ΑΠΘ/ΤΑΤΜ Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας 3ο Εξάμηνο Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη Γεωπληροφορική Signals and Spectral Methods in Geoinformatics Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015 Πρόγραμμα: Τετάρτη 4 – 8

Download Report

Transcript ΑΠΘ/ΤΑΤΜ Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας 3ο Εξάμηνο Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη Γεωπληροφορική Signals and Spectral Methods in Geoinformatics Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015 Πρόγραμμα: Τετάρτη 4 – 8

Slide 1

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 2

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 3

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 4

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 5

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 6

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 7

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 8

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 9

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 10

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 11

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 12

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 13

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 14

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 15

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 16

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 17

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 18

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 19

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 20

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 21

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 22

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 23

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 24

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 25

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 26

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 27

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 28

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 29

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 30

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 31

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 32

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 33

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 34

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 35

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 36

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 37

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 38

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 39

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 40

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 41

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 42

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015


Slide 43

ΑΠΘ/ΤΑΤΜ
Τομέας Γεωδαισίας και Τοπογραφίας
3ο Εξάμηνο

Σήματα και Φασματικές Μέθοδοι στη
Γεωπληροφορική
Signals and Spectral Methods in Geoinformatics
Ακαδημαϊκή Χρονιά: 2014– 2015
Πρόγραμμα:
Τετάρτη 4 – 8 μ.μ.
Διδάσκοντες:
Δ. Δερμάνης, Η.Ν. Τζιαβός, Γ. Βέργος
Ιστοσελίδες μαθήματος:
http://olimpia.topo.auth.gr/courses/index.html
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

http://web.auth.gr/e-topo/
Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ
FOURIER
&
ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –1Γραμμικότητα ή επαλληλία
Εάν είναι:

f 2 ( t )  F2 (  )

f 1 ( t )  F1 (  )
τότε:

 1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )   1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Απόδειξη:

F  1 f 1 ( t )   2 f 2 ( t )  



 j t


dt
e
)
t
(
f


)
t
(
f

2
2
1
1








 1

 f 1 ( t )e

 j t

dt   2



 f 2 ( t )e

 j t

dt



  1 F1 (  )   2 F 2 (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –2Συμμετρία
Εάν είναι:

f ( t )  F()

F( t )  2 f ( )

τότε:

Απόδειξη:


Εξ ορισμού είναι:

2 f ( t ) 

 F (  )e

j t

d





Αλλάζοντας t με –t:

2 f ( t ) 

 F (  )e

 j t

d





Αλλάζοντας t με ω:

2 f (   ) 

 F (t )e

 j t

dt  F  F (t ) 



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –3Χρονική μετάθεση
Εάν είναι:

f ( t )  F(ω )

τότε:

f ( t  t o )  F(ω )e

 jω t o

Απόδειξη:

F  f (t  t o )  





f ( t  t o )e

 j t

dt



Θέτοντας:

t  t o  x  dt  dx

F  f (t  t o )  







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



f ( x )e

 j ( t o  x )

dx  e

 j t o



f ( x )e

 j x

dx  e

 j t o

F ( ω)



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –4Φασματική μετάθεση
f ( t )  F()

Εάν είναι:

τότε:

f ( t )e

j o t

 F(   o )

Απόδειξη:


F  f ( t )e


jω o t

 






 f ( t )e jω o t e  jω t d t 









f ( t )e

 j( ω  ω o ) t

d t  F(ω  ω o )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Ο ΣΧΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΣΤΟ MATLAB
Ο μετασχηματισμός Fourier της
εκθετικής συνάρτησης (exp-at) (t > 0)
και πραγματικό και φανταστικό μέρος

F (    i

1

  ia
Ιδιότητες γραμμικότητας, χρονικής
και φασματικής μετάθεσης!!!!!!

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –5Μεταβολή κλίμακας χρόνου

Εάν είναι: f ( t )  F (  )

Απόδειξη:

τότε:

f ( t ) 


F 
 
1

  0

F f (  t )  



 f (  t )e

 j t

dt



 t  x   dt  dx  dt  (1 /  ) dx

F f (  t )  

F f (  t )  
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


1




 f ( x )e

 j(  /  ) x

dx





 f ( t )e



 j(  /  ) t

dt 

  
F f ( )
   
1

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –6Θεώρημα διαμόρφωσης
Εάν είναι:

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

τότε:

1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

Απόδειξη:
Με βάση τη σχέση

co s ω o t  (1 / 2 )(e

jω o t

e

 jω o t

)

και τα θεωρήματα γραμμικότητας και φασματικής μετάθεσης είναι:

1
1
j t
 j t 
F f ( t ) cos  o t   F  f ( t ) e o  f ( t ) e o 
2
2



1
2



1
2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F f ( t )e

j o t



F(   o ) 

1
2
1
2



F f ( t )e

 j o t



F(   o )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –7Θεώρημα παραγώγισης ως προς τον χρόνο
f ( t )  F()

Εάν είναι:

f ( t ) 

τότε:

dx

( t )  j F (  )

dt
f (t)  0

Λαμβάνουμε υπόψη ότι:

t  

Απόδειξη:

F  f ( t )  







f ( t )e

 jω t

d t  f ( t )e

 jω t






Επειδή



f ( t )e

 jω t

dt



f (t)  0

F  f ( t )   jω

 jω

t  





f ( t )e

 jω t

d t  jω F(ω )



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –8Θεώρημα παραγώγισης ως προς τη συχνότητα

Εάν είναι:

f ( t )  F ()

(  jt ) f ( t )  F (  ) 

τότε:

dF
d

()

Απόδειξη:


F() 

 f ( t )e

 j t

dt



Με διαφόριση προκύπτει
dF (  )
d



d
d



 f ( t )e

 j t

dt



Με αλλαγή σειράς διαφόρισης και ολοκλήρωσης προκύπτει:
dF (  )
d







 f ( t )   (e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος


 j t

) dt 

 

jtf ( t ) e

 j t



dt  F  jtf ( t ) 



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –9Θεώρημα ολοκλήρωσης


f ( t )  F ( )

Εάν είναι:

και



f ( t )dt  F ( 0 )  0

τότε:



t



f ( x )dx 



1
j

F ( )

Απόδειξη:
t

Είναι:

φ( t ) 

 f ( x )d x,

φ ( t )  f  t  ,

F[φ( t )]  Φ (ω )



και από το θεώρημα της παραγώγισης ως προς τον χρόνο προκύπτει:

Τελικά είναι: F[φ ( t )]  F[f ( t )]  jω Φ (ω )

1

Φ (ω ) 



F


F[f ( t )] 

1


F(ω )


1
1
 f ( x )d x   jω F(ω )  jω F[f ( t )]


t

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER –10Εξίσωση του Parseval


Εάν f ( t )  F(ω ) ,

g( t )  G(ω )



τότε



f ( t )G(ω )d t 



 F(ω )g( t )d t



Απόδειξη:


F() 





f ( t )e

 j t

G () 

dt







g ( t )e

 j t

dt






 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

f
(
t
)
g
(
t
)
e
dt









 dt


Αλλάζοντας τη σειρά ολοκλήρωσης προκύπτει



 j t
f
(
t
)
G
(

)
dt

g
(
t
)
f
(
t
)
e
dt







Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος




 dt 




 g ( t )F (  ) dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ FOURIER
ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ (f(t) πραγματική)
Είναι:
f ( t )  F ()

f (t)  f e (t)  f o (t)

F()  R ( )  I()

Ισχύουν οι ακόλουθες ιδιότητες:


R () 

 f ( t ) cos  tdt





I( )  

 f ( t ) sin  tdt



R ()  R ( )

I( )   I( )

f e ( t )  R ()

f o ( t )  jI (  )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



F( )  F ()

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
Αρχίζουμε από τη σχέση:
e

 j t

 cos  t  j sin  t







F ( ) 

f ( t )e

 j t

dt 







f ( t ) cos  tdt  j







f ( t ) cos  tdt

I ( )  





f ( t ) sin  tdt





R (  ) 

f ( t ) sin  tdt  R ( )  jI ( )





R ( ) 







f ( t ) cos(   t ) dt 





f ( t ) cos(  t ) dt  R ( )





I (  )  





f ( t ) sin(   t ) dt 





f ( t ) sin  tdt   I ( )





F (   )  R (   )  jI (   )  R ( )  jI ( )  F ( )
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΣΤΟΥΣ
ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

Από τη σειρά Fourier στο ολοκλήρωμα Fourier
Από τις διακριτές στις συνεχείς και από [0, Τ] στο [, ]

καταλήγουμε στο ολοκλήρωμα για τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier


 f ( t )e

F() 

 j t

dt

Ευθύς μετασχηματισμός Fourier



O αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

f (t) 

1
2



 F (  )e

j t

Αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier

d



Ζεύγος μετασχηματισμού Fourier


F (  )  F [ f ( t )] 

 f ( t )e

 j t

dt

Ευθύς



f (t)  F

1

[ F (  )] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2

 F (  )e



j t

d

αντίστροφος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ FOURIER / ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
Βασικές σχέσεις
ευθύς μετασχηματισμός Fourier



F() 

 f ( t )e

 j t

dt

από τον χώρο των αριθμών στο χώρο
των συχνοτήτων



αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier



f (t) 

1
2



F ( )e

j t

d

από τον χώρο των συχνοτήτων
στον χώρο των αριθμών


ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ !!!

f ( t )  F()
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



ζεύγος μετασχηματισμού Fourier

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F (  )  φάσμα Fourier – γενικά μιγαδικό

F(ω )  R (ω )  jI(ω )

πραγματικό και φανταστικό μέρος φάσματος



R (ω ) 



f ( t ) c o s (ω t )d t

πραγματικό μέρος φάσματος





I(ω )  



f ( t ) s in (ω t )d t

φανταστικό μέρος φάσματος



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER
F() 

F()

2

2

2

φάσμα εύρους (amplitude spectrum)

2

2

φάσμα ενέργειας (energy spectrum)

R ()   ()

 R ()   ()

 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

I()
R ( )

φάσμα φάσης (phase spectrum)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΣΕ ΠΟΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ
F ( )  R ( )  i I ( )
R ( )  F ( ) cos  ( )

I ( )  F ( ) sin  ( )

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης

F ( ) 

R ( )  I ( )
2

2

 ( )  arctan

I ( )
R ( )

F ( )  R ( )  i I ( )  F ( )  cos  (  )  i sin  (  )   F (  ) e

πολική μορφή:

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F ( )  F ( ) e

i  ( )

i  ( )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)

e   t
f (t)  

 0

Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Fourier, το φάσμα
εύρους και το φάσμα φάσης

t0
t0

Λύση


F() 



 f ( t )e

 j t

dt 





Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

e

t

e

 j t

dt 

0

1
 (   j ω)

F ( ω) 



e

1
  jω

 (   j ) t

dt

0

 (   j ω)t





0



e

α  jω
α ω
2

2

1
  jω



R(ω)

a
α ω
2

2

 j

I(ω)

ω
α ω
2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (1)
F() 





2





2 2



 (  )  arctan

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



2



2

2







2 2



1
 
2

2

φάσμα εύρους

φάσμα φάσης



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (2)
 e   t
f (t)  
 e  t

t0

με α>0

t0

Λύση


F(ω ) 



f ( t )e

 jω t



dt 





αt

e e

 jω t

dt 



e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

 (  α  jω ) t

dt 


0

e

e

 αt

e

 jω t

dt

0



0





0

 ( α  jω ) t

dt 

1
 α  jω



1
α  jω

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική




α ω
2

2

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (3)

2e  3t
f (t)  

 0

t0
t0

Λύση


F ( ) 





f ( t )e

 j t

dt  2  e

0

R () 

F() 

(  3  j t )

dt 

0

6
9

I()  

2

36  4 

2

9   

2

2



36  4 
9

2
(3  j )

e

 ( 3  j ) t 
0



2 (3  j )
9

2

2
9

2

2

2

 
 (  )  arctan(  2  / 6 )  arctan   
 3
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (4)
F (  )  F[ f ( t )]

  ί   . Fourier



f ( t ) sin  o t

Λύση

sin  o t 

1
2j

e

j o t

e

 j o t



1
1
j o t
 j o t 
F[ f ( t ) sin  o t ]  F  f ( t ) e

f ( t )e

2
j
2
j




1
2j



1
2j

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

F(   o ) 

1
2j

F(   o )

F (    o )  F (    o ) 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
Nα βρεθεί ο μετ. Fourier της

f (t)  e

3 t

cos( 10 t )

Λύση
(A)

Θεώρημα διαμόρφωσης

f ( t )  F()

f ( t ) cos  o t 

e

ω 0  10

e

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

3t

cos( 10 t ) 

3t



1
2

F(   o ) 

1
2

F(   o )

1
jω  3


1
1
1



2  j( ω - 10)  3 j( ω  10)  3 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (5)
(Β) Αναλυτικός τρόπος

f (t )  e

 3t

f (t )  e

1

cos 10 t 

 3t

e

e

3t

cos( 10 t )

j 10 t



2


F( ω ) 



f ( t )e

 jω t

dt 

2





e

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1


0





3 t

e

j1 0 t

e

 jω t

dt 

 ( 3 1 0 j jω ) t

2(3  1 0 j  j ω )

1
2



e

e

3t

e

 j 10 t

2



e

1


0





e

3 t

e

 j1 0 t

e

 jω t

dt




1
1
1
 


2  3  1 0 j  jω 3  1 0 j  jω 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (6)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1

d

2
1

να βρεθεί ο μετ. Fourier
d

2

Λύση



F ( ) 

d /2

p

d

( t )e

 j t

dt 



1
 j

e


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



e

 j t

dt 

d / 2

 j t d / 2
d / 2

2





1
j

e

j d / 2

sin(  d / 2 )  d

e

 j d / 2



sin(  d / 2 )
( d / 2 )

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (7)

 1,
pd(t)  
0,


t
t

1
2
1

d

f ( t )  p d ( t ) cos ω o t

να βρεθεί ο μετ. Fourier της
d

2

Λύση

 ωd 
F[p d ( t )] 
sin 

ω
 2 
2

Σύμφωνα με το θεώρημα της διαμόρφωσης έχουμε:

sin
F(ω )  F[p d ( t ) co s ω o t] 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

sin


1

d(ω  ω o )

2
ω  ωo

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
T  t0

 A /T

f1 ( t )    A / T
 0


0tT
 ή   ύ

(α) Να βρεθεί ο μετ. Fourier της f1(t)
(β) Η f2(t) είναι το ολοκλήρωμα της f1(t). Με βάση το
αποτέλεσμα του (α) να βρεθεί ο μετ. Fourier της f2(t)
(γ) Το αποτέλεσμα της (β) να επαληθευθεί με άμεση
ολοκλήρωση
f2(t)

f1(t)

A/T

A

T
-T

t

0
t
-A/T

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

-T

0

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

T

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
Λύση
(α)


F1 (ω ) 



0

f1 ( t )e

 jω t



dt 



T

( A / T )e

T

 jω t

d t   (  A / T )e

 jω t

dt 

0



A  1 
A  1   jω T
A
jω T
jω T
 jω T
1

e

e

1

e

e
2 




T   jω 
T   jω 
jω T



2A  1
2A
4A

jω T
 jω T
2
e

e

1

(co
s
ω
T

1)


sin
(ω T / 2 )


jω T  2
jω T
jω T




Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος















Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(β)



t

f 2 (t) 

Τώρα ισχύουν:

f

1

( x ) dx

f





1

( t )dt  0



Σύμφωνα με το θεώρημα της ολοκλήρωσης θα είναι:

1  4A 
2
F2 (ω ) 
F1 (ω ) 

sin
ωT / 2 



jω  jω T 
1



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

4A
2

ω T

sin

2

ωT / 2 

2

AT

sin (ω T / 2 )

ωT / 2 

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
(γ)

A
T  t0
T t A

 A
f2 ( t )   
tA
0  t T
 T
 0 ο π ο υ δ ή π ο τε α λ λ ο ύ




F2 (ω ) 



f 2 ( t )e

 jω t

dt


0

A
  jω t
   t  A e
dt 
T

T 
0
A 
 jω t

dt 
  te
T T

Τ

 A
  jω t

t

A
dt 
e
  T

0

T

 te

 jω t

0

0
A  t
1
 jω t


e

T   jω
 T jω


Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

T

 jω t
dt  A  e
dt
T


!!!!Ολοκλήρωση κατά μέρη!!!!

 t
T
1
 jω t
 jω t
e
d
t

e



  jω
0 jω
T

0

T


0

e

 jω t

  Α
T 
 jω t
dt   
e





T

 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (8)
F2 (ω ) 
0
T
A   T jω T
1
T  jω T
1
A
 jω t
 jω t
jω T
 jω T

e

e

e

e

e

e


2
2
T  jω
( jω )
 T jω
( jω )
0  jω







A


2

4A


2



2e

sin

2

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

jω T

e

 jω T

ωT / 2 





AT



2A 
1
2A
jω T
 jω T 
1

e

e

 1  co s ω T 
2 
2

Tω 
2
 Tω



ωT / 2 
2
ωT / 2 

sin



2

ίδιο με το αποτέλεσμα της (β)

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (9)
Ένα σήμα έχει μετασχηματισμό Fourier:

F(ω ) 

Να βρεθεί η συνάρτηση f(t) (πραγματική συνάρτηση)

 0
1
 0

bω
b ω b
ω  b

ΛΥΣΗ

f (t) 



1
2



 F() e



1
2 jt

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

j t

d 

1
2

b

b

e

b

j t

1  1 j t 
1
jbt
 jbt
d 
e

(
e

e
)


2   jt
2  jt
 b

[cos bt  j sin bt  (cos bt  j sin bt )] 

1
2 jt

2 j sin bt 

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

sin bt

t

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
 ά  f ( t )  F (  )  ό  :
(1) f ( t ) cos(  t ) 

1

F(  ) 

2

1

F (    ),

1

( 2 ) f ( t ) sin(  t ) 

2

F(  ) 

2j

1

F(  )

2j

Λύση
e



 co s θ  j sin θ, e

 jθ

 co s θ  j sin θ, co s θ 

e



e

 jθ

, sin θ 

2
(1) Έ 

y ( t )  f ( t ) cos(  t ).



 () 



y ( t )e





1
2



1
2

 e j t  e  j t
dt   f ( t ) 
2





 f ( t )e

j t

e

j t

dt 

2




 f ( t )e



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1

 j(    ) t

dt 

1
2



e

 jθ

2j

 ί  :



 j t

e

  j t
e
dt





 f ( t )e

 j t  j t

dt





 f ( t )e



 j(    ) t

dt 

1
2

F(  ) 

1

F(  )

2

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER – ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
(2)

y ( t )  f ( t ) sin(  t )  f ( t )

e

j t

e

 j t

2j


Y () 

 f (t)

e

j t





1

e

 j t

e

 j t

2j



 f ( t )e

j t

e

 j t

dt 

2 j 


1

2 j 

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

1



 f ( t )e

 j t

e

 j t

dt

2 j 



 f ( t )e

dt

 j(    ) t

dt 

1



 f ( t )e

2 j 

 j(    ) t

dt 

1

F(  ) 

2j

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

1

F(  )

2j

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (10)
Δίνεται στο χώρο των αποστάσεων η εξίσωση:

t(x, y)  h (x, y)  a r(x, y)

όπου h(x,y), t(x,y), r(x,y) γνωστές συναρτήσεις και a γνωστή παράμετρος.

Να προσδιορισθεί μέσω μετασχηματισμών Fourier η συνάρτηση t(x,y). Να
αναφέρετε πόσοι ευθείς και πόσοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί είναι απαραίτητοι
και ποιες ιδιότητες χρησιμοποιούνται κατά τον προσδιορισμό.
Λύση
Η εξίσωση στο χώρο των συχνοτήτων έχει την ακόλουθη μορφή (εφαρμόζονται ευθείς
μετασχηματισμοί Fourier και η ιδιότητα της γραμμικότητας

T ( u , v )  H ( u , v )  aR ( u , v )

όπου
T ( u , v )  F[ t ( x , y )] , H ( u , v )  F[ h ( x , y )],

R ( u , v )  F[ r ( x , y )]

τα αντίστοιχα φάσματα των συναρτήσεων (ευθείς μετ. Fourier). H ζητούμενη συνάρτηση
προκύπτει από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier
1

t ( x , y )  F [ T ( u , v )]
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥΣ FOURIER (11)
'  

f ( t )  F()



g ( t )  G ()



  ί

 f ( t ) g ( t )dt





Λύση

  ό   ό 
G ( t )  2 g ( )



1
2

 F ( t ) G (  t )dt



  ί   ύ  :


G ( t )  2 g ()

  ό   ί   Parseval  ύ  :




 f ( t ) 2  g ( t )dt





 F ( t ) G (  t )dt



  ώ     ύ   έ   2   ύ  :


 f ( t ) g ( t )dt



Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος



1
2



 F ( t ) G (  t )dt



Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (1/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
1. Να βρεθεί ο μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

f (t)  e

6t

2 
co s  t 
3 

βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με αναλυτικό
τρόπο. Στη συνέχεια να δημιουργηθεί πρόγραμμα στο
MATLAB που να σχεδιάζει τη συνάρτηση, τον
μετασχηματισμό fourier αυτής, το φάσμα εύρους και το
φάσμα φάσης.
(ΒΟΗΘΕΙΑ: προγράμματα fourier_exp1.m και fourier_triangle.m από τη σελίδα
του μαθήματος)

Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015

ΑΣΚΗΣΕΙΣ (2/2)
Ημερομηνία Παράδοσης 26/11/2014.
2.Μια συνάρτηση f(t) έχει μετασχηματισμό fourier
 1

F ( )    1
0


0   2
2    0

 2

να βρεθεί η συνάρτηση f(t). Στη συνέχεια να βρεθεί ο
μετασχηματισμός fourier της συνάρτησης

g(t)= f(t)*sin(4t)
βάσει του θεωρήματος της διαμόρφωσης και με
αναλυτικό τρόπο.
Η. Τζιαβός - Γ. Βέργος

Σήματα και φασματικές μέθοδοι στη γεωπληροφορική

2014/2015