傅里叶变换的原理及matlab实现
课程名称： 数字图像处理
学 院： 信息工程与自动化学院 专 业： 计算机科学与技术 年 级： 09级 学生姓名： 111 指导教师： 1111 日 期： 2012-6-10
教 务 处 制
一、傅立叶变化的原理； ............................................................................................................... 3
（1）原理 ................................................................................................................................. 3 （2）计算方法 ......................................................................................................................... 3 二、傅立叶变换的应用； ............................................................................................................... 3
（1）、频谱分析 ....................................................................................................................... 4 （2）、数据压缩 ....................................................................................................................... 4 （3）、OFDM ........................................................................................................................... 4 三、傅里叶变换的本质； ............................................................................................................... 4 四、实验内容； ............................................................................................................................... 8 五、傅立叶变换方法； ................................................................................................................... 8 六、 实验结果及分析； ................................................................................................................. 8 七、傅立叶变换的意义； ............................................................................................................... 9
（1）、傅立叶变换的物理意义 ............................................................................................... 9 （2）、图像傅立叶变换的物理意义 ..................................................................................... 10 八、总结；..................................................................................................................................... 11 九．附录；..................................................................................................................................... 11
一、傅立叶变化的原理；
（1）原理
正交级数的展开是其理论基础！将一个在时域收敛的函数展开成一系列不同频率谐波的叠加，从而达到解决周期函数问题的目的。在此基础上进行推广，从而可以对一个非周期函数进行时频变换。
从分析的角度看，他是用简单的函数去逼近（或代替）复杂函数，从几何的角度看，它是以一族正交函数为基向量，将函数空间进行正交分解，相应的系数即为坐标。从变幻的角度的看，他建立了周期函数与序列之间的对应关系；而从物理意义上看，他将信号分解为一些列的简谐波的复合，从而建立了频谱理论。 当然Fourier积分建立在傅氏积分基础上，一个函数除了要满足狄氏条件外，一般来说还要在积分域上绝对可积，才有古典意义下的傅氏变换。引入衰减因子e^(-st)，从而有了Laplace变换。（好像走远了）。 （2）计算方法
连续傅里叶变换将平方可积的函数f（t）表示成复指数函数的积分或级数形式。
这是将频率域的函数F(ω)表示为时间域的函数f（t）的积分形式。 连续傅里叶变换的逆变换 (inverse Fourier transform)为
即将时间域的函数f（t）表示为频率域的函数F(ω)的积分。
一般可称函数f（t）为原函数，而称函数F(ω)为傅里叶变换的像函数，原函数和像函数构成一个傅里叶变换对（transform pair）。
二、傅立叶变换的应用；
DFT在诸多多领域中有着重要应用，下面仅是颉取的几个例子。需要指出的是，所有DFT的实际应用都依赖于计算离散傅里叶变换及其逆变换的快速算法，即快速傅里叶变换（快速傅里叶变换（即FFT）是计算离散傅里叶变换及其逆变换的快速算法。）。
（1）、频谱分析
DFT是连续傅里叶变换的近似。因此可以对连续信号x(t)均匀采样并截断以得到有限长的离散序列，对这一序列作离散傅里叶变换，可以分析连续信号x(t)频谱的性质。前面还提到DFT应用于频谱分析需要注意的两个问题：即采样可能导致信号混叠和截断信号引起的频谱泄漏。可以通过选择适当的采样频率（见奈奎斯特频率）消减混叠。选择适当的序列长度并加窗可以抑制频谱泄漏。
（2）、数据压缩
由于人类感官的分辨能力存在极限，因此很多有损压缩算法利用这一点将语音、音频、图像、视频等信号的高频部分除去。高频信号对应于信号的细节，滤除高频信号可以在人类感官可以接受的范围内获得很高的压缩比。这一去除高频分量的处理就是通过离散傅里叶变换完成的。将时域或空域的信号转换到频域，仅储存或传输较低频率上的系数，在解压缩端采用逆变换即可重建信号。 （3）、OFDM
OFDM（正交频分复用）在宽带无线通信中有重要的应用。这种技术将带宽为N个等间隔的子载波，可以证明这些子载波相互正交。尤其重要的是，OFDM调制可以由IDFT实现，而解调可以由DFT实现。OFDM还利用DFT的移位性质，在每个帧头部加上循环前缀（Cyclic Prefix），使得只要信道延时小于循环前缀的长度，就能消除信道延时对传输的影响。
三、傅里叶变换的本质；
傅里叶变换的公式为
??F(?)????f(t)e?j?tdt
可以把傅里叶变换也成另外一种形式：
F(?)?1?f(t),ej?t? 2?可以看出，傅里叶变换的本质是内积，三角函数是完备的正交函数集，不同频率的三角函数的之间的内积为0，只有频率相等的三角函数做内积时，才不为0。
?ej?1t,ej?2t???ej(?1??2)tdt?2??(?1??2)
下面从公式解释下傅里叶变换的意义
因为傅里叶变换的本质是内积，所以f(t)和ej?t求内积的时候，只有f(t)中频率为?的
j?t分量才会有内积的结果，其余分量的内积为0。可以理解为f(t)在e上的投影，积分值是
时间从负无穷到正无穷的积分，就是把信号每个时间在?的分量叠加起来，可以理解为f(t)在ej?t上的投影的叠加，叠加的结果就是频率为?的分量，也就形成了频谱。
傅里叶逆变换的公式为
1f(t)?2???j?tF(?)ed? ???下面从公式分析下傅里叶逆变换的意义
傅里叶逆变换就是傅里叶变换的逆过程，在F(?)和e?j?t求内积的时候，F(?)只有t
时刻的分量内积才会有结果，其余时间分量内积结果为0，同样积分值是频率从负无穷到正无穷的积分，就是把信号在每个频率在t时刻上的分量叠加起来，叠加的结果就是f(t)在t时刻的值，这就回到了我们观察信号最初的时域。
对一个信号做傅里叶变换，然后直接做逆变换，这样做是没有意义的，在傅里叶变换和傅里叶逆变换之间有一个滤波的过程。将不要的频率分量给滤除掉，然后再做逆变换，就得到了想要的信号。比如信号中掺杂着噪声信号，可以通过滤波器将噪声信号的频率给去除，再做傅里叶逆变换，就得到了没有噪声的信号。
优点：频率的定位很好，通过对信号的频率分辨率很好，可以清晰的得到信号所包含的频率成分，也就是频谱。
缺点：因为频谱是时间从负无穷到正无穷的叠加，所以，知道某一频率，不能判断，该频率的时间定位。不能判断某一时间段的频率成分。
例子：
平稳信号：x(t)=cos(2*pi*5*t)+cos(2*pi*10*t)+cos(2*pi*20*t)+cos(2*pi*50*t)