圆周卷积和线卷积

前言

在信号处理基础那篇博客中证明了时域的线卷积和频域DTFT相乘等价,但实际应用中用到的更多是DFT(FFT)变换和线卷积,因此也就没法应用此特性进行快速计算。幸运的是,频域的DFT相乘和时域的圆周卷积等价,因此只要在某种条件下,圆周卷积和线卷积等价,就可以利用FFT变换快速计算时域的线卷积。
圆周卷积和线卷积_第1张图片

圆周卷积和线卷积

有限长序列时移

有限长序列 x ( n ) , 0 ≤ n ≤ N − 1 x(n),0\leq n\leq N-1 x(n),0nN1,经过时移 m m m位,序列变为 x ( n − m ) , m ≤ n ≤ N + m − 1 x(n-m),m\leq n\leq N+m-1 x(nm),mnN+m1,两个序列进行DFT变换取级数的范围会不同,这给DFT研究带来不便,为了解决这个问题,把有线长序列的位移赋予一种新的解释,圆周移位,首先将序列周期扩展、移位,然后取主值区,将这种操作写为: x ( ( n − m ) ) N R N ( n ) x((n-m))_NR_N(n) x((nm))NRN(n)

圆周卷积: x ( n ) ⊗ h ( n ) = ∑ m = 0 N − 1 x ( m ) h ( ( n − m ) ) N R N ( n ) x(n)\otimes h(n)=\sum_{m=0}^{N-1}x(m)h((n-m))_NR_N(n) x(n)h(n)=m=0N1x(m)h((nm))NRN(n)
序列 x ( n ) x(n) x(n)长度为 N N N, h ( n ) h(n) h(n)长度为 M M M,则线性卷积后的长度为 M + N − 1 M+N-1 M+N1,假设圆周卷积长度为 L L L,则当 L ≥ M + N − 1 L\geq M+N-1 LM+N1时,圆周卷积的前 M + N − 1 M+N-1 M+N1和线性卷积结果一样。

例子

举个例子:x=[1,1,1],h=[1,1,1,1], L = 6 L=6 L=6,线性卷积过程为:
圆周卷积和线卷积_第2张图片
进行圆周卷积之前会对数据补齐为:
x = [1 1 1 0 0 0]
h = [1 1 1 1 0 0]
圆周卷积过程为:
圆周卷积和线卷积_第3张图片
对比运行过程可以发现,当圆周卷积长度 L ≥ M + N − 1 L\geq M+N-1 LM+N1时,两个序列多余的交叠部分都是和0相乘的,因此圆周卷积结果的前 M + N − 1 M+N-1 M+N1点和线卷积的结果一致。

所以通过选择FFT变换长度 L ≥ M + N − 1 L\geq M+N-1 LM+N1时,可以利用FFT快速计算线卷积。
一个matlab例子,y1和y2的运行结果一致。

x = [1 1 1];
h = [1 1 1 1];
y1 = conv(x,h);

L = 6;
y2 = ifft(fft(x,L).*fft(h,L);

参考文献

[1] 信号与系统(第二版)邓君里

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