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)
=x1(p).x2(tp)dp

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[(pt)]

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[(pt)]dp

现在这个t可以大于或小于零,如下面的图形所示

Convolution Example

因此,根据上述情况,结果出现以下可能性

y(t)={0,ift<0t01dt,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)=x1x2(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,a0

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(tt1)x2(tt2)=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(t1)u(t2)

y(t)=+[u(t1).u(t2)]dt

=r(t1)+r(t2)

=r(t3)

例2 - 求由下式给出的两个信号的卷积

x1(n)={3,2,2}

x2(n)={2,0n40,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}=32Z1+2Z2

类似地, x2(z)=2+2Z1+2Z2+2Z3+2Z4

结果信号为:

X(Z)=X1(Z)X2(z)

={32Z1+2Z2}×{2+2Z1+2Z2+2Z3+2Z4}

=6+2Z1+6Z2+6Z3+6Z4+6Z5

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+Z1+Z3

以及 h(n)=1+2Z1+3Z2+Z3

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+Z1+Z3}×{1+2Z1+3Z2+Z3}

={2+5Z1+8Z2+6Z3+3Z4+Z5} (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)

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