«Преобразование Фурье не может измерять две фазы на одной частоте». Почему нет?


15

Я читал, что преобразование Фурье не может различать компоненты с одинаковой частотой, но разной фазой. Например, в Mathoverflow или xrayphysics , где я получил название моего вопроса от: «Преобразование Фурье не может измерять две фазы на одной частоте».

Почему это верно математически?


5
Можете ли вы выделить компоненты, скажем, грех⁡(Икс)+грех⁡(Икс+с) ? Бьюсь об заклад, вы не можете.
— Ильмари

FT находит компоненты, которые могут быть добавлены вместе, чтобы восстановить данный сигнал. Но это не значит, что эти компоненты как-то на самом деле присутствовали в оригинале. Существует бесконечно много разных способов, которыми данный сигнал мог бы быть «сконструирован», но сигнал будет иметь только один уникальный FT.
— Соломон Слоу

Ответы:


30

Это потому, что одновременное присутствие двух синусоидальных сигналов с одинаковой частотой и разными фазами фактически эквивалентно одному синусоидальному сигналу на той же частоте, но с новой фазой и амплитудой, как показано ниже:

Пусть два синусодиальных компонента суммируются так:

Икс(T)знак равноaсоз⁡(ω0T+φ)+бсоз⁡(ω0T+θ)

Тогда из тригионометрических манипуляций можно показать, что:

x(t)=Acos⁡(ω0t+Φ)

где

A=a2+b2+2abcos⁡(θ−ϕ)
и
Φзнак равнозагар-1⁡(aгрех⁡(φ)+бгрех⁡(θ)aсоз⁡(φ)+бсоз⁡(θ))

следовательно, у вас фактически есть один синусоидальный (с новой фазой и амплитудой), и поэтому нечего отличить на самом деле ...


1
Мой мозг должен быть выключен, потому что я слежу за триггерами, но вокруг все еще кружится путаница ... ОП не добавлял их, так что оправдывает начальный шаг, когда вы их добавляете? Другими словами, если мы просто думаем о них как о двух сигналах, один из которых начинается «позже», чем другой, но они не добавлены, можем ли мы их различить? Вы должны добавить их, потому что у вас не может быть двух точек данных на одной частоте? Благодарю.
— Марк Лидс

2
@markleeds, ОП не сказал, что он имел в виду оконное преобразование Фурье, и приведенные ссылки ясно указывают на обычную неоконную версию. В обычной версии анализа Фурье предполагается, что сигналы составлены в виде взвешенной суммы синусоидальных сигналов с различной фазой. Анализ состоит из получения этих весов и фаз. Коллекция их является спектром. Если вы объедините 2 синусоиды, этот глобальный анализ Фурье также не сможет различить их фазу. Тем не менее, оконное преобразование Фурье разработано для такой работы ... не то, чтобы оно делает это замечательно хорошо.
— Стефан Карлссон

1
Как подсказал мой комментарий, было бы полезно добавить упоминание о оконном преобразовании Фурье. Если у @ Fat32 есть время, он мог бы упомянуть разрыв, связанный с конкатенацией 2 синусоид различной частоты, и почему мы получаем диапазон, казалось бы, случайных частот, добавляемых к глобальному преобразованию Фурье, если мы попытаемся проанализировать это.
— Стефан Карлссон

2
Привет @markleeds, как уже указывал СтефанКарлссон, вопрос касался случая суперпозиции (одновременного аддитивного присутствия) этих двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты. Обратите внимание, что фаза является относительным термином, а не абсолютным; т. е. он измеряется относительно выбранного общего (временного) источника, выше. Конкатенации (как в фазовой манипуляции) позволяет оконную дискриминацию , но вы все равно должны относиться к общему времени происхождения сказать фазовые различия в любом случае. Вот почему приемники PSK требуют строгой синхронизации времени импульса ;-)Tзнак равно0
— Fat32

1
@smsc похоже на повторение, но если выходные данные этих двух кабелей добавляются и затем анализируются через FT, то вы увидите одну синусоидальную волну со сложной фазой и усилителем ... Но если вы не добавите их и не проанализируете по отдельности, тогда вы сможете сказать их относительные фазы ... И это не имеет отношения к DFT.
— Fat32

1

Если вы читаете дальше, вплоть до « Упрощенная версия преобразования Фурье, которое мы обсуждали выше, не может объяснить фазовые сдвиги - как преобразование Фурье фактически делает это?» Вы заметите немного лучшее объяснение, они используют синусы и косинусы.

« Математика фазовых сдвигов (необязательно) .

Чтобы увидеть, как сдвиг фаз можно разбить на несмещенные синусы и косинусы, нам нужна тригонометрическая идентичность: sin (a + b) = sin (a) * cos (b) + cos (a) * sin ( б).

A * sin (2 * π * f * t + φ) = A * cos (φ) * sin (2 * π * f * t) + A * sin (φ) * cos (2 * π * f * t)

Как вы можете видеть, фазовый сдвиг перемещает часть амплитуды (энергии) синусоидального сигнала в косинусоидальный сигнал, но частота не изменяется. Если вы используете представление комплексных чисел преобразования Фурье, фазовый сдвиг просто представляет поворот значения в комплексной плоскости с неизменной величиной. Тот факт, что фазовые сдвиги только перемещают амплитуду от синуса к косинусу, означает, что добавление двух сигналов с одинаковой частотой и различной фазой дает сигнал с общим (средним) фазовым сдвигом на этой частоте - и без памяти компонентов ».

На практике это сложнее, см. « Частичные методы Фурье », « Фазово-сопряженная симметрия » и « FOV и k-пространство ». В « Введение в фазовое кодирование - I » они объясняют:

«... когда две синусоидальные волны (A и B) с одинаковой частотой, но разными фазами сложены вместе, в результате получается другая синусоидальная волна с той же частотой, но с другой фазой. Когда синусоидальные волны близки по фазе, они конструктивно мешают, а когда не в фазе, они разрушительно мешают.

... Глядя только на их сумму, вы просто видите синусоидальную волну определенной частоты и фазы. Из этого единственного наблюдения невозможно выделить отдельные вклады, вносимые волнами А и В.

Однако, сделав два наблюдения со смещением A и B на разные фазы, можно определить их индивидуальный вклад, взглянув только на их суммы. Это проиллюстрировано ниже на MR-изображении, где A и B - два пикселя в одном вертикальном столбце, резонирующем на одной и той же кодированной частоте (ω). В частности, на этапе 0 (базовый уровень, когда не применен градиент фазового кодирования) можно записать суммарный сигнал от A & B вместе: So (t) = A sin ωt + B sin ωt = (A + B) sin ωt.

Примените градиент фазового кодирования к фазным спинам по вертикальной оси

...

Из этого единственного измерения на шаге 1 мы все еще не знаем отдельные амплитуды A и B, только их разность (A-B). Используя информацию как из шага 0, так и из шага 1 вместе, мы можем извлечь вклад уникального сигнала с помощью простой алгебры:

½ [So + S1] = ½ [(A + B) + (A-B)] = A    и    ½ [So-S1] = ½ [(A + B) - (A-B)] = B

».

В противном случае это будет выглядеть так (изображение A):

Влияние SDPS на изображение PFI

PFI показывает артефакты из различных алгоритмов: (A) базовый алгоритм, (B) алгоритм BAX, (C) алгоритм с нулевым заполнением, (D) базовый алгоритм с использованием данных, которые ранее имели постоянную линейную коррекцию SDPS, иллюстрируя артефакты из SDPS более высокого порядка.


1

ссоз⁡(ωT+φ)ре(се(ωT+φ)я)рес1соз⁡(ωT+φ1)+с2соз⁡(ωT+φ2)знак равноре(с1е(ωT+φ1)я+с2е(ωT+φ2)я)aеωTяре(еωTя(с1еφ1я+с2еφ2я))сеφясφ

Таким образом, хотя оба сигнала влияют на величину выходного сигнала, дополнительный сигнал не влияет на то, где в фазовом пространстве находится выходной сигнал.


1

Я хотел бы пойти по пути геометрической версии вопроса, используя суммы кружков.

Синусы и косинусы являются «просто» действительной и мнимой частями цисоидов, или сложными экспонентами (некоторые ссылки можно найти в разделе « Как объяснить сложную экспоненту интуитивно?» , 3D-график покачивания для аналитического сигнала: Heyser штопор / спираль , преобразование Фурье Тож ).

sω,φ(T)знак равное2πя(ωT+φ)ре(sω,0(T))знак равносоз⁡(2πωT)ям(sω,π/2(T))знак равносоз⁡(2πωT)ω

Гармонические круги

a1sω,φ1(T)+a2sω,φ2(T)?

a1a2е2πяφ1е2πяφ2

sω,0(T)+asω,φ(T),

|a|<1

(1)е2πя(ωT)+aе2πя(ωT+φ)

и таким образом как:

(2)(1+aе2πяφ)е2πя(ωT),

(1+aе2πяφ)αе2πяφaКруг -радиус похож на маленькое вращающееся колесо, прикрепленное к клапану (как синие и красные круги только на картинке выше). Теперь мы смотрим на движение точки по периметру маленького колеса.

1aα12

Другими словами, ни преобразование Фурье, ни человеческий глаз не могут различить компоненты с одинаковой частотой, но с разной фазой .

[[Я добавлю анимацию, если найду время]]

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.