信号经过傅立叶变换所得频谱的物理意义.doc

信号经过傅立叶变换所得频谱的物理意义在对任何信号进行傅立叶分析时，得出的频谱为复数，且其频率范围将从-。对于负频率以及该范围的频谱，应当如何理解?它有没有物理意义?是一个还缺乏讨论，因而没有统一看法的问题，本文将对此进行讨论。 摘要：本文讨论了信号经过傅立叶变换所得频谱的物理意义，其中着重于负频率成分。许多信号与系统的教材中，都认为负频率成分没有物理意义。本文以多方面的实例证明了负频率成分不但具有明确的物理意义，而且有重要的工程应用价值。文章还用Matlab程序演示了如何用几何方法求傅立叶反变换，把集总频谱合成为时域信号，从中也可鲜明地看出负频率成分的意义。1负频率与复信号频率 f 的原始定义是每秒出现的次数，可用以衡量机械运动、电信号、乃至任何事件重复出。(a) 三维图形                                    (b)x-y 平面的二维图形现的频度，这当然不存在      有“负”的概念。当用频率描述圆周运动时（即进入了二维信号平面），产生了角频率 ”的概念，从机械旋转运动出发，定义为角速度，对于周期运动，角速度也就是角频率。通常 以反时针为正，因此转动的正频率是反时针旋转角速度，负频率就是顺时针旋转角速度。正、负号是非常自然形成的，没有物理意义的有无问题。电的单位向量（电压或电流）围绕原点的转动，可以用表示，这是在电路中都清楚的。的正负所代表的物理意义从未有什么争议，它的导数的物理意义不言自明，取正取负都不影响定义，为什么取负就会失去物理意义了呢？在信号与系统课程中，为了简化问题，便于初学者掌握概念，开宗明义地把研究范围限定于实 信 号 f(t) ， 也就是 在 电 压 旋 转 向 量2复信号与实信号的频谱同样，用ejt或 sin(t)或 cos(t)作为核来做傅立叶变换所得的结果也是前者全面，后者片面。对实信号做傅立叶变换时，如果用指数为核，将得到双边频谱。以角频率为的余弦信号为例，它有具有位于±两处的、幅度各为 0.5、相角为零的频率特性。它的几何关系可以用图2表示。两个长度为 0.5 的向量，分别以±等速转动，它们的合成向量就是沿实轴方向的余弦向量。而沿虚轴方向的信号为零。可见必须有负频率的向量存在，才可能构成纯 粹的实信 号 。 所以欧公式3双边频谱的工程应用正余弦信号中包括正负双边频谱，不仅有物理意义，而且具有重要的工程价值。1）二相异步电机的设计根据这个概念，可以用两路在空间正交的实信号来构成旋转电磁场，设计电动机。上面给出了单位余弦波在正负两个频率上有幅度相等，相角均为零的两根谱线；同样，单位正弦波在同样正负两个频率上也有幅度相等的谱线，不过它们的相角分别为±/2。用立体图表示如图 3(a)。如果把正弦和余弦两个信号的正频率成分设计得相等相反，则把它们合成以后，就只剩下负频率成分，它就构成一个单纯负向旋转的电信号。为此可以把正弦信号在空间上转动/2，使它的正频率谱线恰好与余弦信号的正频率谱线反向，这样两个信号的合成（见图3(b)）就成为一个只有负频率谱线的信号，当然它在时域必然是复数信号。常用的二相异步电机就是这样负向转动的。而要使该电机正转，则要使两者的负频率成分互相抵消，只保留其正频率成分。2）通信领域中的 Hilbert 变换实信号的双边频谱是对称的。如果它的单边频带宽 W，考虑到负频率成分，实际占的频谱区域就是±W，所以通信中要传输这样的信号就需要占用 2W的频带宽度。为了节省频带，人们就发明了 Hilbert 变换，它可以把信号的正频率频谱移相-90°，把负频率频谱移相90°，然后再将这个信号移相90°与原信号相加，使两者的负频率成分互相抵消，正频率成分加倍，构成一个没有负频率频谱的复信号,（如同上面所说的二相异步电机那样）。这个复信号的带宽就只占 W 了。用这个方法，使频带节约了一半。在这里，可以看到负频率成分的重要性，在传送信号时。它是不可或缺的部分。另外，也看到负频率成分与复信号的密切关系。 3）产生任意的平面运动轨迹 文献5曾提出根据傅立叶反变换原理产生平面运动轨迹的方法。从上面欧拉公式的几何意义不难得知，傅立叶反变换公式其实表示了多个频谱旋转向量的合成，这些向量的频率规定了它信号的实部，在 y轴上的投影是信号的虚部。不难设计出一个程序来演示这个过程，在2,3中编写了一个MATLAB 程序，程序名为 exn941。它把四个集总频谱合成起来。假如给出这些频谱分量如下：a(1) = 1， (1) = 1； a(2) = 1， (2) = 1； a(3) = 0.5，(3) = 3；a(4) = 0.5，(4) = 4；在此处，为了显示复信号，有意把输入频谱设成不对称的，见图5(d)。于是读者将看到四节杆的运动动画，并得到杆系及其末端在复平面上的轨迹（图4），改变了比例尺后为图 5 (a)。将它在x，y两方向的投影与时间轴的关系画在图5(b)和(c)中，就得到信号与系统课程中常见的实信号曲线。输入频谱的幅度可以是负数，也可以是虚数，甚至可以是复数，它不仅反映了频谱的大小，还反映了该向量的起始相位；频谱的频率则只能是有正负号的实数，正频率和负频率以及在该频率上频谱的意义在此不言自明。读者可以做各种各样的试验。例如当两组频率具有倍频关系时，得到的是周期信号，如果频率比是无理数，那将得出非周期的信号；另外，这样的演示只适用于集总频谱，对于分布的频谱密度，就要把它想象为若干小的集总频谱的叠合。总之有了这样的形象演示，可以大大扩展时域信号与频域谱之间关系的思维空间。4）多普勒频率多普勒频率又是一个负频率的实例，如果信号的发射源向我们运动而来，那么多普勒频率就是正频率；如果信号的发射源向我们远离而去，那么多普勒频率就是负频率，在这里正负频率都是有明确物理意义的。多普勒频率虽是一种差频，它表现为合成信号的包络频率，因此仍然符合上述的原理，在实信号域只能求出多普勒频率的大小，但检测不出它的正负。要得到负频率，必须从复信号域考虑。可见，不懂得这一点，就无法找到多普勒测速的原理框图。5）机械工程领域的应用关于二维信号的傅立叶变换，国内早已有学者将其应用于工程领域，参见文献4、 5。这些都是说明频谱中负频率物理意义的实际例证。4在对负频率认识中存在的问题频谱中负频率成分的物理意义往往不为某些人们理解，其主要原因是他们忘记了实信号平面内研究问题的局限性。因为在信号与系统课程中研究的信号通常只限于实信号。从实信号的x-t的波形图上根本看不出频率的转向和正负，频率只能表现为每秒信号重复的次数。分不清正负就以为是正频率，只是一种习惯性的思维方法而已。归根到底，转角和频率的正负，必须在x-y平面或二维信号中才能观察到。因为观察的方法不对，看不到其意义，从而否认它的存在，这是认识论上的错误，不是科学的方法。这就和“瞎子摸象”的故事所说的那样，摸象腿的人否认象有鼻子，毛病出在他的验证方法。他老想在象腿（实信号域）上找到象鼻子（负频率），当然也永远找不到。正确的方法是必须换一个角度，摸别的部位（复信号域），才能得到全面的知识。某些学者不承认负频率是由于把“频率是每秒钟循环的次数”的陈旧概念绝对化，其实频率的概念是不断发展充实的。每秒次数的概念只能粗糙地研究信号外部形态，无法涉及信号每周期内部的细微波形特征，而这恰好是傅立叶变换的任务。从它的核已经可以清楚地看到，正是它摒弃（或发展）了原始的频率定义，采用了角频率的概念。单位是弧度/秒，而且具有明确的方向和正负号。其实频率的概念还在继续发展，进入到数字信号处理时又进一步出现了数字频率，它的单位是弧度（去掉了分母上的“秒”），取值范围是-，。它的物理意义已变为两次采样时刻之间向量转过的角度，在文献1中对此有详细的说明。如果停留在“每秒次数”的旧概念上，那“数字信号处理”也就无法发展了。5从认识论角度纠正对负频率的错误说法这个问题是从教学中提出的，作者在旁听“信号与系统”课程时，在老师的幻灯片上看到了 “关于双边谱，负频率只有数学意义，没有物理意义”的提法。我们觉得这是个错误，而且恐怕不是个别老师的想法。回来一查，果然如此，很多相当权威的主流教材上都这么写。其实，“×××只有数学意义，没有物理意义”这样的“命题”谁也没有证明过，也是无法证明的，它最多只能算是猜想。只要有一个反例就可被推翻，本文已经举出了多个反例，说明它是完全错误的。教师绝不该把错误的猜想说成真理，更不能写在书上和幻灯片上去误导学生。数学是更抽象、更深刻地描述物理现象的工具，而物理是实证的科学。限于条件，人们往往暂时还认识不到数学定理的物理意义。数学超前物理是科学史上多次出现的现象，比如虚数、非欧氏几何等。这时应该努力去理解它，认识它，而不是轻易地放弃它、否定它。自己没想通，没找到的事物，不能说它不存在。给学生讲课时，只能说“我们目前还没有想通×××的物理意义”。这才能表明教师在科学上的严肃和谦逊，也有助于培养学生的科学钻研和创新精神。6结束语讨论这个问题，不仅是理论上的探讨，对于提高教学质量是有重大意义的。今天，信息技术如此的发展，很大程度是由于深入大量地开发频谱资源的结果。在同学刚进入这个资源库的时候，我们要引导他们对这个宝藏发生极大的兴趣，非常珍惜这个宝藏，去深钻，去挖掘它的每一点潜力。不能为了省事，为了堵住学生的好奇提问，轻率地、毫无根据地一句话就把频谱的负频率半边扔掉了。在入门的时候，当然不可能把本文说的概念统统灌输给学生，要顺序渐进。但老师首先要有更宽广的知识面和更科学的思维方法，教出的学生的才会具备更多的想象力和创造性。