傅里叶分析的思想其实只有一句话:把任意一个信号拆成不同频率的正弦分量之和,然后只关心每个分量的幅度和相位。所有的公式都是这句话在不同场景下的展开——被拆的信号是周期还是非周期、是连续还是离散,决定了拆出来的是傅里叶级数还是傅里叶变换,是离散谱还是连续谱。

公式本身不难,难的是在考场上不记混。所以这篇不做长篇推导,直接给结论、给表、给容易踩的坑,目标是拿着这篇文章就能默写,并且知道每一条为什么长成这样。


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一、傅里叶级数:三角形式与指数形式

1.1 三角形式

对周期为 T T T、基波角频率 ω = 2 π T \omega=\dfrac{2\pi}{T} ω=T2π​ 的周期信号,只要满足狄里赫利条件,就可以展开成

f ( t ) = a 0 + ∑ n = 1 ∞ [ a n cos ⁡ ( n ω t ) + b n sin ⁡ ( n ω t ) ] f(t)=a_0+\sum_{n=1}^{\infty}\left[a_n\cos(n\omega t)+b_n\sin(n\omega t)\right] f(t)=a0​+n=1∑∞​[an​cos(nωt)+bn​sin(nωt)]

三个系数的求法:

a 0 = 1 T ∫ 0 T f ( t )   d t a_0=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}f(t)\,\mathrm{d}t a0​=T1​∫0T​f(t)dt

a n = 2 T ∫ 0 T f ( t ) cos ⁡ ( n ω t )   d t , b n = 2 T ∫ 0 T f ( t ) sin ⁡ ( n ω t )   d t a_n=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}f(t)\cos(n\omega t)\,\mathrm{d}t,\qquad b_n=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}f(t)\sin(n\omega t)\,\mathrm{d}t an​=T2​∫0T​f(t)cos(nωt)dt,bn​=T2​∫0T​f(t)sin(nωt)dt

注意 a 0 a_0 a0​ 前面的系数是 1 T \frac{1}{T} T1​, a n a_n an​、 b n b_n bn​ 前面是 2 T \frac{2}{T} T2​——这个二倍关系是「单边谱」定义带来的,也是后面和双边谱差两倍的根源。

1.2 合并同频项:振幅—相位形式

把同频率的 cos ⁡ \cos cos 项和 sin ⁡ \sin sin 项合成一项:

f ( t ) = d 0 + ∑ n = 1 ∞ d n cos ⁡ ( n ω t + θ n ) f(t)=d_0+\sum_{n=1}^{\infty}d_n\cos(n\omega t+\theta_n) f(t)=d0​+n=1∑∞​dn​cos(nωt+θn​)

其中

d 0 = a 0 , d n = a n 2 + b n 2 , θ n = arctan ⁡ ( − b n a n ) d_0=a_0,\qquad d_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2},\qquad \theta_n=\arctan\left(-\frac{b_n}{a_n}\right) d0​=a0​,dn​=an2​+bn2​ ​,θn​=arctan(−an​bn​​)

这个形式的物理意义最直观: d n d_n dn​ 就是第 n n n 次谐波的振幅, θ n \theta_n θn​ 就是它的初相。画出来的 d n d_n dn​— n n n 图叫单边幅度谱, θ n \theta_n θn​— n n n 图叫单边相位谱。

1.3 指数形式

利用欧拉公式把三角形式改写成复指数形式:

f ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ F n e j n ω t f(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}F_n e^{jn\omega t} f(t)=n=−∞∑∞​Fn​ejnωt

其中复系数

F n = 1 T ∫ − T / 2 T / 2 f ( t ) e − j n ω t   d t = 1 2 ( a n − j b n ) = 1 2 d n e j θ n F_n=\frac{1}{T}\int_{-T/2}^{T/2}f(t)e^{-jn\omega t}\,\mathrm{d}t=\frac{1}{2}\left(a_n-jb_n\right)=\frac{1}{2}d_n e^{j\theta_n} Fn​=T1​∫−T/2T/2​f(t)e−jnωtdt=21​(an​−jbn​)=21​dn​ejθn​

指数形式的优点:公式形式统一(不再分 cos ⁡ \cos cos 和 sin ⁡ \sin sin)、求导积分方便、正负频率成对出现后「单边谱」变成「双边谱」,卷积和调制的推导都更简洁。代价是出现了负频率这个纯数学量——它不是真的存在负赫兹,而是同一个实信号里一对共轭旋转矢量的合成结果。

1.4 系数的物理意义对照

系数出现位置物理意义
a 0 a_0 a0​恒定项一个周期内的平均值,即直流分量
a n a_n an​ cos ⁡ \cos cos 项第 n n n 次谐波中偶对称成分的幅度
b n b_n bn​ sin ⁡ \sin sin 项第 n n n 次谐波中奇对称成分的幅度
d n d_n dn​振幅形式第 n n n 次谐波的总振幅, d n = a n 2 + b n 2 d_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2} dn​=an2​+bn2​ ​
θ n \theta_n θn​振幅形式第 n n n 次谐波的初相,描述该分量相对原点的平移
F n F_n Fn​指数形式复振幅, ∣ F n ∣ \lvert F_n\rvert ∣Fn​∣ 是双边幅度谱,且 ∣ F n ∣ = 1 2 d n \lvert F_n\rvert=\frac{1}{2}d_n ∣Fn​∣=21​dn​

两条规律务必记牢:一是 a n , b n , d n a_n,b_n,d_n an​,bn​,dn​ 只对 n ≥ 1 n\ge 1 n≥1 定义,是单边量; F n F_n Fn​ 对全部整数定义,是双边量,且 F 0 = a 0 F_0=a_0 F0​=a0​。二是实信号的谱具有共轭对称性,即 F − n = F n ∗ F_{-n}=F_n^{*} F−n​=Fn∗​,等价地说 ∣ F n ∣ \lvert F_n\rvert ∣Fn​∣ 是 n n n 的偶函数(幅度谱偶对称)、相位是 n n n 的奇函数(相位谱奇对称)。

1.5 帕塞瓦尔定理

周期信号的平均功率等于各次谐波功率之和:

P = 1 T ∫ 0 T ∣ f ( t ) ∣ 2   d t = ∑ n = − ∞ ∞ ∣ F n ∣ 2 P=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}\lvert f(t)\rvert^{2}\,\mathrm{d}t=\sum_{n=-\infty}^{\infty}\lvert F_n\rvert^{2} P=T1​∫0T​∣f(t)∣2dt=n=−∞∑∞​∣Fn​∣2

这条定理说明能量(功率)也可以在时域和频域两本账上分开算,它是后面连续谱版本帕塞瓦尔定理的来源,也是「正交分解不丢能量」的最直接证据。


二、傅里叶变换的定义式与逆变换

把周期信号的周期 T T T 推向无穷大,谱线间隔 ω → 0 \omega\to 0 ω→0,离散的求和变成连续积分,离散谱就过渡成连续的频谱密度,这就是傅里叶变换。

正变换

F ( j ω ) = F [ f ( t ) ] = ∫ − ∞ ∞ f ( t ) e − j ω t   d t F(j\omega)=\mathcal{F}\left[f(t)\right]=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-j\omega t}\,\mathrm{d}t F(jω)=F[f(t)]=∫−∞∞​f(t)e−jωtdt

逆变换

f ( t ) = F − 1 [ F ( j ω ) ] = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( j ω ) e j ω t   d ω f(t)=\mathcal{F}^{-1}\left[F(j\omega)\right]=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}F(j\omega)e^{j\omega t}\,\mathrm{d}\omega f(t)=F−1[F(jω)]=2π1​∫−∞∞​F(jω)ejωtdω

存在条件: f ( t ) f(t) f(t) 在任意有限区间内满足狄里赫利条件,且绝对可积 ∫ − ∞ ∞ ∣ f ( t ) ∣   d t < ∞ \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\lvert f(t)\rvert\,\mathrm{d}t<\infty ∫−∞∞​∣f(t)∣dt<∞。这是充分条件而非必要条件——像阶跃、正弦这类不满足绝对可积的功率信号,只要引入冲激函数,同样能写出变换式。

F ( j ω ) F(j\omega) F(jω) 一般是复值,写成

F ( j ω ) = R ( ω ) + j X ( ω ) = ∣ F ( j ω ) ∣ e j φ ( ω ) F(j\omega)=R(\omega)+jX(\omega)=\lvert F(j\omega)\rvert e^{j\varphi(\omega)} F(jω)=R(ω)+jX(ω)=∣F(jω)∣ejφ(ω)

其中 ∣ F ( j ω ) ∣ \lvert F(j\omega)\rvert ∣F(jω)∣ 是幅度谱密度, φ ( ω ) \varphi(\omega) φ(ω) 是相位谱。两个记忆点:时域面积对应零频值,即 F ( 0 ) = ∫ − ∞ ∞ f ( t )   d t F(0)=\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\,\mathrm{d}t F(0)=∫−∞∞​f(t)dt;反过来 f ( 0 ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( j ω )   d ω f(0)=\dfrac{1}{2\pi}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}F(j\omega)\,\mathrm{d}\omega f(0)=2π1​∫−∞∞​F(jω)dω。


三、常见信号的傅里叶变换对速查表

时域 f ( t ) f(t) f(t)频域 F ( j ω ) F(j\omega) F(jω)记忆要点
δ ( t ) \delta(t) δ(t) 1 1 1冲激含全部频率,频谱无限平坦
δ ( t − t 0 ) \delta(t-t_0) δ(t−t0​) e − j ω t 0 e^{-j\omega t_0} e−jωt0​时移只改相位不改幅度
1 1 1 2 π δ ( ω ) 2\pi\delta(\omega) 2πδ(ω)直流能量只集中在零频
ε ( t ) \varepsilon(t) ε(t) π δ ( ω ) + 1 j ω \pi\delta(\omega)+\dfrac{1}{j\omega} πδ(ω)+jω1​直流冲激项千万别漏
s g n ( t ) \mathrm{sgn}(t) sgn(t) 2 j ω \dfrac{2}{j\omega} jω2​实奇信号,频谱为纯虚奇函数
门函数 E g τ ( t ) E g_\tau(t) Egτ​(t) E τ   S a  ⁣ ( ω τ 2 ) E\tau\,\mathrm{Sa}\!\left(\dfrac{\omega\tau}{2}\right) EτSa(2ωτ​)矩形脉冲的谱是抽样函数
三角脉冲(两个门卷积) τ 2 S a 2  ⁣ ( ω τ 2 ) \tau^{2}\mathrm{Sa}^{2}\!\left(\dfrac{\omega\tau}{2}\right) τ2Sa2(2ωτ​)时域卷积即频域相乘
ω 0 π S a ( ω 0 t ) \dfrac{\omega_0}{\pi}\mathrm{Sa}(\omega_0 t) πω0​​Sa(ω0​t) g 2 ω 0 ( ω ) g_{2\omega_0}(\omega) g2ω0​​(ω)与门函数对偶
周期冲激串 ∑ n = − ∞ ∞ δ ( t − n T ) \sum\limits_{n=-\infty}^{\infty}\delta(t-nT) n=−∞∑∞​δ(t−nT) ω 1 ∑ k = − ∞ ∞ δ ( ω − k ω 1 ) \omega_1\sum\limits_{k=-\infty}^{\infty}\delta(\omega-k\omega_1) ω1​k=−∞∑∞​δ(ω−kω1​), ω 1 = 2 π T \omega_1=\dfrac{2\pi}{T} ω1​=T2π​周期冲激串还是周期冲激串
e − a t u ( t ) e^{-at}u(t) e−atu(t), a > 0 a>0 a>0 1 a + j ω \dfrac{1}{a+j\omega} a+jω1​单边指数,极点决定衰减
e − a ∣ t ∣ e^{-a\lvert t\rvert} e−a∣t∣, a > 0 a>0 a>0 2 a a 2 + ω 2 \dfrac{2a}{a^{2}+\omega^{2}} a2+ω22a​实偶信号,谱是实偶函数
e j ω 0 t e^{j\omega_0 t} ejω0​t 2 π δ ( ω − ω 0 ) 2\pi\delta(\omega-\omega_0) 2πδ(ω−ω0​)频移对应频谱平移
cos ⁡ ω 0 t \cos\omega_0 t cosω0​t π [ δ ( ω + ω 0 ) + δ ( ω − ω 0 ) ] \pi\left[\delta(\omega+\omega_0)+\delta(\omega-\omega_0)\right] π[δ(ω+ω0​)+δ(ω−ω0​)]一对谱线,幅度各为 π \pi π
sin ⁡ ω 0 t \sin\omega_0 t sinω0​t j π [ δ ( ω + ω 0 ) − δ ( ω − ω 0 ) ] j\pi\left[\delta(\omega+\omega_0)-\delta(\omega-\omega_0)\right] jπ[δ(ω+ω0​)−δ(ω−ω0​)]纯虚且奇对称
1 t \dfrac{1}{t} t1​ − j π   s g n ( ω ) -j\pi\,\mathrm{sgn}(\omega) −jπsgn(ω)与符号函数对偶
u ( t ) u(t) u(t) 的微分、冲激偶 δ ′ ( t ) \delta'(t) δ′(t) j ω j\omega jω时域微分即频域乘 j ω j\omega jω

关于抽样函数 S a \mathrm{Sa} Sa,务必记住三条基本性质:

S a ( x ) = sin ⁡ x x , S a ( 0 ) = 1 , ∫ − ∞ ∞ S a ( x )   d x = π \mathrm{Sa}(x)=\frac{\sin x}{x},\qquad \mathrm{Sa}(0)=1,\qquad \int_{-\infty}^{\infty}\mathrm{Sa}(x)\,\mathrm{d}x=\pi Sa(x)=xsinx​,Sa(0)=1,∫−∞∞​Sa(x)dx=π

它是偶函数,零点在 x = k π x=k\pi x=kπ( k = ± 1 , ± 2 , … k=\pm1,\pm2,\dots k=±1,±2,…),主瓣宽度为 2 π 2\pi 2π,往两侧按 1 x \frac{1}{x} x1​ 衰减。注意不同教材的记号有分歧:多数中文教材用 S a ( x ) = sin ⁡ x x \mathrm{Sa}(x)=\frac{\sin x}{x} Sa(x)=xsinx​,而英文文献里的 s i n c ( x ) \mathrm{sinc}(x) sinc(x) 常定义为 sin ⁡ π x π x \frac{\sin\pi x}{\pi x} πxsinπx​,两者差一个 π \pi π 的尺度,做题前先确认符号约定。


四、傅里叶变换性质速查表

性质时域表示频域表示
线性 a f 1 ( t ) + b f 2 ( t ) af_1(t)+bf_2(t) af1​(t)+bf2​(t) a F 1 ( j ω ) + b F 2 ( j ω ) aF_1(j\omega)+bF_2(j\omega) aF1​(jω)+bF2​(jω)
时移 f ( t − t 0 ) f(t-t_0) f(t−t0​) F ( j ω ) e − j ω t 0 F(j\omega)e^{-j\omega t_0} F(jω)e−jωt0​
频移 f ( t ) e j ω 0 t f(t)e^{j\omega_0 t} f(t)ejω0​t F  ⁣ [ j ( ω − ω 0 ) ] F\!\left[j(\omega-\omega_0)\right] F[j(ω−ω0​)]
余弦调制 f ( t ) cos ⁡ ω 0 t f(t)\cos\omega_0 t f(t)cosω0​t 1 2 [ F ( j ( ω + ω 0 ) ) + F ( j ( ω − ω 0 ) ) ] \dfrac{1}{2}\left[F(j(\omega+\omega_0))+F(j(\omega-\omega_0))\right] 21​[F(j(ω+ω0​))+F(j(ω−ω0​))]
正弦调制 f ( t ) sin ⁡ ω 0 t f(t)\sin\omega_0 t f(t)sinω0​t 1 2 j [ F ( j ( ω − ω 0 ) ) − F ( j ( ω + ω 0 ) ) ] \dfrac{1}{2j}\left[F(j(\omega-\omega_0))-F(j(\omega+\omega_0))\right] 2j1​[F(j(ω−ω0​))−F(j(ω+ω0​))]
尺度变换 f ( a t ) f(at) f(at) 1 ∣ a ∣ F  ⁣ ( j ω a ) \dfrac{1}{\lvert a\rvert}F\!\left(j\dfrac{\omega}{a}\right) ∣a∣1​F(jaω​)
反转 f ( − t ) f(-t) f(−t) F ( − j ω ) F(-j\omega) F(−jω)
共轭 f ∗ ( t ) f^{*}(t) f∗(t) F ∗ ( − j ω ) F^{*}(-j\omega) F∗(−jω)
对偶(对称性) F ( j t ) F(jt) F(jt) 2 π f ( − ω ) 2\pi f(-\omega) 2πf(−ω)
时域卷积 f 1 ( t ) ∗ f 2 ( t ) f_1(t)*f_2(t) f1​(t)∗f2​(t) F 1 ( j ω ) F 2 ( j ω ) F_1(j\omega)F_2(j\omega) F1​(jω)F2​(jω)
频域卷积 f 1 ( t ) f 2 ( t ) f_1(t)f_2(t) f1​(t)f2​(t) 1 2 π F 1 ( j ω ) ∗ F 2 ( j ω ) \dfrac{1}{2\pi}F_1(j\omega)*F_2(j\omega) 2π1​F1​(jω)∗F2​(jω)
时域微分 d n f ( t ) d t n \dfrac{\mathrm{d}^{n}f(t)}{\mathrm{d}t^{n}} dtndnf(t)​ ( j ω ) n F ( j ω ) (j\omega)^{n}F(j\omega) (jω)nF(jω)
时域积分 ∫ − ∞ t f ( τ )   d τ \displaystyle\int_{-\infty}^{t}f(\tau)\,\mathrm{d}\tau ∫−∞t​f(τ)dτ F ( j ω ) j ω + π F ( 0 ) δ ( ω ) \dfrac{F(j\omega)}{j\omega}+\pi F(0)\delta(\omega) jωF(jω)​+πF(0)δ(ω)
频域微分 ( − j t ) n f ( t ) (-jt)^{n}f(t) (−jt)nf(t) d n F ( j ω ) d ω n \dfrac{\mathrm{d}^{n}F(j\omega)}{\mathrm{d}\omega^{n}} dωndnF(jω)​
频域积分 f ( t ) t \dfrac{f(t)}{t} tf(t)​ ∫ − ∞ ω F ( j Ω )   d Ω \displaystyle\int_{-\infty}^{\omega}F(j\Omega)\,\mathrm{d}\Omega ∫−∞ω​F(jΩ)dΩ(需 F ( 0 ) = 0 F(0)=0 F(0)=0)

奇偶虚实性(实信号专属,面试高频):若 f ( t ) f(t) f(t) 为实函数,则 R ( ω ) R(\omega) R(ω) 是偶函数、 X ( ω ) X(\omega) X(ω) 是奇函数, ∣ F ( j ω ) ∣ \lvert F(j\omega)\rvert ∣F(jω)∣ 偶、 φ ( ω ) \varphi(\omega) φ(ω) 奇。进一步:实偶信号的频谱是实偶函数,实奇信号的频谱是虚奇函数。

初值与终值类关系(本质上都是「面积 ↔ 原点」的对偶):

  • 时域面积 = 零频值: F ( 0 ) = ∫ − ∞ ∞ f ( t )   d t F(0)=\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\,\mathrm{d}t F(0)=∫−∞∞​f(t)dt
  • 频域面积 = 原点值: f ( 0 ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( j ω )   d ω f(0)=\dfrac{1}{2\pi}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}F(j\omega)\,\mathrm{d}\omega f(0)=2π1​∫−∞∞​F(jω)dω
  • 因果信号的初值(时域初值定理的频域写法): f ( 0 + ) = lim ⁡ ω → ∞ j ω F ( j ω ) f(0^{+})=\lim\limits_{\omega\to\infty}j\omega F(j\omega) f(0+)=ω→∞lim​jωF(jω),前提是 F ( j ω ) F(j\omega) F(jω) 为真分式、无冲激项
  • 时域微分在零频的表现: F [ d f d t ] ∣ ω = 0 = 0 F\left[\dfrac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}t}\right]\Big|_{\omega=0}=0 F[dtdf​] ​ω=0​=0,即微分信号的均值为零
  • 能量守恒(帕塞瓦尔): W = ∫ − ∞ ∞ ∣ f ( t ) ∣ 2   d t = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ ∣ F ( j ω ) ∣ 2   d ω W=\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\lvert f(t)\rvert^{2}\,\mathrm{d}t=\dfrac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\lvert F(j\omega)\rvert^{2}\,\mathrm{d}\omega W=∫−∞∞​∣f(t)∣2dt=2π1​∫−∞∞​∣F(jω)∣2dω

五、常用关系式:欧拉公式与冲激函数家族

欧拉公式及其变形(整个傅里叶体系的螺丝钉):

e j x = cos ⁡ x + j sin ⁡ x e^{jx}=\cos x+j\sin x ejx=cosx+jsinx

e j ω 0 t = cos ⁡ ω 0 t + j sin ⁡ ω 0 t , e − j ω 0 t = cos ⁡ ω 0 t − j sin ⁡ ω 0 t e^{j\omega_0 t}=\cos\omega_0 t+j\sin\omega_0 t,\qquad e^{-j\omega_0 t}=\cos\omega_0 t-j\sin\omega_0 t ejω0​t=cosω0​t+jsinω0​t,e−jω0​t=cosω0​t−jsinω0​t

cos ⁡ ω 0 t = 1 2 ( e j ω 0 t + e − j ω 0 t ) , sin ⁡ ω 0 t = 1 2 j ( e j ω 0 t − e − j ω 0 t ) \cos\omega_0 t=\frac{1}{2}\left(e^{j\omega_0 t}+e^{-j\omega_0 t}\right),\qquad \sin\omega_0 t=\frac{1}{2j}\left(e^{j\omega_0 t}-e^{-j\omega_0 t}\right) cosω0​t=21​(ejω0​t+e−jω0​t),sinω0​t=2j1​(ejω0​t−e−jω0​t)

cos ⁡ θ = e j θ + e − j θ 2 , sin ⁡ θ = e j θ − e − j θ 2 j \cos\theta=\frac{e^{j\theta}+e^{-j\theta}}{2},\qquad \sin\theta=\frac{e^{j\theta}-e^{-j\theta}}{2j} cosθ=2ejθ+e−jθ​,sinθ=2jejθ−e−jθ​

这两组式子是把「正弦型信号」翻译成「复指数信号」的桥,调制、频移、单边谱与双边谱的换算全靠它。

冲激函数与阶跃函数家族:

  • 定义: δ ( t ) = 0   ( t ≠ 0 ) \delta(t)=0\ (t\neq 0) δ(t)=0 (t=0),且 ∫ − ∞ ∞ δ ( t )   d t = 1 \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\delta(t)\,\mathrm{d}t=1 ∫−∞∞​δ(t)dt=1
  • 与阶跃的微积分关系: ε ( t ) = ∫ − ∞ t δ ( τ )   d τ \varepsilon(t)=\displaystyle\int_{-\infty}^{t}\delta(\tau)\,\mathrm{d}\tau ε(t)=∫−∞t​δ(τ)dτ, δ ( t ) = d ε ( t ) d t \delta(t)=\dfrac{\mathrm{d}\varepsilon(t)}{\mathrm{d}t} δ(t)=dtdε(t)​
  • 抽样(筛选)性质: ∫ − ∞ ∞ f ( t ) δ ( t − t 0 )   d t = f ( t 0 ) \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\delta(t-t_0)\,\mathrm{d}t=f(t_0) ∫−∞∞​f(t)δ(t−t0​)dt=f(t0​)
  • 卷积性质: δ ( t ) ∗ f ( t ) = f ( t ) \delta(t)*f(t)=f(t) δ(t)∗f(t)=f(t), δ ( t − t 0 ) ∗ f ( t ) = f ( t − t 0 ) \delta(t-t_0)*f(t)=f(t-t_0) δ(t−t0​)∗f(t)=f(t−t0​),即冲激是卷积的单位元
  • 乘积性质: δ ( t ) f ( t ) = f ( 0 ) δ ( t ) \delta(t)f(t)=f(0)\delta(t) δ(t)f(t)=f(0)δ(t)
  • 偶对称: δ ( − t ) = δ ( t ) \delta(-t)=\delta(t) δ(−t)=δ(t)
  • 尺度变换: δ ( a t ) = 1 ∣ a ∣ δ ( t ) \delta(at)=\dfrac{1}{\lvert a\rvert}\delta(t) δ(at)=∣a∣1​δ(t),对时移冲激同理 δ ( a t − t 0 ) = 1 ∣ a ∣ δ  ⁣ ( t − t 0 a ) \delta(at-t_0)=\dfrac{1}{\lvert a\rvert}\delta\!\left(t-\dfrac{t_0}{a}\right) δ(at−t0​)=∣a∣1​δ(t−at0​​)
  • 冲激偶 δ ′ ( t ) \delta'(t) δ′(t):奇函数, ∫ − ∞ ∞ f ( t ) δ ′ ( t )   d t = − f ′ ( 0 ) \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\delta'(t)\,\mathrm{d}t=-f'(0) ∫−∞∞​f(t)δ′(t)dt=−f′(0),且 δ ′ ( t ) ∗ f ( t ) = f ′ ( t ) \delta'(t)*f(t)=f'(t) δ′(t)∗f(t)=f′(t)
  • 复合函数:若 f ( t ) f(t) f(t) 的零点 t k t_k tk​ 都是单根,则 δ [ f ( t ) ] = ∑ k 1 ∣ f ′ ( t k ) ∣ δ ( t − t k ) \delta[f(t)]=\sum\limits_{k}\dfrac{1}{\lvert f'(t_k)\rvert}\delta(t-t_k) δ[f(t)]=k∑​∣f′(tk​)∣1​δ(t−tk​);若 f ( t ) f(t) f(t) 有重根,该式无意义

【此处有图:原手写导图右栏用箭头框图把阶跃、冲激、冲激偶与抽样、卷积、尺度变换等性质串成了一张关系网,并配了「阶跃信号与冲激信号」的波形小图。该分支部分标注字迹较密,此处只保留前述可确认的条目,未逐条复刻原图排版。】


六、时域—频域对应关系速查

这一张表是整篇文章最值得背的部分,它把「为什么」压缩成了对照关系:

时域特征频域特征背后的道理
连续、非周期连续、非周期这是傅里叶变换的标准情形,谱是密度
连续、周期离散谱线、非周期傅里叶级数,谱线间隔 ω = 2 π T \omega=\frac{2\pi}{T} ω=T2π​
离散、非周期连续、周期离散时间傅里叶变换,频谱以 2 π 2\pi 2π 为周期重复
离散、周期离散、周期DFS 与 DFT,时域频域双双离散且周期
时域变窄(压缩)频域变宽(展宽)尺度变换 f ( a t ) ↔ 1 ∣ a ∣ F ( j ω a ) f(at)\leftrightarrow\frac{1}{\lvert a\rvert}F(j\frac{\omega}{a}) f(at)↔∣a∣1​F(jaω​)
时域变宽(展宽)频域变窄(压缩)与上一条互为对偶,此消彼长
时域无限尖锐(冲激)频域无限平坦且无限宽极限情形下的对偶
时域乘 e j ω 0 t e^{j\omega_0 t} ejω0​t整个频谱右移 ω 0 \omega_0 ω0​频移性质,复指数调制
时域乘 cos ⁡ ω 0 t \cos\omega_0 t cosω0​t频谱一分为二并左右搬移调制搬频的数学本质,通信系统的地基
时域卷积频域相乘卷积定理,LTI 输出谱 = 输入谱 × 系统函数
时域相乘频域卷积并除以 2 π 2\pi 2π抽样即相乘,所以频谱被周期延拓、可能混叠
时域微分频域乘 j ω j\omega jω微分放大高频、压制低频
时域积分频域除以 j ω j\omega jω 并补直流项积分放大低频,所以均值不为零时多出冲激
时域平滑(卷积宽窗)高频被削弱等效低通滤波,窗越宽高频丢得越多
实偶信号频谱为实偶函数只需画一条实曲线即可描述
实奇信号频谱为虚奇函数相位固定为 ± π 2 \pm\frac{\pi}{2} ±2π​
实信号(一般)幅度谱偶、相位谱奇共轭对称性,负频率是冗余信息
时域有跳变高频衰减慢(按 1 ω \frac{1}{\omega} ω1​)这是吉布斯现象与频谱包络的根源
时域连续频域非周期连续谱不会重复,这是与离散情形的分水岭

一句话概括这张表的骨架:时域和频域是一对跷跷板——一头压缩另一头必然展宽,一头离散另一头必然周期,一头连续另一头必然非周期。


七、六个最容易记混的坑

  1. 系数因子:正变换是 e − j ω t e^{-j\omega t} e−jωt,逆变换是 e + j ω t e^{+j\omega t} e+jωt 且带 1 2 π \frac{1}{2\pi} 2π1​。如果换用 f f f 作频率变量( ω = 2 π f \omega=2\pi f ω=2πf), 2 π 2\pi 2π 的归属会随定义约定改变,做题前先看题目给的是哪一种约定。
  2. 单边谱与双边谱差两倍: ∣ F n ∣ = 1 2 d n \lvert F_n\rvert=\frac{1}{2}d_n ∣Fn​∣=21​dn​, F 0 = a 0 F_0=a_0 F0​=a0​ 而非 2 a 0 2a_0 2a0​,这里最容易在填空里丢分。
  3. 时域积分的那一项: F ( j ω ) j ω + π F ( 0 ) δ ( ω ) \frac{F(j\omega)}{j\omega}+\pi F(0)\delta(\omega) jωF(jω)​+πF(0)δ(ω) 里的 π F ( 0 ) δ ( ω ) \pi F(0)\delta(\omega) πF(0)δ(ω) 极易漏掉。只有当 F ( 0 ) = 0 F(0)=0 F(0)=0(信号均值为零、无直流)时才可以省略。
  4. 尺度变换的系数是 1 ∣ a ∣ \frac{1}{\lvert a\rvert} ∣a∣1​ 而不是 1 a \frac{1}{a} a1​,而且不管 a a a 取正取负,系数永远是正的。
  5. 对称性写全:严谨形式是 F ( j t ) ↔ 2 π f ( − ω ) F(jt)\leftrightarrow 2\pi f(-\omega) F(jt)↔2πf(−ω);很多资料写成 F ( t ) ↔ 2 π f ( ω ) F(t)\leftrightarrow 2\pi f(\omega) F(t)↔2πf(ω),那是因为默认了 f f f 是偶函数。
  6. S a \mathrm{Sa} Sa 与 s i n c \mathrm{sinc} sinc 不是一回事:中文教材的 S a ( x ) = sin ⁡ x x \mathrm{Sa}(x)=\frac{\sin x}{x} Sa(x)=xsinx​,部分英文教材的 s i n c ( x ) = sin ⁡ π x π x \mathrm{sinc}(x)=\frac{\sin\pi x}{\pi x} sinc(x)=πxsinπx​,混用会让门函数的频谱表达式整体差一个 π \pi π。

全系列总结

八篇主线,一条逻辑走到底

这条主线是这样的:面对一个未知系统,先问它在时域怎么描述,再问能不能换个域来看,最后问现实世界里的信号是连续的还是采样的。从第 01 篇把信号与系统的基本概念立起来(信号分类、基本运算、阶跃与冲激这一对奇异函数);到第 02 篇进入连续时间系统的时域分析,用微分方程、冲激响应与卷积积分建立「输入卷积冲激响应等于零状态响应」这条铁律;第 03 篇是分水岭——傅里叶变换把观察视角从时间轴搬到频率轴,同时给出抽样定理,架起模拟世界与数字世界之间的桥;第 04 篇因为傅里叶变换对增长型信号无能为力,于是引入拉普拉斯变换,把频率轴推广到复平面,用收敛域和系统函数统一处理稳定性与初值问题;第 05 篇把前面所有工具投入使用场景,讲调制解调、滤波、无失真传输,也就是通信系统为什么离不开频谱搬移;第 06 篇换成几何视角,用正交、能量、相关把信号看成矢量空间里的点,解释为什么正交分解等价于最小均方误差;第 07 篇把研究对象从连续切换到离散,差分方程、卷积和、抽样后的序列成为主角;第 08 篇用 z 变换给离散系统配上一整套与 s 域平行的工具,再用 DFT 把无限长的理论变成计算机能算的有限长度,最后靠 FFT 把复杂度从 N 2 N^{2} N2 压到 N log ⁡ N N\log N NlogN,整条线才算真正闭环。

各篇考点与最高频问题

篇目核心考点最高频问题
01 绪论与信号/系统基本概念信号分类、基本运算、阶跃与冲激「 δ ( t ) \delta(t) δ(t) 与 ε ( t ) \varepsilon(t) ε(t) 是什么关系?冲激函数的物理意义是什么?」
02 连续时间系统的时域分析微分方程经典解、冲激响应、卷积积分「卷积积分的物理意义是什么?图解法的四步怎么走?」
03 傅里叶变换与抽样定理频谱、变换性质、抽样定理、混叠「抽样定理的条件是什么?为什么信号必须限带?」
04 拉普拉斯变换与 s 域分析收敛域、系统函数、稳定性判据「拉氏变换和傅里叶变换是什么关系?收敛域说明了什么?」
05 傅里叶变换在通信系统中的应用调制解调、滤波、无失真传输「为什么调制能把信号搬到高频?无失真传输要满足什么条件?」
06 信号的矢量空间分析正交函数集、能量、相关、最小均方误差「为什么正交分解能给出最小均方误差?」
07 离散时间系统差分方程、卷积和、离散系统特性「离散卷积和与连续卷积的本质区别在哪?」
08 z 变换与 DFT/FFT收敛域、DFT 定义、频谱泄漏、FFT 原理「DFT 与 DTFT 是什么关系?FFT 到底快在哪里?」

我的复习方法复盘

这门课的特点是知识点不深但极密,靠考前突击基本必翻车,靠谱的做法是按三遍走,每一遍的目标都不一样。

第一遍:通读加勾重点,目标是建立地图。 不要在这一遍试图记住任何公式,只需要知道每一章在讲什么、它上一章留下的问题是什么。做法是按目录顺序过一遍教材和笔记,手上拿两支笔:一支勾出「定义与条件」(比如狄里赫利条件、抽样定理的前提、收敛域的判据),另一支圈出「所有带名字的变换对和性质」。这一遍结束时,你应该能合上书说出八章各自的标题和一句话主旨。耗时通常占总复习时间的三成左右,完全值得。

第二遍:按主题背要点,目标是横向打通。 不要在章节的框架里背,要把散落在不同章的东西按主题重新归堆。比如把所有「求零状态响应的方法」归一堆(时域卷积、频域相乘、s 域代数方程、z 域代数方程),把所有「稳定性判据」归一堆(极点位置、收敛域是否含虚轴或单位圆、罗斯判据),把所有「变换对」归成本文第三节那样的表。归堆的过程本身就是最高效的记忆,因为它把「八章」压缩成了「四五个主题」。这一遍要动手写,把表格默写出来,写不出来的地方就是你的薄弱点。

第三遍:合上答案口述,目标是模拟面试。 这是最容易被跳过、但收益最大的一遍。把每章的典型题答案合上,对着空气或录音把解题思路完整讲一遍,要求是:能说出用什么方法、为什么用这个方法、边界条件是什么、结果量纲对不对。凡是讲着讲着卡住的地方,说明那里是「看懂但没掌握」,要回到第二遍的表格里补。面试中最常见的失分不是算错,而是被追问「为什么」的时候答不上来——口述训练恰好针对这一点。

最后,公式表必须能默写。 具体标准是:拿一张白纸,在二十分钟内写出本文第三节的常见变换对、第四节的十五条性质、第五节欧拉公式与冲激函数性质,以及第六节的对偶关系表。写不全就再回去补,直到不用任何提示也能一页写完为止。默写过关之后,做题速度会有肉眼可见的变化——因为你不再需要在脑子里推导公式,而是把全部注意力留给「这道题该用哪条性质」。

这套方法的核心逻辑其实很简单:第一遍求广,第二遍求连,第三遍求准,最后用默写做验收。信号与系统没有捷径,但方法对了,八篇笔记是能在一个复习周期里真正装进脑子的。

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