論頻譜中負頻率成分的物理意義

科技 05-09

編者按：

現在公眾號有置頂功能了，大家把微信更新到最新版本，點開「大數據實驗室」公眾號。點「置頂公眾號」鍵，就可以置頂了，這樣。不管我們什麼時候更新，您都能容易找到。

原文地址：http://www.wtoutiao.com/p/y99ZCX.html

在對任何信號進行傅立葉分析時，得出的頻譜為複數，且其頻率範圍將從-∞~∞。對於負頻率以及該範圍的頻譜，應當如何理解?它有沒有物理意義?是一個還缺乏討論，因而沒有統一看法的問題，本文將對此進行討論。

1．負頻率與複信號

頻率 f 的原始定義是每秒出現的次數，可用以衡量機械運動、電信號、乃至任何事件重複出

(a) 三維圖形

(b)x-y 平面的二維圖形現的頻度，這當然不存在

有「負」的概念。當用頻率描述圓周運動時（即進入了二維信號平面），產生了角頻率 ω」的概念，從機械旋轉運動出發，定義為角速度，對於周期運動，角速度也就是角頻率。通常 θ以反時針為正，因此轉動的正頻率是反時針旋轉角速度，負頻率就是順時針旋轉角速度。正、負號是非常自然形成的，沒有物理意義的有無問題。電的單位向量（電壓或電流）圍繞原點的轉動，可以用表示，這是在電路中都清楚的。θ的正負所代表的物理意義從未有什麼爭議，它的導數的物理意義不言自明，取正取負都不影響定義，為什麼取負就會失去物理意義了呢？在信號與系統課程中，為了簡化問題，便於初學者掌握概念，開宗明義地把研究範圍限定於實信號 f(t) ，也就是在電壓旋轉向量中，只研究它在實平面或虛平面上的一個投影 sin(ωt)或 cos(ωt)，研究複信號的特性與只研究實信號 sin(ωt)或 cos(ωt) 是兩個不同的層次。前者是反映信號在空間的全面特性，如圖1 所示。後者只研究了信號在一個平面（x-t或y-t組成的平面）上投影的特性。這就必然要丟掉一些重要的信息，以致 x=sin(ωt) 與sin(-ωt)在x-t平面中的波形沒有任何差別，這是人們對負頻率的意義產生疑問的直接原因之一。很顯然，在 x-t或y-t的平面內，是不可能看出旋轉的。既看不到θ，更看不到ω。只有在x-y平面上才能看到這兩個旋轉參數。

論頻譜中負頻率成分的物理意義

2．複信號與實信號的頻譜

同樣，用ejtω或 sin(ωt)或 cos(ωt)作為核來做傅立葉變換所得的結果也是前者全面，後者片面。對實信號做傅立葉變換時，如果用指數為核，將得到雙邊頻譜。以角頻率為?的餘弦信號為例，它有具有位於±?兩處的、幅度各為 0.5、相角為零的頻率特性。它的幾何關係可以用圖2表示。兩個長度為 0.5 的向量，分別以±?等速轉動，它們的合成向量就是沿實軸方向的餘弦向量。而沿虛軸方向的信號為零。可見必須有負頻率的向量存在，才可能構成純粹的實信號。所以歐公式是有其明確的幾何意義（即物理意義）的。在文獻[1]中給出了動畫，並給出了正、負數字頻率的幾何解釋。

論頻譜中負頻率成分的物理意義

3．雙邊頻譜的工程應用

正餘弦信號中包括正負雙邊頻譜，不僅有物理意義，而且具有重要的工程價值。

1）二相非同步電機的設計

根據這個概念，可以用兩路在空間正交的實信號來構成旋轉電磁場，設計電動機。上面給出了單位餘弦波在正負兩個頻率上有幅度相等，相角均為零的兩根譜線；同樣，單位正弦波在同樣正負兩個頻率上也有幅度相等的譜線，不過它們的相角分別為±π/2。用立體圖表示如圖 3(a)。

如果把正弦和餘弦兩個信號的正頻率成分設計得相等相反，則把它們合成以後，就只剩下負頻率成分，它就構成一個單純負向旋轉的電信號。為此可以把正弦信號在空間上轉動π/2，使它的正頻率譜線恰好與餘弦信號的正頻率譜線反向，這樣兩個信號的合成（見圖3(b)）就成為一個只有負頻率譜線的信號，當然它在時域必然是複數信號。常用的二相非同步電機就是這樣負向轉動的。而要使該電機正轉，則要使兩者的負頻率成分互相抵消，只保留其正頻率成分。

論頻譜中負頻率成分的物理意義

2）通信領域中的 Hilbert 變換

實信號的雙邊頻譜是對稱的。如果它的單邊頻帶寬 W，考慮到負頻率成分，實際占的頻譜區域就是±W，所以通信中要傳輸這樣的信號就需要佔用 2W的頻帶寬度。為了節省頻帶，人們就發明了 Hilbert 變換，它可以把信號的正頻率頻譜移相-90°，把負頻率頻譜移相90°，然後再將這個信號移相90°與原信號相加，使兩者的負頻率成分互相抵消，正頻率成分加倍，構成一個沒有負頻率頻譜的複信號,（如同上面所說的二相非同步電機那樣）。這個複信號的帶寬就只佔 W 了。用這個方法，使頻帶節約了一半。在這裡，可以看到負頻率成分的重要性，在傳送信號時。

它是不可或缺的部分。另外，也看到負頻率成分與複信號的密切關係。

3）產生任意的平面運動軌跡

文獻[5]曾提出根據傅立葉反變換原理產生平面運動軌跡的方法。從上面歐拉公式的幾何意義不難得知，傅立葉反變換公式其實表示了多個頻譜旋轉向量的合成，這些向量的頻率規定了它信號的實部，在 y軸上的投影是信號的虛部。

不難設計出一個程序來演示這個過程，在[2,3]中編寫了一個MATLAB 程序，程序名為 exn941。它把四個集總頻譜合成起來。假如給出這些頻譜分量如下：

a(1) = 1， ω(1) = 1； a(2) = 1， ω(2) = －1； a(3) = 0.5，ω(3) = 3；a(4) = 0.5，ω(4) = －4；

在此處，為了顯示複信號，有意把輸入頻譜設成不對稱的，見圖5(d)。於是讀者將看到四節桿的運動動畫，並得到桿系及其末端在複平面上的軌跡（圖4），改變了比例尺後為圖 5 (a)。將它在x，y兩方向的投影與時間軸的關係畫在圖5(b)和(c)中，就得到信號與系統課程中常見的實信號曲線。

論頻譜中負頻率成分的物理意義

輸入頻譜的幅度可以是負數，也可以是虛數，甚至可以是複數，它不僅反映了頻譜的大小，還反映了該向量的起始相位；頻譜的頻率則只能是有正負號的實數，正頻率和負頻率以及在該頻率上頻譜的意義在此不言自明。讀者可以做各種各樣的試驗。例如當兩組頻率具有倍頻關係時，得到的是周期信號，如果頻率比是無理數，那將得出非周期的信號；另外，這樣的演示只適用於集總頻譜，對於分布的頻譜密度，就要把它想像為若干小的集總頻譜的疊合。

總之有了這樣的形象演示，可以大大擴展時域信號與頻域譜之間關係的思維空間。

4）多普勒頻率

多普勒頻率又是一個負頻率的實例，如果信號的發射源向我們運動而來，那麼多普勒頻率就是正頻率；如果信號的發射源向我們遠離而去，那麼多普勒頻率就是負頻率，在這裡正負頻率都是有明確物理意義的。多普勒頻率雖是一種差頻，它表現為合成信號的包絡頻率，因此仍然符合上述的原理，在實信號域只能求出多普勒頻率的大小，但檢測不出它的正負。要得到負頻率，必須從複信號域考慮。可見，不懂得這一點，就無法找到多普勒測速的原理框圖。

5）機械工程領域的應用

關於二維信號的傅立葉變換，國內早已有學者將其應用於工程領域，參見文獻[4]、 [5]。這些都是說明頻譜中負頻率物理意義的實際例證。

4．在對負頻率認識中存在的問題

頻譜中負頻率成分的物理意義往往不為某些人們理解，其主要原因是他們忘記了實信號平面內研究問題的局限性。因為在信號與系統課程中研究的信號通常只限於實信號。從實信號的x-t的波形圖上根本看不出頻率的轉向和正負，頻率只能表現為每秒信號重複的次數。分不清正負就以為是正頻率，只是一種習慣性的思維方法而已。

歸根到底，轉角和頻率的正負，必須在x-y平面或二維信號中才能觀察到。因為觀察的方法不對，看不到其意義，從而否認它的存在，這是認識論上的錯誤，不是科學的方法。這就和「瞎子摸象」的故事所說的那樣，摸象腿的人否認象有鼻子，毛病出在他的驗證方法。他老想在象腿（實信號域）上找到象鼻子（負頻率），當然也永遠找不到。正確的方法是必須換一個角度，摸別的部位（複信號域），才能得到全面的知識。

某些學者不承認負頻率是由於把「頻率是每秒鐘循環的次數」的陳舊概念絕對化，其實頻率的概念是不斷發展充實的。每秒次數的概念只能粗糙地研究信號外部形態，無法涉及信號每周期內部的細微波形特徵，而這恰好是傅立葉變換的任務。從它的核已經可以清楚地看到，正是它摒棄（或發展）了原始的頻率定義，採用了角頻率的概念。單位是弧度/秒，而且具有明確的方向和正負號。其實頻率的概念還在繼續發展，進入到數字信號處理時又進一步出現了數字頻率，它的單位是弧度（去掉了分母上的「秒」），取值範圍是[-π，π]。它的物理意義已變為兩次採樣時刻之間向量轉過的角度，在文獻[1]中對此有詳細的說明。如果停留在「每秒次數」的舊概念上，那「數字信號處理」也就無法發展了。

5．從認識論角度糾正對負頻率的錯誤說法

這個問題是從教學中提出的，作者在旁聽「信號與系統」課程時，在老師的幻燈片上看到了「關於雙邊譜，負頻率只有數學意義，沒有物理意義」的提法。我們覺得這是個錯誤，而且恐怕不是個別老師的想法。回來一查，果然如此，很多相當權威的主流教材上都這麼寫。

其實，「×××只有數學意義，沒有物理意義」這樣的「命題」誰也沒有證明過，也是無法證明的，它最多只能算是猜想。只要有一個反例就可被推翻，本文已經舉出了多個反例，說明它是完全錯誤的。教師絕不該把錯誤的猜想說成真理，更不能寫在書上和幻燈片上去誤導學生。數學是更抽象、更深刻地描述物理現象的工具，而物理是實證的科學。限於條件，人們往往暫時還認識不到數學定理的物理意義。數學超前物理是科學史上多次出現的現象，比如虛數、非歐氏幾何等。這時應該努力去理解它，認識它，而不是輕易地放棄它、否定它。自己沒想通，沒找到的事物，不能說它不存在。給學生講課時，只能說「我們目前還沒有想通×××的物理意義」。這才能表明教師在科學上的嚴肅和謙遜，也有助於培養學生的科學鑽研和創新精神。

6．結束語

討論這個問題，不僅是理論上的探討，對於提高教學質量是有重大意義的。今天，信息技術如此的發展，很大程度是由於深入大量地開發頻譜資源的結果。在同學剛進入這個資源庫的時候，我們要引導他們對這個寶藏發生極大的興趣，非常珍惜這個寶藏，去深鑽，去挖掘它的每一點潛力。不能為了省事，為了堵住學生的好奇提問，輕率地、毫無根據地一句話就把頻譜的負頻率半邊扔掉了。在入門的時候，當然不可能把本文說的概念統統灌輸給學生，要順序漸進。但老師首先要有更寬廣的知識面和更科學的思維方法，教出的學生的才會具備更多的想像力和創造性。

來源：EETOP

編輯：Gemini

論頻譜中負頻率成分的物理意義