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数字信号处理 - 信号运算 卷积
两个信号在时域的卷积等效于它们在频域表示的乘积。数学上,我们可以将两个信号的卷积写成
y(t)=x1(t)∗x2(t)卷积步骤
- 取信号x1(t)并将t=p代入,使其变为x1(p)。
- 取信号x2(t),执行步骤1,使其变为x2(p)。
- 对信号进行折叠,即x2(-p)。
- 对上述信号进行时间平移x2[-(p-t)]
- 然后将两个信号相乘,即x1(p).x2[−(p−t)]
示例
让我们计算一个阶跃信号u(t)与其自身的卷积。
y(t)=u(t)∗u(t)
=∫∞−∞[u(p).u[−(p−t)]dp
现在这个t可以大于或小于零,如下面的图形所示

因此,根据上述情况,结果出现以下可能性
y(t)={0,ift<0∫t01dt,fort>0
={0,ift<0t,t>0=r(t)
卷积的性质
交换律
它指出卷积的顺序无关紧要,这可以用数学方式表示为
x1(t)∗x2(t)=x2(t)∗x1(t)结合律
它指出涉及三个信号的卷积顺序可以是任意的。数学上,可以表示为:
x1(t)∗[x2(t)∗x3(t)]=[x1(t)∗x2(t)]∗x3(t)分配律
可以先将两个信号相加,然后将其卷积与第三个信号进行卷积。这等效于将两个信号分别与第三个信号进行卷积,然后最终相加。数学上,这可以写成:
x1(t)∗[x2(t)+x3(t)]=[x1(t)∗x2(t)+x1(t)∗x3(t)]面积
如果一个信号是两个信号卷积的结果,则该信号的面积是这两个信号面积的乘积。数学上可以写成
如果 y(t)=x1∗x2(t)
则, y(t)的面积 = x1(t)的面积 × x2(t)的面积
尺度变换
如果两个信号按某个未知常数“a”进行缩放,然后进行卷积,则结果信号也将按相同的常数“a”进行卷积,并将除以该数量,如下所示。
如果, x1(t)∗x2(t)=y(t)
则, x1(at)∗x2(at)=y(at)a,a≠0
延迟
假设信号y(t)是两个信号x1(t)和x2(t)卷积的结果。如果这两个信号分别延迟t1和t2时间,则结果信号y(t)将延迟(t1+t2)。数学上,可以写成:
如果, x1(t)∗x2(t)=y(t)
则, x1(t−t1)∗x2(t−t2)=y[t−(t1+t2)]
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例题解析
例1 - 求信号u(t-1)和u(t-2)的卷积。
解答 - 给定的信号是u(t-1)和u(t-2)。它们的卷积可以如下所示:
y(t)=u(t−1)∗u(t−2)
y(t)=∫+∞−∞[u(t−1).u(t−2)]dt
=r(t−1)+r(t−2)
=r(t−3)
例2 - 求由下式给出的两个信号的卷积
x1(n)={3,−2,2}
x2(n)={2,0≤n≤40,x>elsewhere
解答 -
x2(n)可以解码为x2(n)={2,2,2,2,2} (起始点为0)
x1(n)先前给出={3,−2,3}=3−2Z−1+2Z−2
类似地, x2(z)=2+2Z−1+2Z−2+2Z−3+2Z−4
结果信号为:
X(Z)=X1(Z)X2(z)
={3−2Z−1+2Z−2}×{2+2Z−1+2Z−2+2Z−3+2Z−4}
=6+2Z−1+6Z−2+6Z−3+6Z−4+6Z−5
对上述结果进行逆Z变换,我们将得到结果信号为
x(n)={6,2,6,6,6,0,4} (起始点为0)
例3 - 确定以下两个信号的卷积:
x(n)={2,1,0,1}
h(n)={1,2,3,1}
解答 -
对信号进行Z变换,得到:
x(z)=2+Z−1+Z−3
以及 h(n)=1+2Z−1+3Z−2+Z−3
现在,两个信号的卷积意味着它们的Z变换的乘积
也就是说 Y(Z)=X(Z)×h(Z)
={2+Z−1+Z−3}×{1+2Z−1+3Z−2+Z−3}
={2+5Z−1+8Z−2+6Z−3+3Z−4+Z−5} (修正了计算错误)
进行逆Z变换,结果信号可以写成:
y(n)={2,5,8,6,3,1} (起始点为0) (修正了计算错误)