繼續(xù)上一篇，本文對離散信號的頻域分析（共5節(jié)）中的第3節(jié)——離散傅里葉變換DFT（Discrete- Fourier Transform）中的第5個問題：頻域抽樣進行總結(jié)。
3.5 頻域抽樣
實際上，DFT，就是頻域抽樣。包括三個問題，這三個問題環(huán)環(huán)相扣、層層推進。
1、DFT與DTFT、z變換的關(guān)系
先從公式上看三個變換的關(guān)系，再結(jié)合z平面的單位圓的概念，從圖形上理解。如下圖：
圖1
圖2
毫無疑問，DFT的自變量k為離散的，而DTFT的自變量w、以及z變換的自變量z都是連續(xù)變量。DFT是另外兩種變換的離散采樣值。因為這種采樣是在頻域，所以稱為”頻域采樣“。
那么問題來啦：
不管在那個域進行抽樣，其數(shù)學本質(zhì)都是用一些離散的數(shù)值代替原來連續(xù)變化的函數(shù)，或者說用一些離散的點代表原來連續(xù)的曲線。能不能代表？取決于兩個因素：一是這些離散的點的間隔，即抽樣間隔；二是原來那條連續(xù)曲線的變化起伏程度。這就是第二個問題：頻域抽樣定理。
2、頻域抽樣定理
傅里葉分析方法的好處在于，建立起時域和頻域的一種重要的對應關(guān)系：一個域離散抽樣，另外一個域周期延拓。所以，研究時域抽樣時，把問題對應到頻域上去研究；那么現(xiàn)在研究頻域抽樣時，又要把問題對應到時域上去研究。毫無疑問，時域上會周期延拓。如下圖：
圖3
既然是以N為周期延拓，條件自然而然就出來了：
圖4
也就是說，只要滿足頻域抽樣定理的條件，頻譜離散的抽樣值X(k)可以完全表征連續(xù)頻譜X(e^jw)或者X(z)。
問題又來了，怎么表示？這就是第三個問題：頻域的插值恢復。
3、頻域的插值恢復
與時域抽樣的恢復完全相同的思路，用離散的樣本值乘以一個插值函數(shù)，得到一個連續(xù)的函數(shù)，只不過這里的插值函數(shù)是關(guān)于w或z的函數(shù)。下面的任務就是找這個函數(shù)fai(w)或fai(z)。
圖5
z變換的形式更為簡潔，因此首先解決由X(k)得到X(z)的問題。
以下推導過程的大致思路：把z變換定義式中的x(n)用IDFT的公式替換，然后交換求和次序，再利用旋轉(zhuǎn)因子的性質(zhì)，即可得到。如下圖：
圖6
解決了由X(k)得到X(z)的問題，將z換成e^jw，自然就得到了X(e^jw)。如下圖：
圖7
把內(nèi)插公式和內(nèi)插函數(shù)總結(jié)如圖8，這個內(nèi)插函數(shù)的幅度部分的圖形我們可以畫出來，我們發(fā)現(xiàn)，它在一些固定的位置（2Π/N的整數(shù)倍處）是零，而2Π/N恰好是頻域抽樣時的間隔，這是巧合嗎？顯然不是，這是必然的。
圖8
我們把內(nèi)插公式展開來看，如圖9所示。也就是說，把各個頻域抽樣值X(k)與做相應平移后的內(nèi)插函數(shù)（平移2Π/N的k倍）相乘，再相加，就得到連續(xù)的頻譜函數(shù)X(e^jw)。與第k個抽樣值相乘的內(nèi)插函數(shù)，在所有其他抽樣點處剛好是零點，只有在第k個抽樣點處的值不為零（值為1）。所以，重建后的這個連續(xù)函數(shù)，在每個抽樣位置（也就是2Π/N的整數(shù)倍）上的值，就等于X(k)這一點的值，不需要任何其他抽樣值參與；而在兩個抽樣點之間的值（沒抽到的地方），需要所有抽樣值來參與共同構(gòu)成。
圖9
這個問題的理解，與“時域抽樣后信號的重建”問題是一樣的。但有的同學可能會說，時域抽樣后信號的重建，我記得是通過理想低通濾波器來推導出重建的內(nèi)插公式，這里怎么不是呢？
如果你能提出這樣的疑問，要表揚，說明你“信號與系統(tǒng)”學的不錯。其實，圖7和圖8中的內(nèi)插公式，完全可以用“時域抽樣信號重建連續(xù)時間信號的內(nèi)插公式”相同的推導方法推導出來。感興趣的同學可以試一下哦。
由于最近比較忙，這篇推文發(fā)的比較遲，讓少數(shù)還在關(guān)注（
（下一篇預告：本章第4節(jié)——快速傅里葉變換FFT）
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