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Sunday, 1 September 2024

C'est un algorithme qui joue un rôle très important dans le calcul de la transformée de Fourier discrète d'une séquence. Il convertit un signal d'espace ou de temps en signal du domaine fréquentiel. Le signal DFT est généré par la distribution de séquences de valeurs à différentes composantes de fréquence. Travailler directement pour convertir sur transformée de Fourier est trop coûteux en calcul. Ainsi, la transformée de Fourier rapide est utilisée car elle calcule rapidement en factorisant la matrice DFT comme le produit de facteurs clairsemés. En conséquence, il réduit la complexité du calcul DFT de O (n 2) à O (N log N). Et c'est une énorme différence lorsque vous travaillez sur un grand ensemble de données. En outre, les algorithmes FFT sont très précis par rapport à la définition DFT directement, en présence d'une erreur d'arrondi. Cette transformation est une traduction de l'espace de configuration à l'espace de fréquences et ceci est très important pour explorer à la fois les transformations de certains problèmes pour un calcul plus efficace et pour explorer le spectre de puissance d'un signal.

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Introduction à la FFT et à la DFT ¶ La Transformée de Fourier Rapide, appelée FFT Fast Fourier Transform en anglais, est un algorithme qui permet de calculer des Transformées de Fourier Discrètes DFT Discrete Fourier Transform en anglais. Parce que la DFT permet de déterminer la pondération entre différentes fréquences discrètes, elle a un grand nombre d'applications en traitement du signal, par exemple pour du filtrage. Par conséquent, les données discrètes qu'elle prend en entrée sont souvent appelées signal et dans ce cas on considère qu'elles sont définies dans le domaine temporel. Les valeurs de sortie sont alors appelées le spectre et sont définies dans le domaine des fréquences. Toutefois, ce n'est pas toujours le cas et cela dépend des données à traiter. Il existe plusieurs façons de définir la DFT, en particulier au niveau du signe que l'on met dans l'exponentielle et dans la façon de normaliser. Dans le cas de NumPy, l'implémentation de la DFT est la suivante: \(A_k=\sum\limits_{m=0}^{n-1}{a_m\exp\left\{ -2\pi i\frac{mk}{n} \right\}}\text{ avec}k=0, \ldots, n-1\) La DFT inverse est donnée par: \(a_m=\frac{1}{n}\sum\limits_{k=0}^{n-1}{A_k\exp\left\{ 2\pi i\frac{mk}{n} \right\}}\text{ avec}m=0, \ldots, n-1\) Elle diffère de la transformée directe par le signe de l'argument de l'exponentielle et par la normalisation à 1/n par défaut.

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C'est donc le spectre d'un signal périodique de période T. Pour simuler un spectre continu, T devra être choisi très grand par rapport à la période d'échantillonnage. Le spectre obtenu est périodique, de périodicité fe=N/T, la fréquence d'échantillonnage. 2. Signal à support borné 2. a. Exemple: gaussienne On choisit T tel que u(t)=0 pour |t|>T/2. Considérons par exemple une gaussienne centrée en t=0: u ( t) = exp - t 2 a 2 dont la transformée de Fourier est S ( f) = a π exp ( - π 2 a 2 f 2) En choisissant par exemple T=10a, on a | u ( t) | < 1 0 - 1 0 pour t>T/2 Chargement des modules et définition du signal: import math import numpy as np from import * from import fft a=1. 0 def signal(t): return (-t**2/a**2) La fonction suivante trace le spectre (module de la TFD) pour une durée T et une fréquence d'échantillonnage fe: def tracerSpectre(fonction, T, fe): t = (start=-0. 5*T, stop=0. 5*T, step=1. 0/fe) echantillons = () for k in range(): echantillons[k] = fonction(t[k]) N = tfd = fft(echantillons)/N spectre = T*np.

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La durée d'analyse T doit être grande par rapport à b pour avoir une bonne résolution: T=200. 0 fe=8. 0 axis([0, 5, 0, 100]) On obtient une restitution parfaite des coefficients de Fourier (multipliés par T). En effet, lorsque T correspond à une période du signal, la TFD fournit les coefficients de Fourier, comme expliqué dans Transformée de Fourier discrète: série de Fourier. En pratique, cette condition n'est pas réalisée car la durée d'analyse est généralement indépendante de la période du signal. Voyons ce qui arrive pour une période quelconque: b = 0. 945875 # periode On constate un élargissement de la base des raies. Le signal échantillonné est en fait le produit du signal périodique défini ci-dessus par une fenêtre h(t) rectangulaire de largeur T. La TF est donc le produit de convolution de S avec la TF de h: qui présente des oscillations lentement décroissantes dont la conséquence sur le spectre d'une fonction périodique est l'élargissement de la base des raies. Pour remédier à ce problème, on remplace la fenêtre rectangulaire par une fenêtre dont le spectre présente des lobes secondaires plus faibles, par exemple la fenêtre de Hamming: def hamming(t): return 0.

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cos ( 2 * np. pi / T1 * t) + np. sin ( 2 * np. pi / T2 * t) # affichage du signal plt. plot ( t, signal) # calcul de la transformee de Fourier et des frequences fourier = np. fft ( signal) n = signal. size freq = np. fftfreq ( n, d = dt) # affichage de la transformee de Fourier plt. plot ( freq, fourier. real, label = "real") plt. imag, label = "imag") plt. legend () Fonction fftshift ¶ >>> n = 8 >>> dt = 0. 1 >>> freq = np. fftfreq ( n, d = dt) >>> freq array([ 0., 1. 25, 2. 5, 3. 75, -5., -3. 75, -2. 5, -1. 25]) >>> f = np. fftshift ( freq) >>> f array([-5., -3. 25, 0., 1. 75]) >>> inv_f = np. ifftshift ( f) >>> inv_f Lorsqu'on désire calculer la transformée de Fourier d'une fonction \(x(t)\) à l'aide d'un ordinateur, ce dernier ne travaille que sur des valeurs discrètes, on est amené à: discrétiser la fonction temporelle, tronquer la fonction temporelle, discrétiser la fonction fréquentielle.

0 axis([0, fe/2, 0, ()]) 2. b. Exemple: sinusoïde modulée par une gaussienne On considère le signal suivant (paquet d'onde gaussien): u ( t) = exp ( - t 2 / a 2) cos ( 2 π t b) avec b ≪ a. b=0. 1 return (-t**2/a**2)*(2. 0**t/b) t = (start=-5, stop=5, step=0. 01) u = signal(t) plot(t, u) xlabel('t') ylabel('u') Dans ce cas, il faut choisir une fréquence d'échantillonnage supérieure à 2 fois la fréquence de la sinusoïde, c. a. d. fe>2/b. fe=40 2. c. Fenêtre rectangulaire Soit une fenêtre rectangulaire de largeur a: if (abs(t) > a/2): return 0. 0 else: return 1. 0 Son spectre: fe=50 Une fonction présentant une discontinuité comme celle-ci possède des composantes spectrales à haute fréquence encore non négligeables au voisinage de fe/2. Le résultat du calcul est donc certainement affecté par le repliement de bande. 3. Signal à support non borné Dans ce cas, la fenêtre [-T/2, T/2] est arbitrairement imposée par le système de mesure. Par exemple sur un oscilloscope numérique, T peut être ajusté par le réglage de la base de temps.

absolute(tfd) freq = (N) for k in range(N): freq[k] = k*1. 0/T plot(freq, spectre, 'r. ') xlabel('f') ylabel('S') axis([0, fe, 0, ()]) grid() return tfd Voyons le spectre de la gaussienne obtenue avec la TFD superposée au spectre théorique: T=20. 0 fe=5. 0 figure(figsize=(10, 4)) tracerSpectre(signal, T, fe) def fourierSignal(f): return ()*(**2*f**2) f = (start=-fe/2, stop=fe/2, step=fe/100) spectre =np. absolute(fourierSignal(f)) plot(f, spectre, 'b') axis([-fe/2, fe, 0, ()]) L'approximation de la TF pour une fréquence négative est donnée par: S a ( - f n) ≃ T exp ( - j π n) S N - n La seconde moitié de la TFD ( f ∈ f e / 2, f e) correspond donc aux fréquences négatives. Lorsque les valeurs du signal sont réelles, il s'agit de l'image de la première moitié (le spectre est une fonction paire). Dans ce cas, l'usage est de tracer seulement la première moitié f ∈ 0, f e / 2. Pour augmenter la résolution du spectre, il faut augmenter T. Il est intéressant de maintenir constante la fréquence d'échantillonnage: T=100.

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