Qu'est-ce que Transformée de Fourier discrète ?

Calcul qui convertit N échantillons x[0] à x[N − 1] en N composantes fréquentielles X[0] à X[N − 1]. Elle est définie par X[k] = Σx[n]e^(−j2πkn/N), et la composante k correspond à la fréquence k·fs/N. L'espacement des bins fs/N est l'inverse de la durée d'observation et donne une indication de la résolution fréquentielle. Pour un signal réel, X[N − k] est le conjugué complexe de X[k] : les bins k = 0 à N/2 contiennent donc toute l'information. Calculée d'après la définition, elle demande environ N² opérations, que la transformée de Fourier rapide (FFT) ramène à environ N log₂N. Son abréviation est DFT, qui n'a rien à voir avec le DFT au sens de la conception en vue du test.

Nom japonais: 離散フーリエ変換

« Transformée de Fourier discrète » apparaît dans 2 questions d'entraînement réparties sur 2 thèmes, dont Bases du traitement numérique du signal, Bases des communications sans fil.

Domaine: Bases du traitement numérique du signal

Ce que suppose la DFT

La DFT suppose que les N points observés forment une période d'un signal qui se répète. Si une sinusoïde fait tenir un nombre entier de périodes dans l'intervalle, sa composante tombe dans un seul bin ; sinon, l'intervalle est traité comme si ses deux extrémités se raccordaient de façon discontinue, et l'énergie se répand dans les bins voisins (fuite spectrale). En mesure, on applique donc souvent une fonction de fenêtrage avant la DFT pour adoucir les deux extrémités de l'intervalle.

Lire les bins de fréquence

k = 0 correspond à la composante continue (la somme de tous les échantillons), et k = N/2 à la fréquence de Nyquist. Les bins dont k dépasse N/2 correspondent aux fréquences négatives et, pour un signal réel, sont le reflet du bin k. Par exemple, avec fs = 48 kHz et N = 1024, l'espacement des bins vaut 46,875 Hz, et une composante de 1 kHz apparaît en k ≈ 21,3, entre k = 21 et 22.

Transformée inverse et théorème de Parseval

La transformée inverse x[n] = (1/N)ΣX[k]e^(j2πkn/N) restitue exactement les échantillons d'origine. La place du facteur 1/N dépend des conventions, et certaines définitions le répartissent en 1/√N de chaque côté. Avec X[k] défini comme ci-dessus, les énergies du domaine temporel et du domaine fréquentiel sont liées par Σ|X[k]|² = N·Σ|x[n]|² (le théorème de Parseval).

S'entraîner : questions sur Transformée de Fourier discrète

Un signal échantillonné à 48 kHz est analysé par une transformée de Fourier discrète (DFT) sur 1024 points. Quel est l'espacement des bins de fréquence ?

  1. AEnviron 23,4 Hz
  2. BEnviron 46,9 Hz
  3. CEnviron 93,8 Hz
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Environ 46,9 Hz

L'espacement des bins d'une DFT sur N points vaut Δf = fs/N, et 48 000 ÷ 1024 = 46,875 Hz ≈ 46,9 Hz. Le bin k correspond à la fréquence k × Δf : k = 0 est la composante continue, et k = N/2 = 512 la fréquence de Nyquist de 24 kHz. Δf est aussi l'inverse de la durée d'observation T = N/fs ≈ 21,3 ms : des bins plus fins exigent une durée d'observation plus longue.

Questions fréquentes

Quelle différence y a-t-il entre la transformée de Fourier discrète et la FFT ?

La DFT est la définition de la transformation, « ce qu'il faut calculer », et la FFT est « une façon rapide de le calculer » (un algorithme). Les résultats de la FFT concordent avec la définition de la DFT, aux erreurs d'arrondi près. Pour N = 1024, le nombre d'opérations est divisé par environ 100.

Le remplissage par des zéros améliore-t-il la résolution fréquentielle ?

Non. Ajouter des zéros rend l'espacement des bins plus fin et donne des valeurs interpolées du spectre, mais aucune information nouvelle n'est ajoutée : la capacité à distinguer des fréquences proches reste fixée par la longueur des données réellement observées. Pour l'améliorer, il faut enregistrer des données sur une durée plus longue.

« Transformée de Fourier discrète » dans les explications

Questions mentionnant « Transformée de Fourier discrète » (2)

  1. Un signal échantillonné à 48 kHz est analysé par une transformée de Fourier discrète (DFT) sur 1024 points. Quel est l'espacement des bins de fréquence ?
  2. Quelle est la raison principale la plus appropriée pour laquelle la liaison montante de la 4G LTE (émission du terminal vers la station de base) a adopté le SC-FDMA (OFDM étalé par DFT) plutôt que l'OFDMA de la liaison descendante ?

Termes associés

Fréquence de Nyquist OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence) Convolution Décimation Équation aux différences Filtre à moyenne mobile Filtre FIR Filtre IIR Fonction de fenêtrage Fuite spectrale

Retour au glossaire