Sin embargo, no fue ampliamente reconocido en el procesamiento de señales hasta que varios grupos lo reintrodujeron de forma independiente alrededor de 1993. [4] Desde entonces, ha habido un gran interés en ampliar el teorema de muestreo de Shannon [5] [6] para señales con banda limitada en el dominio fraccional de Fourier.
Bailey y Swartztrauber [7] introdujeron un significado completamente diferente para "transformada fraccional de Fourier" como esencialmente otro nombre para una transformada z , y en particular para el caso que corresponde a una transformada de Fourier discreta desplazada una cantidad fraccionaria en el espacio de frecuencia. (multiplicando la entrada por un chirrido lineal ) y evaluando en un conjunto fraccionario de puntos de frecuencia (por ejemplo, considerando sólo una pequeña porción del espectro). (Dichas transformaciones pueden evaluarse eficientemente mediante el algoritmo FFT de Bluestein ). Sin embargo, esta terminología ha caído en desuso en la mayor parte de la literatura técnica, con preferencia a la FRFT. El resto de este artículo describe la FRFT.
Estudiemos su n -ésima iterada definida por y cuando n es un entero no negativo, y . Su secuencia es finita ya que es un automorfismo de 4 periodos : 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 amplía 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 multiplicado 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 fraccionaria de Fourier del ángulo α de una función ƒ se denota y se define por
Formalmente, esta fórmula sólo es válida cuando la función de entrada está en un espacio suficientemente agradable (como L1 o el espacio de Schwartz ), y se define mediante un argumento de densidad, de forma similar a la de la transformada de Fourier ordinaria (ver artículo), en el caso general. [8]
Si α es un múltiplo entero de π, entonces las funciones cotangente y cosecante anteriores divergen. Sin embargo, esto se puede manejar tomando el límite y conduce a una función delta de Dirac en el integrando. Más directamente, desde
debe ser simplemente f ( t ) o f (− t ) para α un múltiplo par o impar de π respectivamente.
Para α = π /2 , esta se convierte precisamente en la definición de la transformada continua de Fourier, y para α = − π /2 es la definición de la transformada continua inversa de Fourier.
El argumento FRFT u no es 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 angular α , 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 fraccionaria de Fourier 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 cambio y de cambio de fase de la siguiente manera:
Entonces
eso es,
Transformada de una función escalada
Defina los operadores de multiplicación de escala y chirrido de la siguiente manera:
Entonces,
Observe que la transformada fraccionaria de Fourier de no se puede expresar como una versión escalada de . Más bien, la transformada fraccionaria de Fourier resulta ser una versión escalada y modulada con chirrido de donde hay un orden diferente.
Aquí nuevamente los casos especiales son consistentes con el comportamiento límite cuando α se aproxima a un múltiplo de π .
El FRFT tiene las mismas propiedades que sus núcleos:
simetría:
inverso:
aditividad:
Transformaciones relacionadas
También existen generalizaciones fraccionarias relacionadas de transformadas similares, como la transformada discreta de Fourier .
La transformada fraccionaria discreta de Fourier está definida por Zeev Zalevsky . [9] [10] Somma describe un algoritmo cuántico para implementar una versión de la transformada fraccionaria discreta de Fourier en tiempo subpolinomial. [11]
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 fermiónica de Fourier. [13] Estos se han generalizado en una FRFT supersimétrica y una transformada de radón supersimétrica . [13] También hay una transformada de radón fraccionada, una FRFT simpléctica y una transformada wavelet simpléctica . [14] Debido a que los circuitos cuánticos se basan en operaciones unitarias , son útiles para calcular transformaciones integrales , ya que estas últimas son operadores unitarios en un espacio funcional . Se ha diseñado un circuito cuántico que implementa la FRFT. [15]
Interpretación
Una función rect se convierte en una función sinc cuando el orden de la transformada fraccionaria de Fourier se vuelve 1
La interpretación habitual de la transformada de Fourier es como una transformación de una señal en el dominio del tiempo en una señal en el dominio de la frecuencia. Por otro lado, la interpretación de la transformada de Fourier inversa es como una transformación de una señal en el dominio de la frecuencia en una señal en el dominio del tiempo. Las transformadas fraccionarias de Fourier 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 fraccionaria de Fourier y permite transformaciones lineales del dominio tiempo-frecuencia distintas de la rotación.
Tome la siguiente figura como ejemplo. 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 fraccionaria de Fourier a la señal rectangular, la salida de la transformación estará en el dominio entre el tiempo y la frecuencia.
Transformada fraccionaria de Fourier
La transformada fraccionaria de Fourier es una operación de rotación en una distribución tiempo-frecuencia . Según la definición anterior, para α = 0, no habrá cambios después de aplicar la transformada fraccionaria de Fourier, mientras que para α = π /2, la transformada fraccionaria de Fourier se convierte en una transformada de Fourier simple, que rota la distribución tiempo-frecuencia con π / 2. Para otros valores de α , la transformada fraccionaria de Fourier rota la distribución tiempo-frecuencia según α. La siguiente figura muestra los resultados de la transformada fraccionaria de Fourier con diferentes valores de α .
Distribución tiempo/frecuencia de la transformada fraccionaria de Fourier
Solicitud
La transformada fraccional de Fourier se puede utilizar en análisis de frecuencia de tiempo y DSP . [16] Es útil filtrar el ruido, pero con la condición de que no se superponga con la señal deseada en el dominio tiempo-frecuencia. Considere el siguiente ejemplo. No podemos aplicar un filtro directamente para eliminar el ruido, pero con la ayuda de la transformada fraccionaria de Fourier, podemos rotar la señal (incluyendo la señal y el ruido deseados) primero. Luego aplicamos un filtro específico, que dejará pasar sólo la señal deseada. De esta forma el ruido se eliminará por completo. Luego usamos la transformada fraccionaria de Fourier nuevamente para rotar la señal hacia atrás y podemos obtener la señal deseada.
Transformada fraccionaria de Fourier en DSP
Por lo tanto, utilizando simplemente truncamiento en el dominio del tiempo, o filtros de paso bajo equivalentes en el dominio de la frecuencia, se puede eliminar cualquier conjunto convexo en el espacio tiempo-frecuencia. Por el contrario, el uso de herramientas en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia sin una transformada fraccionaria de Fourier solo permitiría cortar rectángulos paralelos a los ejes.
Las transformadas fraccionarias de Fourier también tienen aplicaciones en física cuántica. Por ejemplo, se utilizan para formular relaciones de incertidumbre entrópica, [17] en esquemas de distribución de claves cuánticas de alta dimensión con fotones individuales, [18] y en la observación del entrelazamiento espacial de pares de fotones. [19]
También son útiles en el diseño de sistemas ópticos y para optimizar la eficiencia del almacenamiento holográfico. [20]
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enlaces externos
DiscreteTFDs: software para calcular la transformada fraccionaria de Fourier y las distribuciones tiempo-frecuencia