news 2026/5/4 14:21:43

模拟信号到FFT频谱图分析过程

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张小明

前端开发工程师

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模拟信号到FFT频谱图分析过程

这是一个从连续到离散,再到频域分析的完整链条,涉及多个关键变换。


一、起点:连续时间模拟信号

我们有一个真实的物理信号:
xa(t)(连续、模拟) x_a(t) \quad \text{(连续、模拟)}xa(t)(连续、模拟)
其连续时间傅里叶变换(CTFT)为:
Xa(jΩ)=∫−∞∞xa(t)e−jΩtdt X_a(j\Omega) = \int_{-\infty}^{\infty} x_a(t) e^{-j\Omega t} dtXa(jΩ)=xa(t)ejΩtdt
其中Ω=2πf\Omega = 2\pi fΩ=2πf是模拟角频率(rad/s)。


二、第一步:时域采样(ADC过程)

以采样周期TsT_sTs(采样率fs=1/Tsf_s = 1/T_sfs=1/Ts)进行理想采样。

1. 采样脉冲序列

p(t)=∑n=−∞∞δ(t−nTs) p(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} \delta(t - nT_s)p(t)=n=δ(tnTs)

2. 采样后信号

xs(t)=xa(t)⋅p(t)=∑n=−∞∞xa(nTs)δ(t−nTs) x_s(t) = x_a(t) \cdot p(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x_a(nT_s) \delta(t - nT_s)xs(t)=xa(t)p(t)=n=xa(nTs)δ(tnTs)
这是一个连续时间、离散幅度的信号(脉冲串)。

3. 采样后频谱(关键步骤)

根据CTFT的乘积性质(时域相乘 ⇔ 频域卷积):
Xs(jΩ)=12πXa(jΩ)∗P(jΩ) X_s(j\Omega) = \frac{1}{2\pi} X_a(j\Omega) * P(j\Omega)Xs(jΩ)=2π1Xa(jΩ)P(jΩ)
其中P(jΩ)P(j\Omega)P(jΩ)p(t)p(t)p(t)的CTFT:
P(jΩ)=2πTs∑k=−∞∞δ(Ω−kΩs),Ωs=2πfs P(j\Omega) = \frac{2\pi}{T_s} \sum_{k=-\infty}^{\infty} \delta(\Omega - k\Omega_s), \quad \Omega_s = 2\pi f_sP(jΩ)=Ts2πk=δ(ΩkΩs),Ωs=2πfs
卷积后得:
Xs(jΩ)=1Ts∑k=−∞∞Xa(j(Ω−kΩs)) X_s(j\Omega) = \frac{1}{T_s} \sum_{k=-\infty}^{\infty} X_a\left(j(\Omega - k\Omega_s)\right)Xs(jΩ)=Ts1k=Xa(j(ΩkΩs))
结论:采样使频谱周期性延拓,周期为Ωs\Omega_sΩs


三、第二步:离散时间序列表示

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