Pares clásicos de la transformada de Fourier

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Tabla de Pares clásicos de la transformada de Fourier

𝔽[f(t)]=F(ω)=f(t).ejωtdt𝔽1[F(ω)]=f(t)=12πF(ω).e+jωtdω


Pulso rectangular

(tT)={1,|t|T20,|t|>T2

𝔽[(tT)]=2sin(ωT2)ω=Tsinc(Tω2π)

Pulso triangular

Λ(tT)={1|t|T, |t|T0 , |t|>T

𝔽[Λ(tT)]=2(1cos(ωT))ω2T=Tsinc2(Tω2π)

sign(t)={1, t>01, t<0

𝔽[sign(t)]=2jωω=2πf1jπf

u(t)={1,t>00,t<0 𝔽[u(t)]=1jω+πδ(ω)a veces se omite
Delta de Dirac δ(t) 𝔽[δ(t)]=1F[1]=2πδ(ω)
cos(ω0t) 𝔽[cos(ω0t)]=πδ(ωω0)+πδ(ω+ω0)
sin(ω0t) 𝔽[sin(ω0t)]=πjδ(ωω0)πjδ(ω+ω0)
k=δ(tkTs)

𝔽[k=δ(tkTs)]=𝔽[1Tsk=ej2πTskt]=1Tsk=2πδ(ωk2πTs)

Demostraciones:

Pulso rectangular

Se representa mediante el mismo símbolo que el productorio, siendo la función una fracción: la parte de arriba (t) representa en función de que variable esta , la parte de abajo (T) representa la extensión de la función, que irá desde –T/2 a T/2.


Pulso rectangular normalizada a T = 1

(tT)={1,T2tT20,|t|>T2(tt0T)={1,T2tt0T20,|tt0|>T2


Ahora, la transformada de Fourier de un pulso rectangular:

𝔽[(tT)]=(tT)ejωtt=T2T21ejωtt=ejωtjω|T2T2=1jω(ejωT2e+jωT2)=221jω(e+jωT2ejωT2)sinx=ejxejx2j=2sin(ωT2)ω

Sinc(t)

Al ser este resultado bastante habitual, se representa muchas veces mediante la función sinc().

sinc(t)=sin(πt)πt; sinc(Tt)=sin(Tπt)TπtNulos: sin()=nπsin(Tπt)=0Tπt=nπt=nTsinc(Tt)={0,t=nT,n,n01,t=0,

La función sinc() se usa especialmente por comodidad y no tener que usar límites, pues:

2sin(ωT2)ω|ω=0=00limω02sin(ωT2)ωsinxx2ωT2ω=T


Nos obliga a utilizar límites para saber el resultado, en cambio:

2sin(ωT2)ω=f(sinc())ω=2πf2sin((2πf)T2)2πfTTTsin(πfT)πfTsinc(Tf)=Tsinc(Tf)f=0Tsinc(0)=Tω=2πff=ω2πTsinc(Tf)=Tsinc(Tω2π)

Pulso Triangular

Función triangular normalizada a T = 1


Λ(tT)={1|t|T, |t|T0 , |t|>T𝔽[Λ(tT)]=Λ(tT)parejωtcos(ωt)parjsin(ωt)impart=20T(1tT)cos(ωt)t=u.v{u=1tT u=1Ttv=cos(ωt)t v=sin(ωt)ω }u.vvu2(1tT)sin(ωt)ω|0T+20Tsin(ωt)ωTt2(1tT)sin(ωt)ω|0T+2cos(ωt)ω2T|0T=2(1TT ^0)sin(ωt)ω+2cos(ωt)ω2T|0T=2cos(ωt)ω2T|0T=2ω2T(cos(ωT)1)=2(1cos(ωT))ω2T

Sabiendo que


sin2x=1cos2x22(2sin2(ωT2))ω2T=4sin2(ωT2)ω2T=sin2(ωT2)ω2T4=Tsin2(ωT2)ω2T24=Tsin2(ωT2)(ωT2)2=sinc(Tω)=sin(πTω)πTωTsinc2(Tω2π)o tambienω=2πfTsinc2(Tf)=FΛ(f)Sabiendo que 𝔽[(tT)]=Tsinc(Tf)=F(f)F2(f)=TFΛ(f)f(t)*f(t)=TfΛ(t)(tT)*(tT)=TΛ(tT)𝔽[(tT)*(tT)]=T2sinc2(Tf)

Recuérdese que, mientras que el pulso de rectangular (tT) tiene una anchura de T (llega de –T/2 hasta T/2), el pulso triangular Λ(tT) tiene una anchura de 2T (desde –T a T). Es conveniente recordarlo, pues suele ser un error habitual.

Función sign(t)

La función sign(t) es una función auxiliar bastante utilizada en áreas de telecomunicación que, además, es fácilmente representable:

Sign(t)

sign(t)={1, t>01, t<0

El valor de sign(t) cuando t=0 es:

=limt0+ sign(t)+limt0 sign(t)2=1+(1)2=0

Veamos ahora, su transformada de Fourier:

sign(t)={1, t>01, t<0𝔽[sign(t)]=sign(t)ejωtt

Usaremos integración por partes y las propiedades de Fourier para sacar su transformada. Realizaremos la transformada de la parte positiva, usando funciones auxiliares y cambios de variables.

f(t)={1,t>00,t<0g(t)={0,t>01,t<0g(t)=f(t)sign(t)=f(t)f(t)𝔽[f(t)]=f(t)ejωtt=01ejωtt=ejωtjω|0=1jω𝔽[f(t)]=F(ω)𝔽[f(t)]=F(ω)𝔽[sign(t)]=𝔽[f(t)f(t)]=1jω1j(ω)=2jωω=2πf1jπf

Función u(t)

La siguiente función, llamada Heaviside step function, o la función escalon unidad, se define:

función escalón considerando u(0) = 1/2

u(t)={1,t>00,t<0

Para solucionar el valor de u(t) cuando t=0, se usa:

=limtt+ u(t)+limtt u(t)2=1+02=12

Ahora, la transformada de Fourier:

𝔽[u(t)]=u(t)ejωtt=01ejωtt=ejωtjω|0=1jω+πδ(ω)F[12]


Para clarificar la aparición de la delta, también podemos obtenerla representando u(t) en función de sign(t).

𝔽[u(t)]=?𝔽[sign(t)]=2jωu(t)=12(1+sign(t))𝔽[u(t)]=𝔽[12]+𝔽[12sign(t)]=πδ(ω)+1jω

Esta función resulta muy útil como función auxiliar, pues las señales solo existen a partir de un momento en el tiempo, a modo de ejemplo:

Ej:f(t)=eatu(t)={eat,t>00 ,t<0;a>0𝔽[f(t)]=F(ω)=f(t)ejωtt=0eatejωtt=eatejωtajω|0=1ajω(e0ejω1)=1a+jω=F(ω)

Delta de Dirac

Diagrama esquemático de la función delta de Dirac

La función delta de Dirac es una función muy especial tanto por su forma como por sus propiedades, se denota como:

δ(ω)={, ω=00, ω0

Entre sus propiedades:

x(t)*δ(t)=x(t)x(t)*δ(tt0)=x(tt0)x(t)δ(t0)=x(t0)x(t)δ(0)=x(0)δ(t)=δ(t)

Su transformada de Fourier es:

𝔽[δ(t)]=1F[1]=2πδ(ω)=2πδ(ω)

También tenemos que:

δ(at)=1|a|δ(t)Debido a: 𝔽[δ(at)]𝔽[f(at)=1|a|F(ωa)]𝔽[δ(t)]=1f(ω)1|a|1𝔽1[1a]=1aδ(t)

Está relacionada con la función escalón unidad de la siguiente manera:

u(t)t=δ(t)u(t)=tδ(τ)τdebido a:𝔽[tf(τ)τ]=F(ω)jωf(t)=δ(t)F(ω)=1𝔽[tδ(τ)τ]=1jω𝔽[u(t)]

y también tenemos: δ(t)t=1 debido a: 𝔽 [ δ(t) ] =11|ω=0=f(t)t

La mejor de entender la función delta de Dirac, es relacionarlo con la función sinc().

𝔽[(tT)]=Tsinc(Tf)=Tsinc(Tω2π)limT(tT)=1𝔽[limT(tT)]=limT Tsinc(Tω2π)δ(ω2π)=limT Tsinc(Tf)δ(f)={,f=00, f0δ(f)=limT Tsinc(Tf)=δ(ω2π)δ(aω)=1|a|δ(ω)2πδ(ω)

Sinθ y Cosθ

𝔽[cos(ω0t)]=πδ(ωω0)+πδ(ω+ω0)𝔽[sin(ω0t)]=πjδ(ωω0)πjδ(ω+ω0)

Demostración:

𝔽[1]=2πδ(ω) y 𝔽[f(t)e+jω0t]=F(ωω0)𝔽[1e+jω0t]=2πδ(ωω0)𝔽[cos(ω0t)]=𝔽[ejω0t+ejω0t2]=12[2πδ(ωω0)+2πδ(ω+ω0)]

Análogamente:

𝔽[e+jω0t]=2πδ(ωω0)𝔽[sin(ω0t)]=𝔽[ejω0tejω0t2j]=12j[2πδ(ωω0)2πδ(ω+ω0)]

Tren de deltas

k=δ(tkTs)

Primeramente, apreciamos que un sumatorio de deltas (llamado comúnmente tren de deltas) es una señal periódica, por lo que puede ser representada como suma de senos y cosenos según la serie de Fourier: Llamemos al periodo de la señal Ts.

f(t)=k=δ(tkTs)T=Tsfs=1Tsωs=2πfs=2πTsf(t)=k=Ckej2πTkt=k=Ckej2πTsktCk=1TT2T2f(t)ej2πTsktt=1TsTs2Ts2δ(t)ej2πTsktt=1TsTs2Ts2δ(t)ej2πTskt|t=0t=1TsTs2Ts2δ(t)tδ(t)t=1Ck=1Ts kf(t)=k=1Tsej2πTskt=1Tsk=ej2πTsktk=δ(tkTs)=1Tsk=ej2πTskt


Recordemos las propiedades: 𝔽[e+jω0tf(t)]=F(ωω0)ω0=2πTs,𝔽[1]=2πδ(ω)𝔽[e+jω0t]=2πδ(ωω0)𝔽[1Tsk=ej2πTskt]=1Ts𝔽[1+ej2πTst+ej2πTst+ej2πTs2t+ej2πTs2t+ej2πTs3t+...]=1Ts[2πδ(ω)+2πδ(ω2πTs)+2πδ(ω+2πTs)+2πδ(ω22πTs)+...]1Tsk=2πδ(wk2πTs)𝔽[k=δ(tkTs)]=𝔽[1Tsk=ej2πTskt]=1Tsk=2πδ(ωk2πTs)