Series y transformada de Fourier · Definición
Transformada de Fourier continua
La transformada de Fourier extiende la serie de Fourier a señales no periódicas, pasando de un espectro discreto a uno continuo. Permite analizar señales de energía finita en el dominio de la frecuencia.
Definición
La transformada de Fourier continua \(X(j\omega)\) es una representación en frecuencia de una señal aperiódica de tiempo continuo \(x(t)\), que asigna a cada frecuencia \(\omega\) su contenido espectral.
Si \(x(t)\) es absolutamente integrable, su transformada existe y la inversa \(x(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(j\omega)e^{j\omega t}\,d\omega\) recupera la señal. La transformada es lineal, y un desplazamiento temporal \(x(t-t_0)\) produce un factor de fase \(e^{-j\omega t_0}\) en \(X(j\omega)\), sin cambiar su magnitud. Además, la convolución en el tiempo corresponde a la multiplicación en frecuencia.
Considere el pulso rectangular \(x(t)=1\) para \(|t|<T_1\) y \(0\) en otro caso. Integrando directamente se obtiene \(X(j\omega)=\frac{2\sin(\omega T_1)}{\omega}\), cuyo valor en \(\omega=0\) es \(2T_1\), igual al área del pulso. Este resultado muestra cómo una señal de duración corta tiene un espectro ancho.
Un error típico es olvidar el signo negativo en la exponencial del kernel, usando \(e^{j\omega t}\) en la directa. Esto invierte el espectro en frecuencia y da resultados incorrectos para señales no simétricas. Conviene verificar siempre la convención de signos antes de integrar.
Para pensar
¿Qué ocurre con \(X(j\omega)\) si la señal se estira en el tiempo, \(x(at)\) con \(0<a<1\)?
El espectro se comprime en frecuencia por el factor \(a\) y su amplitud se multiplica por \(1/a\), porque la señal se estira en el tiempo.
Ejercicios 10
- Según la definición, ¿cuál es el núcleo de la transformada de Fourier continua directa?
- ¿Qué factor multiplica a la integral en la transformada inversa de Fourier?
- ¿Cuál es la transformada de Fourier de \(\delta(t)\)?
- Si \(x(t)\) es real, ¿qué simetría cumple \(|X(j\omega)|\)?
- ¿Cuál es el valor de \(X(j0)\) para \(x(t)\) integrable?
- Calcule la transformada de \(x(t)=e^{-at}u(t)\) con \(a>0\).
- Si \(X(j\omega)\) es la transformada de \(x(t)\), ¿cuál es la transformada de \(x(t-2)\)?
- Calcule la transformada de la convolución \(y(t)=x_1(t)*x_2(t)\) si \(X_1(j\omega)=\frac{1}{1+j\omega}\) y \(X_2(j\omega)=\frac{2}{2+j\omega}\).
- ¿Cuál es la transformada de \(x(t)=\frac{d}{dt}e^{-t}u(t)\)?
- Sea \(x(t)=e^{-|t|}\). Calcule \(X(j\omega)\) y determine el valor de \(X(j1)\) comparándolo con las opciones.
Referencias
- Alan V. Oppenheim, Alan S. Willsky, Signals and Systems, 2nd edition, Pearson, 1996.
- Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, Discrete-Time Signal Processing, 3rd edition, Pearson, 2010.