SDR正传:第十二章 用棱镜分解世界

“昨天是我21岁的生日,在这个年龄,牛顿和帕斯卡已经有了许多不朽的成绩”- 傅立叶 (Baron Jean Baptiste Joseph Fourier)

这是多么热切的渴望。

前面说到,拿破仑入侵埃及的时候,带去了一队科学家,其中有一个名字彻底改变了我们对世界的认识和方法:傅立叶

SDR正传:第十二章 用棱镜分解世界

图:三棱镜将白光分解为七种颜色

1807年,他向法国科学院提交了一篇论文,说的是热的传播。在论文中,傅立叶用正弦曲线来描述温度分布,并提出了一个数学观点:任何连续的周期信号都可以有一组适当的正弦曲线组合而成。

我们可以将这句话中的“任何连续的周期信号”理解成上图中的白光,“一组适当的正弦曲线组合”就是上图中的七色光,而棱镜就是傅立叶变换。

现代科学,所遵循的灵感来源于古希腊:答案应该简单、符合逻辑,能以数学表达。而傅立叶变换,正是以一种简洁的数学表达,将复杂的现象分解成简单、易于分析的成分。就好比你端了一盘西红柿炒蛋,傅立叶变换告诉你它的成分是:鸡蛋、西红柿、糖、盐、油;噢,不,其实更细致一些:碳有多少、氢有多少、氮有多少。

成分有哪些,对应的就是正弦波的频率:红光和蓝光对应不同的频率,碳和氢也对应不同的频率。

每种成分有多少,对应的是正弦波的振幅:碳、氢、氧(糖的主要成分)多一些,你可能就觉得甜一些。

于是,傅立叶变换给了我们看世界的另一个视角。

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图:傅立叶变换将时域转换为频域

左边就是你看到的随着时间变化、纷繁复杂的世界(时域),也许是一束光,也许是一盘西红柿炒蛋。傅立叶用数学的观点将他们分解成许多正弦波,然后用频率和振幅来表示他们。

于是,世界变得简单了。

你听到的调频广播,在时域的信号是这样的:

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图:时域信号

而频域的信号是这样的:

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图:频域信号

对于两张同样的照片,右边的比左边的更加清晰,但如何让计算机判别出来?越清晰,意味着颜色变化得越快,频率就越高。经过傅立叶变换后高频成分越多的照片越清晰。

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图:图像的清晰度比较

而把一个国家乃至全世界的经济数据画成一张随时间变化的图(下图上),然后用傅立叶变换将其分解(下图下),是不是能看出长期趋势(低频信号)和短期趋势(高频信号)?

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图:美国股票市场走势的傅立叶分析

在软件定义的无线电中,傅立叶变换也是最常用的算法之一。

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