Иллюстрированный самоучитель по MathCAD 12

Пример: артефакты дискретного Фурье-преобразования

При численном нахождении преобразования Фурье следует очень внимательно относиться к таким важнейшим параметрам, как объем выборки (в терминах листинга 14.1, xМАХ) и интервал дискретизации (Δ). Соотношение этих двух величин определяет диапазон частот (Ω_0,Ω_N), для которых возможно вычисление значений Фурье-спектра. В этой связи хотелось бы обратить внимание на три типичные опасности, которые могут подстерегать неподготовленного исследователя при расчете дискретного Фурье-преобразования и быть для него весьма неожиданными.

Влияние конечности интервала выборки

Во-первых, следует обратить внимание на само определение преобразования Фурье как интеграла с бесконечными пределами. Его численное отыскание подразумевает принципиальную ограниченность интервала интегрирования (просто в силу конечности объема выборки). Поэтому самым очевидным несоответствием будет поиск, вообще говоря, другого интеграла, отличного от интеграла Фурье. Влияние конечности интервала выборки проявляется главным образом на искажении его низкочастотной области. В качестве примера приведем Фурье-спектр гармонической функции с частотой 0.015. Для его расчета достаточно заменить в листинге 14.1 четвертую строку на равенство y_i: = sin(2π0.915x_i). Соответствующий Фурье-спектр изображен на рис. 14.7 (сверху – в обычном, а снизу – в более крупном масштабе) и демонстрирует не совсем правильное поведение в низкочастотной области. Как видно, спектр содержит довольно широкий максимум вместо одиночного пика, как было в случае средних частот сигнала на рис. 14.3.

Примечание 1
Если быть точным, вместо спектра некоторой функции f (х) дискретное преобразование Фурье подразумевает вычисление спектра другой функции f (х)Ф(х), где Ф(х) – это функция-ступенька, равная единице в пределах расчетного интервала и нулю за его пределами. В частотной области это соответствует операции свертки означенных двух функций, что, конечно, искажает (неизвестный) точный спектр f (х). Для борьбы с проявлением конечности интервала выборки используются специальные методы, основанные на применении техники спектральных окон.

Примечание 2
Из сказанного ясно, почему исследователя не должна смущать необходимость дополнения массива исходных данных нулями до размера 2" (чтобы можно было использовать алгоритм БПФ). По самому определению дискретного Фурье-преобразования, исходная функция и так предполагается равной нулю за пределами расчетного интервала, что приводит к неминуемым искажениям.

Рис. 14.7. Иллюстрация влияния конечности выборки на расчет низкочастотной части Фурье-спектра