数字信号处理 答案 第三章

j [(2π k /10) + (π /10)]
证明： （1）
(− k ) = ∑ x ( n )WN− nk X
n =0
N −1
* (− k ) = [∑ x (k ) ( n )WN− nk ]* = ∑ x ( n )W Nnk = X X
n=0 n=0
N −1
N −1
(n) 为实函数，故由（1）知有 （2）因 x (k ) = X * (−k ) 或 X (−k ) = X * (k ) X (n) 为偶函数，即 x (n) = x (− n) ，所以有 又因 x
∑
n =0
(−k ) = X * (k ) (n)WN− nk = X x
*
3.2
(k ) = X (−k ) 。 (k ) 是共轭对称的，即 X (n) 为实周期序列，证明 x (n) 的傅里叶级数 X （1）设 x (k ) 也是实偶函数。 (n) 为实偶函数时， X （2）证明当 x
(0) = 1 X (2) = X (4) = 0 X 2 = 1− j 3 1 − (1 − j 3) / 2 (3) = 2 = 1 X 1 − e − jπ (1) = X (5) = X 2 = 1+ j 3 1 − (1 + j 3)
(k ) 的图形如图 3.4_1 所示： ( n) 和 X x
− jω N
−j
N ω 2
j
N ω 2
−j
N ω 2
⎛N ⎞ sin ⎜ ω ⎟ N −1 ) ⎝ 2 ⎠ e− j 2 ω = sin
ω
2
⎛N ⎞ sin ⎜ ω ⎟ ⎝ 2 ⎠ , ϕ (ω ) = − N − 1 ω | X (e jω ) |= ω 2 sin 2
图 P3.11_1(2)所示的是频谱幅度 | X (e ) | 的函数曲线。
j 2π k N
)
极点： z0 = 0( N − 1阶) ；零点： z pk = e 图 P3.11_1(1)是极-零点分布图。
, k = 1, 2,..., N − 1
（2） X (e
jω
) = X ( z ) |z =e jω =
1− e (e e −e = 1 1 1 − jω j ω −j ω −j ω 1− e 2 2 e (e − e 2 )
可见， X ( k ) 等于 X (e ) 在 N 个等隔频率点 ω =
jω
3.12 在图 P3.12 中画出了有限长序列 x( n) ，试画出序列 x[(− n)]4 的略图。
解：
3.13 有限长序列的离散傅里叶变换相当与其 Z 变换在单位圆上的取样。 例如 10 点序列 x( n) 的离散傅里叶 变换相当与 X ( z ) 在单位圆 10 个等分点上的取样，如图 P3.13（a）所示。为求出图 P3.13（b）所示 圆周上 X ( z ) 的等间隔取样，即 X ( z ) 在 z = 0.5e
r =−∞
∞
∞
n + rN
an u (n + rN ) = , n = 0,1,..., N − 1 1− aN
3.11 若长为 N 的有限长序列 x( n) 是矩阵序列 x( n) = RN ( n) 。 （1）求 Ζ[ x( n)] ，并画出及其-零点分布图。 （2）求频谱 X (e ) ，并画出幅度 | X (e ) | 的函数曲线。 （3）求 x(n) 的 DFT 的闭式表示，并与 X (e ) 对照。 解： （1）
第三章 离散傅里叶变换及其快速算法习题答案参考
3.1
(k ) 。 (n) 是周期为 4 的周期性序列。请确定其傅里叶级数的系数 X 图 P3.1 所示的序列 x
(n)WNnk = ∑ x (−n)WNnk = 解： X ( k ) = ∑ x
n =0 n =0
N −1
N −1
− ( N −1)
n n =0
N −1
nk N
1 − a NWNNk 1− aN = = , 0 ≤ k ≤ N −1 k 1 − aWNk 1 − aWN
π 2π 2π nm − j nm ⎞ − j nk 2π 1 N−1⎛ j 2N nk +e N ⎟e N X(k) = ∑cos( nmW ) N = ∑⎜e N 2 n=0 ⎝ n=0 ⎠
jω
（3）
X ( k ) = ∑ RN ( n)W
n =0
N −1
nk N
1 − WNNk 1 − e − j 2π k N ,k =0 = = = X (e jω ) 2π = { 0, k =1,2,..., N −1 2π k ω= k k −j 1 − WN N N 1− e
2π (k = 0,1, 2,..., N − 1) 上的取样值。 N
(0) = ∑ x ( n) = 0 X
n =0 N −1
(k )e jk （4）不正确。根据周期序列的移位性质， X
2π 5
(k )W 对应与周期序列 x (n + 2) ，如图 ＝X 10
−2 k
2π
(k )e jk 5 不是实偶序列。 P3.3_1 所示，它不是实偶序列。由题 3.2 中的（2）知道， X
解： （1）图 P3.8_1（1）所示的是 x( n) 与 x( n) 的线性卷积结果的图形。 （2）图 P3.8_1（2）所示的 x( n) 与 x( n) 的 4 点循环卷积结果的图形。 （3）图 P3.8_1（3）所示的 x( n) 与 x( n) 的 8 点循环卷积结果的图形。 可以看出， x( n) 与 x( n) 的 8 点循环卷积结果的图形与（1）中 x( n) 与 x( n) 的线性卷积结果 的图形相同。
jω jω jω
X ( z) =
n =−∞
∑
∞
RN (n) z − n = ∑ z − n =
n =0 N −1 −k N
N −1
1− z−N 1 − z −1
N −1 −k N N −1 j 2π k N
=
∏ (z −W ) ∏ (z −W ) ∏ (z − e z N −1 k =0 = = k =1 N −1 = k =1 N −1 N −1 N −1 z ( z − 1) z ( z − 1) z z
nk nk (k ) = ∑ x (n)WN (−n)WN X = ∑x = n =0 n =0 N −1 N −1 − ( N −1)
∑
n =0
− nk (−k ) = X * (k ) (n)WN x =X
3.3
(n) 。利用 DFS 的特性及 3.2 题的结果，不直接计算其傅里叶级 图 P3.3 所示的是一个实数周期信号 x (k ) ，确定以下式子是否正确。 数的系数 X (k ) = X (k + 10) ，对于所有的 k； （1） X (k ) = X (− k ) ，对于所有的 k； （2） X (0) = 0 ； （3） X
( k )e （4） X
jk
2π 5
，对所有的 k 是实函数。
(k ) 也是一个周期为 N＝10 的周期序列。 (n) 一个周期为 N＝10 的周期序列，故 X 解： （1）正确。因为 x (k ) 是共轭对称的，即应有 (n) 一个实数周期序列，由例 3.2 中的（1）知， X （2）不正确。因为 x (k ) 不一定是实数序列。 (k ) = X * (− k ) ，这里 X X ( n) 在 一 个 周 期 内 正 取 样 值 的 个 数 与 负 取 样 值 的 个 数 相 等 ， 所 以 有 （3）正确。因为 x
解： （1） X ( k )
= ∑ δ (n)WNnk = δ (0) = 1, 0 ≤ k ≤ N − 1
n=0
N −1
（2） X ( k ) =
∑ δ [(n − n )]
n =0 0
N −1
N
RN (n)WNnk = WNn0 k , 0 ≤ k ≤ N − 1
（3） （4）
X (k ) = ∑ a W
3.5 计算下列序列的 N 点 DFT： (1) x(n) = δ (n) (2) x(n) = δ [( n − n0 )]N * RN (n), 0 < n0 < N (3) x(n) = a , 0 ≤ n ≤ N − 1
n
(4) Baidu Nhomakorabea(n) = cos(
2π nm), 0 ≤ n ≤ N − 1, o < m < N N
解： x1 ( n) 和 x2 (n) 的图形如图 P3.7_1 所示：
3.8 图 P3.8 表示一个 4 点序列 x( n) 。 （1）绘出 x( n) 与 x( n) 的线性卷积结果的图形。 （2）绘出 x( n) 与 x( n) 的 4 点循环卷积结果的图形。 （3）绘出 x( n) 与 x( n) 的 8 点循环卷积结果的图形，并将结果与（1）比较，说明线性卷积与循环卷 积之间的关系。
N−1 − j 2π (k−m) − j 2π (k+m) ⎞ − − e e 1⎛ 1 1 ⎟ = ⎜ + 2π 2π − j (k+m) ⎟ 2⎜ − j N (k−m) 1−e N ⎝1−e ⎠ N+1 N+1 ⎞ − jπ (k−m) − jπ (k+m) jπ (k−m) jπ (k+m) −j −j (k+m)π (k−m)π − − e e e e 1⎛ N N ⎟ = ⎜ π + π e e π π j (k+m) − j (k+m) ⎟ 2⎜ j N(k−m) − j N(k−m) −e e N −e N ⎝e ⎠ N+1 N+1 sin ⎡ −j (k−m)π −j (k+m)π ⎫ ( k −m) π⎤ ( k +m) π⎤ 1⎧ ⎪ sin ⎡ ⎪ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ N N e e = ⎨ + ⎬ 2⎪ k m N k m N sin π / sin π / − + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ) ⎦ ) ⎦ ⎪ ⎣( ⎩ ⎣( ⎭
3.9 x( n) 是一个长度为 N 的序列，试证明 x[(− n)]N = x[( N − n)]N 。 证明：因为 x[( − n)]N 是由 x( n) 周期性重复得到的周期序列，故可表示为 x[(− n)]N = x[( − n + rN )]N 取 r＝1，上式即为 x[(− n)]N = x[( N − n)]N 。 3.10 已 知 序 列 x( n) = a u ( n), 0 < a < 1 。 现 在 对 其 Z 变 换 在 单 位 圆 上 进 行 N 等 分 取 样 ， 取 值 为
( n) = 3.4 设 x(n) = R3 (n) ， x
r =−∞
(k ) ，并作图表示 x (k ) 。 ( n) 和 X ∑ x(n + 6r ) ，求 X
∞
解：
5 2 N −1 1 − W63k 1 − e − jπ k 1 − (−1) k nk nk nk (n)WN = ∑ x (n)W6 = ∑ W6 = = = X (k ) = ∑ x π π −j k −j k 1 − W6k n=0 n =0 n =0 3 1− e 1− e 3
n
X (k ) = X ( z ) |z =W − k ，求有限长序列的 IDFT。
N
解：在 z 平面的单位圆上的 N 个等角点上，对 z 变换进行取样，将导致相应时间序列的周期延拓，延 拓周期为 N，即所求有限长序列的 IDFT 为
x p ( n) =
r =−∞
∑ x(n + rN ) = ∑ a
1 (n) 和 x 2 (n) ，两者的周期都为 6，计算这两个序列的周期卷积 3.5 在图 P3.5 中表示了两个周期序列 x 3 (n) ，并图表示。 x
3 (n) 的过程， 3 (n) 是 x 1 (n) 延时 1 的结果， 可以看出，x 解： 图 P3.5_1 所示的是计算这两个序列的周期卷积 x 3 (n) = x 1 (n − 1) 。 即x
={
3.7
N ,k=m或 k=−m 2 0,其 他
图 P3.7 表示的是一个有限长序列 x( n) ,画出 x1 ( n) 和 x2 (n) 的图形。 （1） x1 ( n) = x ⎡ ⎣( n − 2 ) ⎤ ⎦ 4 R4 (n)
（2） x2 ( n) = x ⎡ ⎣( 2 − n ) ⎤ ⎦ 4 R4 (n)