12 次元信号とフーリエ変換演習問題解答 - …12 2...
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12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
1. � 2次元連続空間信号
光学的カメラの写真
� 2次元離散空間信号
ディジタルカメラの写真
2. 図 12.1に示すように,等間隔で並べられたセンサアレイが記録する 1次元の地震波を一つにまとめ
て 2次元信号として表現する場合には,x(t, n) のように表現される信号となる.
図 12.1 アレイ信号
3. (a) 線形性 ∑n1
∑n2
(a1x1(n1, n2) + a2x2(n1, n2)) e−jω1n1e−jω2n2 (12.1)
= a1
∑n1
∑n2
x1(n1, n2)e−jω1n1e−jω2n2 + a2
∑n1
∑n2
x2(n1, n2)e−jω1n1e−jω2n2(12.2)
= a1X1(ejω1 , ejω2) + a2X2(ejω1 , ejω2) (12.3)
(b) 分離性 ∑n1
∑n2
x1(n1)x2(n2)e−jω1n1e−jω2n2 (12.4)
=
(∑n1
x1(n1)e−jω1n1
)·(∑
n2
x2(n2)e−jω2n2
)(12.5)
= X1(ejω1)X2(ejω2) (12.6)
(c) たたみこみ
Y (ejω1 , ejω2) =∑n1
∑n2
y(n1, n2)e−jω1n1e−jω2n2
2 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
=∑n1
∑n2
∑k1
∑k2
h(k1, k2)x(n1 − k1, n2 − k2)e−jω1n1e−jω2n2
=∑k1
∑k2
h(k1, k2)e−jω1k1e−jω2k2
·∑n1
∑n2
x(n1 − k1, n2 − k2)e−jω1(n1−k1)e−jω2(n2−k2) (12.7)
ここで,n′1 = n1 − k1,n′
2 = n2 − k2 とおくと
Y (ejω1 , ejω2) =
(∑k1
∑k2
h(k1, k2)e−jω1k1e−jω2k2
)·∑
n′1
∑n′
2
x(n′1, n
′2)e
−jω1n′1e−jω2n′
2
= H(ejω1 , ejω2)X(ejω1 , ejω2) (12.8)
(d) 周期性
任意の整数 k1 と k2 に対して
X(ejω1 , ejω2) =∑n1
∑n2
x(n1, n2)e−jω1n1e−jω2n2
=∑n1
∑n2
x(n1, n2)e−j(ω1+2k1π)n1e−j(ω2+2k2π)n2
= X(ej(ω1+2πk1), ej(ω2+2πk2)) (12.9)
(e) 対称性 ∑n1
∑n2
x∗(n1, n2)e−jω1n1e−jω2n2
=
(∑n1
∑n2
x(n1, n2)ejω1n1ejω2n2
)∗
=(X(e−jω1 , e−jω2)
)∗= X∗(e−jω1 , e−jω2) (12.10)
したがって,実数の信号 x(n1, n2) = x∗(n1, n2) に対して
X(ejω1 , ejω2) = X∗(e−jω1 , e−jω2) (12.11)
|X(ejω1 , ejω2)| = |X(e−jω1 , e−jω2)| (12.12)
� X(ejω1 , ejω2) = −� X(e−jω1 , e−jω2) (12.13)
4. (a) ∑n1
∑n2
δ(n1, n2)e−jω1n1e−jω2n2 = e−jω1·0e−jω2·0
= 1 (12.14)
図 12.2に振幅スペクトルを示す.
(b) ∑n1
∑n2
δ(n1)e−jω1n1e−jω2n2 =∑n2
e−jω2n2
= 2πδ(ω2) (12.15)
3
-20
2
-20
2
0
0.5
1
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.2 振幅スペクトル
図 12.3に振幅スペクトルを示す.
-20
2
-20
2
0
2
4
6
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.3 振幅スペクトル
(c) ∑n1
∑n2
δ(n1 − n2)e−jω1n1e−jω2n2 =∑n2
e−j(ω1+ω2)n2
= 2πδ(ω1 + ω2) (12.16)
図 12.4に振幅スペクトルを示す.
-20
2
-20
2
0
2
4
6
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.4 振幅スペクトル
4 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
(d)
∑n1
∑n2
an1bn2e−jω1n1e−jω2n2 =
(∑n1
an1e−jω1n1
)·(∑
n2
bn2e−jω2n2
)
=1
1 − ae−jω1· 11 − be−jω2
(12.17)
図 12.5に a = 0.5, b = 0.75 のときの振幅スペクトルを示す.
-20
2
-20
2
0
2
4
6
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.5 振幅スペクトル
(e)L1−1∑n1=0
L2−1∑n2=0
e−jω1n1e−jω2n2 =
(L1−1∑n1=0
e−jω1n1
)·(
L2−1∑n2=0
e−jω2n2
)
=1 − e−jω1L1
1 − e−jω1· 1 − e−jω2L2
1 − e−jω2
= e−j(L1−12 ω1+
L2−12 ω2) sin L1
2 ω1
sin ω12
· sin L22 ω2
sin ω22
(12.18)
図 12.6に L1 = 2, L2 = 4 のときの振幅スペクトルを示す.
-20
2
-20
2
0
2
4
6
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.6 振幅スペクトル
(f) ∑n1
∑n2
cos(αn1 + βn2)e−jω1n1e−jω2n2 (12.19)
5
=∑n1
∑n2
12
(ej(αn1+βn2) + e−j(αn1+βn2)
)e−jω1n1e−jω2n2
=12
(∑n1
∑n2
ej(αn1+βn2)e−j(ω1n1+ω2n2)
)+
12
(∑n1
∑n2
e−j(αn1+βn2)e−j(ω1n1+ω2n2)
)
=12
∑n1
ej(α−ω1)n1 ·∑n2
ej(β−ω2)n2 +12
∑n1
e−j(α+ω1)n1 ·∑n2
e−j(β+ω2)n2
= 4π2δ(ω1 − α) · δ(ω2 − β) + 4π2δ(ω1 + α) · δ(ω2 + β) (12.20)
図 12.7に α = 0.25π, β = 0.5π のときの振幅スペクトルを示す.
-20
2
-20
2
0
10
20
30
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.7 振幅スペクトル
(g) ∑n1
∑n2
(−1)n1+n2e−jω1n1e−jω2n2 =∑n1
∑n2
ejπ(n1+n2)e−jω1n1e−jω2n2
=∑n1
ej(π−ω1)n1 ·∑n2
ej(π−ω2)n2
= 2πδ(π − ω1) · 2πδ(π − ω2) (12.21)
図 12.8に振幅スペクトルを示す.
-20
2
-20
2
0
10
20
30
ω1 [rad]ω
2 [rad]
¦X(ejω1,ejω2)¦
図 12.8 振幅スペクトル
5. (a) X(ejω1 , ejω2) は,ω1 と ω2 のそれぞれに関して 2π で周期的であるから,次の式が成り立つ.
6 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
x(n1, n2) =1
4π2
∫ωc<=|ω1|<π
∫ωc<=|ω2|<π
1 · ejω1n1ejω2n2dω1dω2
=1
4π2
∫ 2π−ωc
ωc
∫ 2π−ωc
ωc
1 · ejω1n1ejω2n2dω1dω2 (12.22)
よって,x(n1, n2) は以下のように求められる.
x(n1, n2) =(
12π
∫ 2π−ωc
ωc
ejω1n1dω1d
)·(
12π
∫ 2π−ωc
ωc
ejω2n2dω2
)
=12π
[ejω1n1
jn1
]2π−ωc
ωc
· 12π
[ejω2n2
jn2
]2π−ωc
ωc
(12.23)
i. n1, n2 = 0のとき
x(n1, n2) =(
12π
∫ 2π−ωc
ωc
1dω1
)(12π
∫ 2π−ωc
ωc
1dω2
)
=12π
[ω1]2π−ωc
ωc· 12π
[ω2]2π−ωc
ωc(12.24)
=12π
(2π − 2ωc) · 12π
(2π − 2ωc) (12.25)
=(
π − ωc
π
)2
(12.26)
ii. n1 = 0, n2 �= 0 のとき
x(n1, n2) =1
4π2
∫ 2π−ωc
ωc
1dω1
∫ 2π−ωc
ωc
ejω2n2ω2
=(
π − ωc
π
)· 12π
[ejω2n2
jn2
]2π−ωc
ωc
=(
π − ωc
π
)· 12π
ej(2π−ωc)n2 − ejωcn2
jn1
=(
π − ωc
π
)· 12π
e−jωcn2 − ejωcn2
jn2
=(
π − ωc
π
)·(− 1
2π
sin ωcn2
n2
)
= −(
π − ωc
π
)ωc
πsinc
ωcn2
π(12.27)
iii. n1 �= 0, n2 = 0 のとき
前述と同様にして
x(n1, n2) = −(
π − ωc
π
)ωc
πsinc
ωcn1
π(12.28)
iv. n1, n2 �= 0 のとき12π
[ejω1n1
jn1
]2π−ωc
ωc
=12π
ej(2π−ωc)n1 − ejωcn1
jn1
=12π
e−jωcn1 − ejωcn1
jn1
= − 12π
sin ωcn1
n1
7
= −ωc
πsinc
ωcn1
π(12.29)
同様に12π
[ejω2n2
jn2
]2π−ωc
ωc
= −ωc
πsinc
ωcn2
π(12.30)
よって,式 (12.23)から
x(n1, n2) =(−ωc
πsinc
ωcn1
π
)·(−ωc
πsinc
ωcn2
π
)(12.31)
図 12.9に ωc = π/2 のときの信号 x(n1, n2) を示す.
-100
10
-100
10
-0.2
0
0.2
n1
n2
xa(n1,n2)
図 12.9 信号 x(n1, n2)
(b) いま,次のような 2次元離散フーリエ変換 X ′(ejω1 , ejω2) を用いる.
X ′(ejω1 , ejω2) =
1, |ω1| < ωcかつ |ω2| < ωc
0, その他(12.32)
このとき,与えられた X(ejω1 , ejω2) は次のように表される.
X(ejω1 , ejω2) = 1 − X ′(ejω1 , ejω2), ω1, ω2 = −π ∼ π (12.33)
よって,X(ejω1 , ejω2) の逆変換は以下のように求められる.
x(n1, n2) =1
4π2
∫ π
−π
∫ π
−π
X(ejω1 , ejω2)ejω1n1ejω2n2dω1dω2
=1
4π2
∫ π
−π
∫ π
−π
(1 − X ′(ejω1 , ejω2)
)ejω1n1ejω2n2dω1dω2
=1
4π2
∫ π
−π
∫ π
−π
1 · ejω1n1ejω2n2dω1dω2 (12.34)
− 14π2
∫ π
−π
∫ π
−π
X ′(ejω1 , ejω2)ejω1n1ejω2n2dω1dω2
= δ(n1, n2) − 14π2
∫ π
−π
∫ π
−π
X ′(ejω1 , ejω2)ejω1n1ejω2n2dω1dω2
= δ(n1, n2) − ωc
πsinc
(ωcn1
π
)· ωc
πsinc
(ωcn2
π
), n1, n2 = −∞ ∼ ∞ (12.35)
図 12.10に ωc = π/2 のときの信号 x(n1, n2) を示す.
(c) x(n1, n2) =1
4π2
∫∫C
1 · exp(jn1ω1 + jn2ω2)dω1dω2 (12.36)
となる.ここで
8 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
-100
10
-100
10
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
n1
n2
xb(n1,n2)
図 12.10 信号 x(n1, n2)
C ={
(ω1, ω2)|√
ω21 + ω2
2<= ωc
}(12.37)
式 (12.36)の右辺を求めるために,ω1 と ω2 を次のように極座標の形式で表す.
ω1 = ω cos φ, ω2 = ω sin φ (12.38)
このとき,ヤコビ行列式は ω となるので
x(n1, n2) =1
4π2
∫ ωc
0
∫ π
−π
exp[jω(n1 cos φ + n2 sin φ)]ωdφdω
=1
4π2
∫ ωc
0
∫ π
−π
ω exp[jω√
n21 + n2
2 cos(θ − φ)]
dφdω (12.39)
となる.ただし
n2/n1 = tan θ (12.40)
とおいた.したがって
x(n1, n2) =12π
∫ ωc
0
ωJ0
(ω√
n21 + n2
2
)dω
=ω2
c
2π·J1
(ωc
√n2
1 + n22
)ωc
√n2
1 + n22
, −∞ <= n1, n2 <= ∞ (12.41)
ここで,J0(x) と J1(x) は,それぞれ 0 次と 1 次の第 1 種ベッセル関数である.図 12.11に
ωc = π/2 のときの信号 x(n1, n2) を示す.
-100
10
-100
10
-0.2
0
0.2
n1
n2
xc(n1,n2)
図 12.11 信号 x(n1, n2)
9
6. (a) 線形性
N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
(a1x(n1, n2) + a2x2(n1, n2)) W k1n1N1
W k2n2N2
= a1
N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
+ a2
N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x2(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
= a1X1(k1, k2) + a2X2(k1, k2) (12.42)
(b) 分離性N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x1(n1)x2(n2)W k1n1N1
W k2n2N2
=
(N1−1∑n1=0
x1(n1)W k1n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
x2(n2)W k2n2N2
)
= X1(k1)X2(k2) (12.43)
(c) 循環たたみこみ
Y (k1, k2) =N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
y(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
=N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
(N1−1∑p1=0
N2−1∑p2=0
h(p1, p2)x((n1 − p1)N1 , (n2 − p2)N2)
)W k1n1
N1W k2n2
N2
=N1−1∑p1=0
N2−1∑p2=0
h(p1, p2)Wk1p1N1
W k2p2N2
·N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x((n1 − p1)N1 , (n2 − p2)N2)
·W k1(n1−p1)N1N1
Wk2(n2−k2)N2N2
= H(k1, k2)X(k1, k2) (12.44)
(d) 周期性
任意の整数 p1 と p2 に対して
X(k1 + p1N1, k2 + p2N2) =N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)W(k1+p1N1)n1N1
W(k2+p2N2)n2N2
=N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
W p1N1n1N1
W p2N2n2N2
=N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
= X(k1, k2) (12.45)
(e) 対称性N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x∗(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
=
(N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)(W k1n1
N1W k2n2
N2
)∗)∗
10 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
(12.46)
ここで
(W knN )∗ =
(exp
(−j
2π
Nkn
))∗
= exp(
j2π
Nkn
)
= exp(−j
2π
N(N − k)n
)
= W(N−k)nN (12.47)
よって (N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)(W k1n1
N1W k2n2
N2
)∗)∗
=
(N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
x(n1, n2)(W
(N1−k1)n1N1
W(N2−k2)n2N2
))∗
= X∗(N1 − k1, N2 − k2) (12.48)
したがって,実数の信号 x(n1, n2) = x∗(n1, n2) に対して
X(k1, k2) = X∗(N1 − k1, N2 − k2) (12.49)
|X(k1, k2)| = |X(N1 − k1, N2 − k2)| (12.50)
� X(k1, k2) = −� X(N1 − k1, N2 − k2) (12.51)
7. (a)N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
δ(n1, n2)W k1n1N1
W k2n2N2
= W k1·0N1
W k2·0N2
= 1 (12.52)
図 12.12に N1 = N2 = 16 のときの振幅スペクトルを示す.
05
1015
05
10150
1
2
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.12 振幅スペクトル
(b)N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
δ(n1)W k1n1N1
W k2n2N2
= W k1·0N1
N2−1∑n2=0
W k2n2N2
11
=N2−1∑n2=0
W k2n2N2
(12.53)
k2 = 0 のときN2−1∑n2=0
W k2n2N2
= N2 (12.54)
k2 �= 0 のときN2−1∑n2=0
W k2n2N2
=1 − W k2N2
N2
1 − W k2N2
= 0 (12.55)
図 12.13に N1 = N2 = 16 のときの振幅スペクトルを示す.
05
1015
05
10150
5
10
15
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.13 振幅スペクトル
(c)N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
δ(n1 − n2)W k1n1N1
W k2n2N2
=N−1∑n=0
W k1nN1
W k2nN2
=N−1∑n=0
W(k1+k2)nN1
(12.56)
i. k1 + k2 = 0 すなわち k1 = k2 = 0 のときN−1∑n=0
W(k1+k2)nN1
=N−1∑n=0
1
= N (12.57)
ii. k1 + k2 = N のときN−1∑n=0
W(k1+k2)nN1
=N−1∑n=0
WNnN1
=N−1∑n=0
1
= N (12.58)
iii. k1 + k2 がその他の値のときN−1∑n=0
W(k1+k2)nN1
=1 − W
(k1+k2)NN
1 − W k1+k2N
12 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
=1 − 1
1 − W k1+k2N
= 0 (12.59)
図 12.14に N1 = N2 = 16 のときの振幅スペクトルを示す.
05
1015
05
10150
5
10
15
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.14 振幅スペクトル
(d)
N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
1W k1n1N1
W k2n2N2
=
(N1−1∑n1=0
W k1n2N1
)·(
N2−1∑n2=0
W k2n2N2
)(12.60)
i. k1 = k2 = 0 のとき(N1−1∑n1=0
W k1n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W k2n2N2
)=
N1−1∑n1=0
1 ·N2−1∑n2=0
1
= N1N2 (12.61)
ii. k1 = 0, k2 �= 0 のときN2−1∑n2=0
W k2n2N2
=1 − W k2N2
N2
1 − W k2N2
=1 − 1
1 − W k2N2
= 0 (12.62)
よって,(N1−1∑n1=0
W k1n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W k2n2N2
)=
(N1−1∑n1=0
W k1n1N1
)· 0
= 0 (12.63)
iii. k1 �= 0, k2 = 0 のとき
上と同様にして(N1−1∑n1=0
W k1n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W k2n2N2
)= 0 ·
(N2−1∑n2=0
W k2n2N2
)
= 0 (12.64)
iv. k1, k2 �= 0 のとき
13
上と同様にして(N1−1∑n1=0
W k1n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W k2n2N2
)= 0 · 0
= 0 (12.65)
図 12.15に N1 = N2 = 16 のときの振幅スペクトルを示す.
05
1015
05
10150
100
200
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.15 振幅スペクトル
(e)
x(n1, n2) =
1 0 <= n1 <= L1 − 1, 0 <= n2 <= L2 − 1
0 その他(12.66)
X(k1, k2) =L1−1∑n1=0
L2−1∑n2=0
W k1n1N1
W k2n2N2
=L1−1∑n1=0
W k1n1N1
·L2−1∑n2=0
W k2n2N2
(12.67)
k1 = 0, k2 �= 0 のとき
X(k1, k2) = L1 ·1 − W k2L2
N2
1 − W k2N2
= L1 · W k2(L2−1)/2N2
· sin(πk2L2/N2)sin(πk2/N2)
(12.68)
k1 �= 0, k2 = 0 のとき
X(k1, k2) = L2 · W k1(L1−1)/2N1
· sin(πk1L1/N1)sin(πk1/N1)
(12.69)
上記以外のとき
X(k1, k2) =1 − W k1L1
N1
1 − W k1N1
· 1 − W k2L2N2
1 − W k2N2
= Wk1(L1−1)/2N1
· sin(πk1L1/N1)sin(πk1/N1)
·W k2(L2−1)/2N2
· sin(πk2L2/N2)sin(πk2/N2)
(12.70)
図 12.16に N1 = N2 = 16, L1 = 2, L2 = 4 のときの振幅スペクトルを示す.
14 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
05
1015
05
10150
5
10
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.16 振幅スペクトル
(f)
X(k1, k2) =N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
cos(αn1 + βn2)W k1n1N1
W k2n2N2
=N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
12(ej(αn1+βn2) + e−j(αn1+βn2))W k1n1
N1W k2n2
N2
=12
N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
ej(αn1+βn2)W k1n1N1
W k2n2N2
+12
N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
e−j(αn1+βn2)W k1n1N1
W k2n2N2
=12
N1−1∑n1=0
ejαn1W k1n1N1
N2−1∑n2=0
ejβn2W k2n2N2
+12
N1−1∑n1=0
e−jαn1W k1n1N1
N2−1∑n2=0
e−jβn2W k2n2N2
(12.71)
ここで,α = 2πp/N1, β = 2πq/N2(p, q は整数)とすると,
X(k1, k2) =12
N1−1∑n1=0
ej 2πpN1
n1W k1n1N1
N2−1∑n2=0
ej 2πqN2
n2W k2n2N2
+12
N1−1∑n1=0
e−j 2πpN1
n1W k1n1N1
N2−1∑n2=0
e−j 2πqN2
n2W k2n2N2
=12
N1−1∑n1=0
W−n1pN1
W k1n1N1
N2−1∑n2=0
W−n2qN2
W k2n2N2
+12
N1−1∑n1=0
Wn1(p−N1)N1
W k1n1N1
N2−1∑n2=0
Wn2(q−N2)N2
W k2n2N2
=12
N1−1∑n1=0
W−n1(k1−p)N1
N2−1∑n2=0
Wn2(k2−q)N2
+12
N1−1∑n1=0
Wn1(k1+p−N1)N1
N2−1∑n2=0
Wn2(k2+q−N2)N2
=N1N2
2δ(k1 − p)δ(k2 − q) +
N1N2
2δ(k1 + p − N1)δ(k2 + q − N2)
(12.72)
図 12.17に振幅スペクトルを示す.
15
05
1015
05
10150
50
100
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.17 振幅スペクトル
(g) (−1)n1+n2 = exp(jπn1) exp(jπn2) であるからN1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
(−1)n1+n2W k1n1N1
W k2n2N2
=N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
exp(jπn1) exp(jπn2)W k1n1N1
W k2n2N2
=N1−1∑n1=0
N2−1∑n2=0
exp(jπn1) exp(jπn2)W k1n1N1
W k2n2N2
=
(N1−1∑n1=0
exp(jπn1)W k1n1N1
)(N2−1∑n2=0
exp(jπn2)W k2n2N2
)
=
(N1−1∑n1=0
exp(
j2π
N1· N1
2n1
)W k1n1
N1
)·(
N2−1∑n2=0
exp(
j2π
N2· N2
2n2
)W k2n2
N2
)
=
(N1−1∑n1=0
W(k1−N1/2)n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W(k2−N2/2)n2N2
)(12.73)
i. k1 = N1/2, k2 = N2/2 のとき(N1−1∑n1=0
W(k1−N1/2)n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W(k2−N2/2)n2N2
)=
(N1−1∑n1=0
1
)·(
N2−1∑n2=0
1
)
= N1N2 (12.74)
ii. k1 = N1/2, k2 �= N2/2 のとき(N1−1∑n1=0
W(k1−N1/2)n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W(k2−N2/2)n2N2
)= N1 ·
1 − W(k2−N2/2)n2N2N2
1 − W(k2−N2/2)n2N2
= N1 · 1 − 1
1 − W(k2−N2/2)n2N2
= 0 (12.75)
iii. k1 �= N1/2, k2 = N2/2 のとき
上と同様にして(N1−1∑n1=0
W(k1−N1/2)n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W(k2−N2/2)n2N2
)= 0 · N2
= 0 (12.76)
16 12 2 次元信号とフーリエ変換 演習問題解答
iv. k1 �= N1/2, k2 �= N2/2 のとき
上と同様にして(N1−1∑n1=0
W(k1−N1/2)n1N1
)·(
N2−1∑n2=0
W(k2−N2/2)n2N2
)= 0 · 0
= 0 (12.77)
図 12.18に振幅スペクトルを示す.
05
1015
05
10150
100
200
k1
k2
¦X(k1,k2)¦
図 12.18 振幅スペクトル
8. 図 12.19に 2次元 DFTの複素乗算回数と複素加算回数を示す.
� �【MATLAB12.1】%2次元離散フーリエ変換の計算量p = 0:9; %べきの範囲N = 2.^p; %信号のサイズN1 = N; N2=N;
mult_direct = N1.^2 .* N2.^2; %直接計算の乗算回数mult_rcd = 0.5*N1.* N2.*log(N1.*N2); %行列分解の乗算回数
add_direct = N1.*N2.*(N1.*N2-1); %直接計算の加算回数add_rcd = N1.*N2.*log(N1.*N2); %行列分解の加算回数
subplot(2,2,1);loglog(N,mult_direct,’*’, N,mult_rcd,’o’); grid;xlabel(’Signal length N’); ylabel(’Num. of Multiplication’);legend(’Direct’,’R-C decomp’,2)
subplot(2,2,2);loglog(N,add_direct,’*’, N,add_rcd,’o’); grid;xlabel(’Signal length N’); ylabel(’Num. of Addition’);legend(’Direct’,’R-C decomp’,2)� �
17
100
101
102
103
100
105
1010
1015
Signal length N
Num. of Multiplication
DirectR-C decomp
100
101
102
103
100
105
1010
1015
Signal length N
Num. of Addition
DirectR-C decomp
(a) 複素乗算回数 (b) 複素加算回数
図 12.19 2 次元 DFT の複素乗算回数と複素加算回数