数字信号处理基础.pdf

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1、第二章数字信号处理基础对采集到的信号进行处理，除了传统的时域分析之外，各种各样的变换发挥了重要作用，从最熟悉的傅立叶（Fourier）变换，到现在的小波（wavelet）变换，以及主成分分析（principalcomponentanalysis），独立成分分析（independentcomponentanalysis）和稀疏成分分析（sparsecomponentanalysis）。每一种变换都有其独特的视野，为信号的分析处理提供了不同的思路。这里我们将介绍最基本的一种变换，在线性时不变系统中广泛使用的傅立叶变换以及频谱分析，本章还是以离散数据为主，介绍离散

2、傅立叶变换（DFT）的有关知识。第一节傅立叶变换及其意义（FourierTransform）傅立叶分析方法的建立有过一段漫长的历史，涉及到很多人的工作和不同物理现象的研究。在近代欧拉、伯努利、傅立叶、狄里赫利等学者的努力完善下，建立了傅立叶分析方法，他们主要是集中在连续时间信号的分析问题上。与此同时，对于离散时间信号的傅立叶分析方法却有着不同的发展过程，用于处理离散数据以产生数值近似的有关内插、积分和微分等方面的公式早在17世纪的牛顿时代就被研究过，从事时间序列的研究曾吸引了18、19世纪包括高斯在内的许多著名科学家，从而为离散傅立叶变换提供了数学基础。在2

3、0世纪60年代中期，库利（Cooley）和图基（Tukey）独立发表了一篇论文，也就是快速傅立叶变换算法（FFT）。FFT是非常高效的算法，使得计算变换所需要的时间减少了几个数量级，由于计算机速度的迅速提高，越来越多的连续时间信号被离散化，然后用计算机进行处理。2.1.1傅立叶变换的意义及各种变换对利用“三角函数和”的概念来描述周期性过程至少可以追溯到古代巴比伦人时代，三角函数和也即是成谐波关系的正弦和余弦或周期复指数函数的和。这些成谐波关系的复指数函数在LTI系统分析中变得十分有用：如果一个LTI系统的输入可以表示为周期复指数的线性组合，则输出也一定能表示

4、成这种形式，并且输出线性组合中的加权系数与输入中对应的系jw数有关，如图2.1所示，x(n)表示输入或者激励，y(n)表示系统输出或者响应，H(e)表示系统单位脉冲响应h(n)的频率响应。x(n)y(n)x(n)y(n)jwjwH(e)H(e)ejw0njw0jw0nAejwknAH(ejwk)ejwknH(e)e∑k∑kkk图2.1成谐波关系的复指数信号的响应在研究LTI系统时，复指数信号的重要性就体现在图2.1中：一个LTI系统对复指数信号的响应也是同样一个复指数信号，不同的只是乘了一个复振幅因子H(ejwk)，频率并没有发生变化，由于是复数因子，就有了

5、幅度和相位或者实部和虚部的变化。表2.1简要地综合了连续和离散时间信号的傅立叶级数和傅立叶变换表达式，有时候为了统一，也把周期信号的傅立叶级数表示利用单位脉冲序列或单位冲激函数表示成傅立叶变换。表2.1各种信号的傅立叶级数和傅立叶变换对傅立叶级数傅立叶变换+∞~jwkt1+∞jwtx(t)=∑ae0x(t)=X(jw)edtk∫时域k=−∞2π−∞时域是连续非周期的时域是连续周期的a=1~x(t)e−jw0ktdt+∞−jwtk∫X(jw)=∫xt)(edtTT0−∞频域0频域是连续非周期的频域是离散非周期的~x(n)=a~ejk2(π/N)n1jwjwn∑

6、kx(n)=∫X(e)edwk=(N)2π时域2π时域是离散周期的时域是离散非周期的+∞a~=1~x(n)e−jk2(π/N)njw−jwnk∑X(e)=∑x(n)e频域Nn=(N)n=−∞频域是离散周期的频域是连续周期的从表2.1可以发现傅立叶变换在LTI系统分析中的思想，就是把一个无论多复杂的输入信号分解成复指数信号的线性组合，那么系统的输出也能通过图2.1的关系表达成相同复指数信号的线性组合，并且在输出中的每一个频率的复指数函数上乘以系统在那个频率的频率响应值。系数{a}称为信号~x(t)傅立叶级数系数或频谱系数或线谱等；X(jw)称为x(t)的kjw

7、频谱；X(e)也称为x(n)的频谱。作为线性组合所取的形式从求和过渡到积分，就是利用傅立叶的思想，一个非周期信号可以看成是周期无限长的周期信号，当周期增加时，基频w0越小，成谐波关系的各分量在频率上越来越近，当周期变得无穷大时，离散的线谱就形成了一个连续谱，也就从求和变成了积分。从表2.1中时域和频域的关系还能得到如下规律：时域的离散必然导致频域的周期化，频域的离散必然导致时域的周期化。简单的说，就是一个域离散必然另外一个域周期，相反的，如果一个域连续必然另外一个域是非周期的。掌握了这个规律，我们很快就能判断出一个信号在频域的表现形式。2.1.2离散傅立叶变

8、换（DFT）表2.1中给的四对傅立叶级数和傅立叶变换