关于卷积公式的模型

在信号分析处理中,卷积是最重要的运算,但是一般计算中,关于卷积的“反褶”,“平移”,“累加和”这三个步骤,其计算步骤和卷积的实际意义,貌似“脱离”,从而影响对信号与系统相互作用关系的理解,尤其不知为何计算过程中为何出现“反褶”,也即不知道反褶在实际的卷积过程中的代表意义。

我们以离散卷积为例,尝试说明为何会出现“反褶”,“平移”,“累加和”这种步骤。

其实,在一般教材中,关于离散卷积,有两种计算方式,方式一对应一般的“反褶”过程,而方式二则可说明信号与系统相互作用的实际过程。

设有信号A=[1,2,3],系统B=[4,5,6]。我们首先利用方式二,来解析信号与系统相互作用的实际过程。

计算过程如下:

关于卷积公式的模型_第1张图片

由于信号与系统在卷积计算中满足交换律,所以这样计算一定是正确的。但是在我们的“直觉”中,信号是随时间流动,变化的,而系统是固定的,所以更满足“直觉”的写法应该是:

关于卷积公式的模型_第2张图片

我们可以将该过程理解为,t1时刻的1,进入系统,在t1,t2,t3时刻产生相应,t2时刻的2,进入系统后在 t2, t3, t4产生响应,则以此类推,最后将不同时刻输入信号产生的不同时刻输出信号叠加,得到最终的输出信号。

接着我们按照方式一,即离散卷积的原始公式来计算:


首先将A反褶得到[3,2,1]

设输出信号为y

y[1]=A[1]B[1-1]+A[2]B[1-2]+A[3]B[1-3]=0+0+0

y[2]=A[1]B[2-1]+A[2]B[2-2]+A[3]B[2-3]=1*4+0+0

y[3]=A[1]B[3-1]+A[2]B[3-2]+A[3]B[3-3]=5+8+0

y[4]=A[1]B[4-1]+A[2]B[4-2]+A[3]B[4-3]=6+10+12

y[5]=A[1]B[5-1]+A[2]B[5-2]+A[3]B[5-3]=0+12+15

y[6]=A[1]B[6-1]+A[2]B[6-2]+A[3]B[6-3]=18

对比方式二我们可以观察到方式一的计算过程其实是:

关于卷积公式的模型_第3张图片

作为对比方式二的计算方式为:

关于卷积公式的模型_第4张图片


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