信号叠加
数学上的叠加按时间点逐项相加。作为声波近似模型时需采用线性传播的适用范围。
3Blue1Brown · YouTube · 19:41
通过缠绕曲线与时间平均,视频把时域信号和复数频谱联系起来,并演示频率分离及滤波。
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依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。
视频从混合信号提出问题:两种简单振荡叠加后,时域曲线可能难以辨认组成频率。傅里叶分析换一个表示方式,把“随时间怎样变化”转为“包含哪些频率及其复数权重”。这不是把声波真正弯成圆,而是用几何描绘一个数学运算。
理想纯音可用正弦波表示,在线性信号模型中,叠加是每一时刻的数值相加。真实乐器音色还可能含有谐波,不能把所有标为A440的声音都认定为单一正弦波。混合曲线的复杂形状不意味着频率信息消失。
将信号乘以转动的复单位向量 ,得到参数曲线。f以每单位时间的周数计,角速度为2πf。曲线不必位于单位圆上:调节向量长度,负值还会翻向。改变f是在检验不同缠绕频率。
均匀按时间取样后,对复数点求平均。目标振荡与缠绕频率匹配时,某些贡献能够积累,而许多其他贡献互相抵消。有限窗口内,非匹配频率也可能产生非零响应,因此峰值不是“只有完全匹配才非零”的绝对判据。这里的平均权重是时间,不是沿曲线弧长均匀分布的金属丝质量。
变换具有线性:先把信号相加再变换,等于先分别变换再作复数相加。线性不意味着各部分不会相消,也不意味着幅度谱可以直接逐项相加。观察完整复数结果的大小与相位,比只看实部更全面。
后半段将这一思想用于窄带噪声处理:频域中减弱某个频段,再逆变换回时域。视频中的例子说明该操作可以减少啸叫,但若有用信号与噪声占据同一频段,过滤也会损失有用内容,不能保证任何录音都无损变得干净。
欧拉公式把旋转写成复指数。均匀时间点的平均趋向 。实部记录某方向的平均位置,虚部记录另一方向。对实信号,正负频率以共轭方式对应;相位不同会改变两部分的比例。
去掉得到有限窗口的累积积分;更一般的连续傅里叶变换在全时间轴积分,例如g绝对可积时普通积分有保证。无限持续的理想正弦并不绝对可积,其尖峰应理解为广义函数中的δ,而非直接把发散的普通积分当成一个有限复数。实际录音有有限窗口,会出现峰宽与泄漏。
数学上的叠加按时间点逐项相加。作为声波近似模型时需采用线性传播的适用范围。
复单位向量转动,信号值缩放其长度;负信号值使方向翻转。f是周频率,2πf是角频率。
有限窗内,完整复平均能检测频率响应,但非匹配处不一定严格为0,实部还可能因相位而消失。
积分线性保证复数变换可相加;幅度谱一般不能相加,同频分量也可能相消。
理想正弦包含正负两个频率的复权重。此式在广义函数意义下成立,不能只保留单侧实数δ峰。
衰减一个频段也会衰减同频的有用信号。有限窗口与滤波形状影响实际恢复效果。
负指数定义顺时针旋转,是本视频采用的傅里叶约定;另一约定需配套调整逆变换。
时间均匀的点才对应这里的时间积分,不能改成弧长均匀的采样而仍宣称同一质心。
绝对可积是普通积分存在的充分条件。理想持续周期波通常需要广义函数解释;录音可先使用有限窗积分。
如果 是绝对可积的(即 ),则普通积分 有良好定义。然而,无限持续的 ideale 正弦波不是绝对可积的,因为其能量分布在无限时间内。
适用条件:考虑时间窗口 的极限。;分析衰减瞬态信号或持续周期信号。
将 乘以 会使信号的振幅围绕复平面以由 决定的速率旋转。当随时间平均时,匹配频率 的贡献会建设性地累积(远离原点),而不匹配的频率由于围绕圆的对称分布而倾向于相互抵消。
适用条件: 是实值时域信号。; 表示每单位时间的周期数。;平均是在有限或无限的时间窗口内进行的。
该计算是对在*时间*上均匀采样的复点进行平均,而不是沿着轨迹的*弧长*均匀采样。由于信号 调制半径且旋转速度随频率变化,相等的时间间隔并不对应于沿曲线行进的相等距离。
适用条件:采样是在均匀的时间间隔 上完成的。;路径由 定义。
通过傅里叶分析进行滤波会衰减整个频带。如果所需音频与干扰占据相同的频带,它也会被衰减,导致信息丢失。
适用条件:在频域中应用窄带衰减滤波器。;处理有限持续时间的实际录音。
欧拉公式将旋转复指数 表达为 。当与信号 积分时,这将傅里叶变换分离为两个不同的实值积分:实部对应于与余弦的相关性,虚部对应于与负正弦的相关性。
适用条件:使用负指数表示顺时针旋转的约定。; 是实值函数。