方波

✍ dations ◷ 2025-04-04 11:14:53 #信号处理,傅里叶级数,电子学术语

方波是一种非正弦曲线的波形,通常会于电子和讯号处理时出现。理想方波只有“高”和“低”这两个值。

在现实世界,方波只有有限的带宽。由于一般电子零件只有高(1)和低(0)两个值,方波就自然产生,并于数位开关电路中广泛应用。因为方波可以快速从一个值转至另一个(即0→1或1→0),所以方波就用作时钟讯号来准确地触发同步电路。但是如果用频率定义域来表示方波,就会出现一连串的谐波。这可能会产生电磁波和电流脉波,影响周围的电路,产生噪声和错误,对一些精密仪器如类比数位资料转换器(analog-to-digital converter)影响十分明显,所以设计会使用正弦波作时钟讯号来代替方波。

在音乐上,方波被视为空洞的声音,因此会以减法合成过滤方波作管乐的基础。另外,电吉他的失真效果(distortion)把波形的外层削去,令波形趋向成为方波。失真越大会令波形越像方波。

一个“简单二能级莱德马契函数”(simple two-level Rademacher function)就是一个方波。

方波和锯齿波不同。锯齿波包含所有整数谐波成分(integer harmonics),方波只有奇数谐波成分。

我们可以傅里叶级数表达一个理想方波,这个傅里叶级数有无限个项,如下式:

x s q u a r e ( t ) = 4 π k = 1 sin ( ( 2 k 1 ) 2 π f t ) ( 2 k 1 ) = 4 π ( sin ( 2 π f t ) + 1 3 sin ( 6 π f t ) + 1 5 sin ( 10 π f t ) + . . . ) {\displaystyle x_{\mathrm {square} }(t)={\frac {4}{\pi }}\sum _{k=1}^{\infty }{\sin {\left((2k-1)2\pi ft\right)} \over (2k-1)}={\frac {4}{\pi }}\left(\sin(2\pi ft)+{1 \over 3}\sin(6\pi ft)+{1 \over 5}\sin(10\pi ft)+...\right)} 是2.也可以用分段的方式表示:

当下列式子成立时,上述式子成立

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