$,称为基波角频率。

2. $A_0$ 是信号在一个周期内的平均值。因为恒定不变的成分就是直流,而「平均值」恰好剔除了所有交变分量(正弦、余弦在一个周期内积分为 0),剩下的只有直流部分,所以叫直流分量。

3. $A_n=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\cos n\omega_0 t,dt$;$B_n=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\sin n\omega_0 t,dt$。

4. ★ $B_n$ 全为 0(只剩余弦项和 $A_0$)。因为偶函数乘以奇函数($\sin$ 是奇函数)后变为奇函数,而奇函数在对称区间上的积分为 0,所以 $B_n=0$。

5. ★ **$A_n$ 全为 0,且 $A_0=0$**(只剩正弦项)。$A_0$ 为零是因为奇函数在一个周期上的积分为 0。

6. 把波形画到坐标系里看:关于纵轴对称 → 偶函数;关于原点中心对称 → 奇函数。不要死记公式。

7. 正交性使得不同频率的三角函数在一个周期内积分互相抵消。正因为「其他所有项都积成 0,只有要算的那一项不为 0」,才能把某一个系数单独「筛」出来。

8. 求和范围是 $n$ 从 $-\infty$ 到 $+\infty$(全部整数,含负)。包含负频率是因为指数形式用的是 $e^{jn\omega_0 t}$——由欧拉公式,正、负两个指数项合起来才能还原实信号中的 $\cos$、$\sin$。负频率本身没有物理意义,只是数学上的成对项。

9. 因为 $C_n=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}x(t)e^{-jn\omega_0 t},dt$,被积函数含复指数,积分结果是复数。它携带幅值($|C_n|$)和相位($\varphi_n$)两重信息。

10. 三角形式 → 单边谱($n=0,1,2,\dots$);指数形式 → 双边谱($n=0,\pm1,\pm2,\dots$)。

11. ★ $|C_n|=\frac{1}{2}A_n$($n\ge1$);**$n=0$ 时 $C_0=A_0$,不是一半**。

12. 用矩形波验证。算出 $A_n=\frac{2a}{n\pi}$,对应 $|C_n|=\frac{a}{n\pi}$,正好是单边谱的一半,课堂上逐根谱线对照确认。

13. 双边幅度谱偶对称:$|C_{-n}|=|C_n|$。双边相位谱奇对称:正负频率的相位差一个负号。

14. ★ 准周期信号是由两个或以上周期信号叠加而成、但没有公共周期的信号。判断方法:把各分量的频率两两求比值并化为最简分数——全部为有理数 → 周期信号;出现无理数 → 准周期信号(非周期)。

15. 准周期信号的频谱是离散的,但不是等间隔的谐波关系。区别:周期信号的谱线位于 $n\omega_0$,是等间隔谐波;准周期信号的谱线位置之间没有整数倍关系,离散但不成谐波。

16. ★ 把周期 $T$ 推向无穷大。此时谱线间隔 $\Delta\omega=\omega_0=\frac{2\pi}{T}\to0$,谱线无限密集,求和 $\sum$ 变成积分 $\int$,离散谱变成连续谱。

17. 正变换 $X(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}x(t)e^{-j\omega t},dt$,对时间 $t$ 积分,得到频率的函数;逆变换 $x(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)e^{j\omega t},d\omega$,对频率 $\omega$ 积分,得到时间的函数。

18. ★ 因为非周期信号的频谱是连续的,谱线之间没有间隙,不能再用「某根谱线有多高」来描述,只能描述「单位频率上的幅值」,所以叫密度。概念区别:周期信号的谱线幅值与信号同量纲;频谱密度是信号量纲 × 时间,因为它表示单位频率宽度内的含量。

19. 通常表述为绝对可积:$\int_{-\infty}^{\infty}\lvert x(t)\rvert,dt<\infty$。

20. 时宽与带宽成反比——一个域里越窄,另一个域里越宽。直观例子:一个极窄的冲激(时宽趋于 0),其频谱是无限宽的平坦谱;反过来,一个恒定不变的直流(时宽无穷),频谱是一根谱线(带宽趋于 0)。

21. 两者都是「只让感兴趣的频率通过」:滤波器在频域上划出一个通带,通带外的频率被衰减;窗口函数在时域上截取一段信号,等效于在频域上用窗口去「框选」谱线。课堂上把二者放在一起讲,讲的正是选频这一个共同目的。

22. 会把结论彻底搞反。因为时域和频域的规律相反(时宽与带宽成反比、积分变量不同),横轴标错会导致对「宽 / 窄」「快 / 慢」的判断全部颠倒,别人也无法理解你在讲哪个域。所以课堂上特别强调:横轴代表什么必须说清楚。


傅里叶级数与频谱:单边谱与双边谱
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作者
tdexxx
发布于
2026年10月14日
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