Sin embargo, no fue ampliamente reconocido en el procesamiento de señales hasta que fue reintroducido independientemente alrededor de 1993 por varios grupos. [4] Desde entonces, ha habido un aumento de interés en extender el teorema de muestreo de Shannon [5] [6] para señales que están limitadas en banda en el dominio de Fourier fraccional.
Bailey y Swartztrauber [7] introdujeron un significado completamente diferente para "transformada de Fourier fraccionaria" como esencialmente otro nombre para una transformada z , y en particular para el caso que corresponde a una transformada de Fourier discreta desplazada por una cantidad fraccionaria en el espacio de frecuencia (multiplicando la entrada por un chirp lineal ) y evaluando en un conjunto fraccionario de puntos de frecuencia (por ejemplo, considerando solo una pequeña porción del espectro). (Estas transformadas se pueden evaluar de manera eficiente mediante el algoritmo FFT de Bluestein ). Sin embargo, esta terminología ha caído en desuso en la mayor parte de la literatura técnica, en preferencia a la FRFT. El resto de este artículo describe la FRFT.
Introducción
La transformada de Fourier continua de una función es un operador unitario del espacio que asigna la función a su versión frecuencial (todas las expresiones se toman en el sentido, en lugar de puntualmente):
y se determina mediante la transformada inversa
Estudiemos su iteración n -ésima definida por y cuando n es un entero no negativo, y . Su sucesión es finita ya que es un automorfismo 4-periódico : para cada función , .
Más precisamente, introduzcamos el operador de paridad que invierte , . Entonces se cumplen las siguientes propiedades:
La FRFT proporciona una familia de transformaciones lineales que extienden aún más esta definición para manejar potencias no enteras de la FT.
Definición
Nota: algunos autores escriben la transformación en términos del "orden a " en lugar del "ángulo α ", en cuyo caso α suele ser a por π /2 . Aunque estas dos formas son equivalentes, hay que tener cuidado con la definición que utiliza el autor.
Para cualquier α real , la transformada de Fourier fraccionaria del ángulo α de una función ƒ se denota por y se define por
[8] [9] [10]
Para α = π /2 , esta se convierte precisamente en la definición de la transformada de Fourier continua, y para α = − π /2 es la definición de la transformada de Fourier continua inversa.
El argumento de FRFT u no es ni espacial x ni de frecuencia ξ . Veremos por qué se puede interpretar como combinación lineal de ambas coordenadas ( x , ξ ) . Cuando queramos distinguir el dominio fraccionario α -angular, denotaremos el argumento de .
Observación: con la convención de frecuencia angular ω en lugar de la de frecuencia, la fórmula FRFT es el núcleo de Mehler .
Propiedades
El operador de transformada de Fourier fraccionaria de orden α , , tiene las propiedades:
Aditividad
Para cualquier ángulo real α, β ,
Linealidad
Órdenes enteras
Si α es un múltiplo entero de , entonces:
Además, tiene la siguiente relación
Inverso
Conmutatividad
Asociatividad
Unitaridad
Inversión del tiempo
Transformada de una función desplazada
Defina los operadores de desplazamiento y de desplazamiento de fase de la siguiente manera:
Entonces
eso es,
Transformada de una función escalada
Defina los operadores de escala y multiplicación de chirp de la siguiente manera:
Entonces,
Obsérvese que la transformada de Fourier fraccionaria de no se puede expresar como una versión escalada de . En cambio, la transformada de Fourier fraccionaria de resulta ser una versión escalada y modulada por chirp de donde es un orden diferente. [11]
Aquí nuevamente los casos especiales son consistentes con el comportamiento límite cuando α se acerca a un múltiplo de π .
La FRFT tiene las mismas propiedades que sus núcleos:
simetría:
inverso:
aditividad:
Transformaciones relacionadas
También existen generalizaciones fraccionarias relacionadas de transformadas similares, como la transformada de Fourier discreta .
La transformada de Fourier fraccionaria discreta está definida por Zeev Zalevsky . [12] [13] Somma describe un algoritmo cuántico para implementar una versión de la transformada de Fourier fraccionaria discreta en tiempo subpolinomial. [14]
La transformada de Fourier es esencialmente bosónica ; funciona porque es consistente con el principio de superposición y los patrones de interferencia relacionados. También existe una transformada de Fourier fermiónica . [16] Estas se han generalizado en una FRFT supersimétrica y una transformada de Radon supersimétrica . [16] También existe una transformada de Radon fraccionaria, una FRFT simpléctica y una transformada wavelet simpléctica . [17] Debido a que los circuitos cuánticos se basan en operaciones unitarias , son útiles para calcular transformadas integrales ya que estas últimas son operadores unitarios en un espacio de funciones . Se ha diseñado un circuito cuántico que implementa la FRFT. [18]
Interpretación
La interpretación habitual de la transformada de Fourier es como una transformación de una señal del dominio del tiempo en una señal del dominio de la frecuencia. Por otro lado, la interpretación de la transformada de Fourier inversa es como una transformación de una señal del dominio de la frecuencia en una señal del dominio del tiempo. Las transformadas de Fourier fraccionarias transforman una señal (ya sea en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia) en el dominio entre el tiempo y la frecuencia: es una rotación en el dominio del tiempo-frecuencia . Esta perspectiva se generaliza mediante la transformación canónica lineal , que generaliza la transformada de Fourier fraccionaria y permite transformadas lineales del dominio del tiempo-frecuencia distintas de la rotación.
Tomemos como ejemplo la siguiente figura. Si la señal en el dominio del tiempo es rectangular (como se muestra a continuación), se convierte en una función sinc en el dominio de la frecuencia. Pero si se aplica la transformada de Fourier fraccionaria a la señal rectangular, la salida de la transformación estará en el dominio entre el tiempo y la frecuencia.
La transformada de Fourier fraccionaria es una operación de rotación sobre una distribución de tiempo-frecuencia . De la definición anterior, para α = 0, no habrá ningún cambio después de aplicar la transformada de Fourier fraccionaria, mientras que para α = π /2, la transformada de Fourier fraccionaria se convierte en una transformada de Fourier simple, que rota la distribución de tiempo-frecuencia con π /2. Para otros valores de α , la transformada de Fourier fraccionaria rota la distribución de tiempo-frecuencia según α. La siguiente figura muestra los resultados de la transformada de Fourier fraccionaria con diferentes valores de α .
Solicitud
La transformada de Fourier fraccional se puede utilizar en el análisis de frecuencia de tiempo y DSP . [19] Es útil para filtrar el ruido, pero con la condición de que no se superponga con la señal deseada en el dominio de tiempo-frecuencia. Considere el siguiente ejemplo. No podemos aplicar un filtro directamente para eliminar el ruido, pero con la ayuda de la transformada de Fourier fraccional, podemos rotar la señal (incluyendo la señal deseada y el ruido) primero. Luego aplicamos un filtro específico, que permitirá que solo pase la señal deseada. Por lo tanto, el ruido se eliminará por completo. Luego usamos la transformada de Fourier fraccional nuevamente para rotar la señal nuevamente y podemos obtener la señal deseada.
Por lo tanto, utilizando únicamente el truncamiento en el dominio del tiempo, o equivalentemente filtros de paso bajo en el dominio de la frecuencia, se puede cortar cualquier conjunto convexo en el espacio de tiempo-frecuencia. Por el contrario, utilizando herramientas del dominio del tiempo o del dominio de la frecuencia sin una transformada de Fourier fraccionaria solo se podrían cortar rectángulos paralelos a los ejes.
Las transformadas de Fourier fraccionarias también tienen aplicaciones en la física cuántica. Por ejemplo, se utilizan para formular relaciones de incertidumbre entrópica [20] , en esquemas de distribución de claves cuánticas de alta dimensión con fotones individuales [21] y en la observación del entrelazamiento espacial de pares de fotones [22] .
También son útiles en el diseño de sistemas ópticos y para optimizar la eficiencia del almacenamiento holográfico. [23] [24]
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^ Si α es un múltiplo entero de π, entonces las funciones cotangente y cosecante anteriores divergen. Esta aparente divergencia se puede manejar tomando el límite en el sentido de distribuciones templadas , y conduce a una función delta de Dirac en el integrando. Este enfoque es consistente con la intuición de que, dado que
debe ser simplemente f ( t ) o f (− t ) para α un múltiplo par o impar de π respectivamente.
^ Una receta elemental, utilizando la función contangente y su inversa (multivaluada), para en términos de y existe.
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Enlaces externos
DiscreteTFDs: software para calcular la transformada de Fourier fraccionaria y las distribuciones de tiempo-frecuencia
Páginas web sobre la Transformada Fraccionaria de Fourier (FRFT) del Dr. YangQuan Chen
LTFAT - Una caja de herramientas gratuita (GPL) de Matlab / Octave Contiene varias versiones de la transformada de Fourier fraccionaria Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine .