Parseval定理
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一、前言
帕塞瓦尔定理,在讲解傅里叶变换的时候,也被称为能量守恒定理。在百度百科中 帕塞瓦尔定理词条中,支出这个定理产生于 1799年,由数学家 Parseval 提出,该定理也被称为 瑞利能量定理,或者帕塞瓦尔恒等式。对于信号 x(t) 以及 它的频谱,即 傅里叶变换 F(Ω) , 它们的能量相等。等式右边的 2 π 分之一因子,是因为右边频谱的单位取 角频率 所带来的尺度因子。下面我们来证明一下这个公式。
二、证明过程
下面根据傅里叶变换来直接证明这个公式。这里需要使用到一个复数的性质,信号的模的平方,等于它与其共轭的乘积。 这样,信号的能量是对其平方的积分, 这就等于对它与自身共轭乘积的积分。接下来,利用傅里叶反变换公式,两边取共轭,得到信号共轭的反变换。代入上面积分公式,这就形成了一个三重积分的形式。将其中的 2 π分之一系数,合并在一起,后面积分中的变量 Ω 与前面积分是不同的。将它们都增加一撇作为区分。
接下来,交换积分顺序,先对 t 进行积分。然后再分别对 Ω一撇,以及 Ω进行积分。整理一下,于是形成下面的三重积分形式。
对于中间对 t 的积分,它实际上是 对 常量 1 的傅里叶变换。对应的频率变量为 Omiga 减去 Omiga 一撇。我们知道,常量 1 的傅里叶变换为 2 π,δ(Ω),这样就可以写出第二重积分的表达式。再根据 delta 函数的抽样特性,关于 Ω一撇的积分,等于 F(Ω)共轭,在 Ω 处的取值。
消去一个 2 π,然后将最后一个积分合并在一起,这就是到了我们需要证明的结果了。最后一个等式,实际上就是信号频谱能量的表达式了。
在证明过程中, 我们可以得到下面这个公式,这个公式中,还可以将积分号中的同一个信号,更换成不同的两个信号。
这样便可以得到一个更加一般的公式,也就是,任意两个信号的时域复内积,等于它们频域信号的复内积。这个公式也被称为 帕塞瓦尔定理。
※ 总 结 ※
本文讨论了信号能量守恒定理, 也被称为帕塞瓦尔定理。它实际上常用的有两个等效的形式。后面一种的证明,可以仿照前面的整理而得。