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卷积的理解以及应用

已有 5109 次阅读 2018-12-13 10:57 |个人分类:朝花夕拾|系统分类:科研笔记

前言

卷积是信号与系统中十分关键的概念,以前读书的时候在课堂上听王松林老师讲,只是机械的记住了过程,对于整个运算的理解不是很到位,多年之后,在工作中多次遇到卷积,在此写下实际应用中的理解,知易行难。 

卷积的理解:

卷积涉及两个序列,z = x*y,在信号与系统中,一个序列可以看作是输入信号函数(序列)x,一个可以看作是系统函数(序列)y,因此可以从两个角度看待这个问题。传统的理解是按照教科书的理解,首先对y进行反转平移,依次计算出各个点(各个时刻)系统的输出。另一种是不进行反转,将y看作对x的一种特殊加权,将各个点的值依次加权叠加,对于第二种一般可以看作是一种展开。可以参考知乎上的答案。如下:

首先选取知乎上对卷积物理意义解答排名最靠前的回答。
不推荐用“反转/翻转/反褶/对称”等解释卷积。好好的信号为什么要翻转?导致学生难以理解卷积的物理意义。
这个其实非常简单的概念,国内的大多数教材却没有讲透。

直接看图,不信看不懂。以离散信号为例,连续信号同理。

已知x[0] = a, x[1] = b, x[2]=c 

已知y[0] = i, y[1] = j, y[2]=k

下面通过演示求x[n] * y[n]的过程,揭示卷积的物理意义。

第一步,x[n]乘以y[0]并平移到位置0:
这里写图片描述

第二步,x[n]乘以y[1]并平移到位置1
这里写图片描述

第三步,x[n]乘以y[2]并平移到位置2:
这里写图片描述

最后,把上面三个图叠加,就得到了x[n] * y[n]:
这里写图片描述


简单吧?无非是平移(没有反褶!)、叠加。
从这里,可以看到卷积的重要的物理意义是:一个函数(如:单位响应)在另一个函数(如:输入信号)上的加权叠加

重复一遍,这就是卷积的意义:加权叠加。

对于线性时不变系统,如果知道该系统的单位响应,那么将单位响应和输入信号求卷积,就相当于把输入信号的各个时间点的单位响应 加权叠加,就直接得到了输出信号。

通俗的说:
在输入信号的每个位置,叠加一个单位响应,就得到了输出信号。
这正是单位响应是如此重要的原因。

楼主这种做法和通常教材上的区别在于:书上先反褶再平移,把输入信号当作一个整体,一次算出一个时间点的响应值;而楼主把信号拆开,一次算出一个信号在所有时间的响应值,再把各个信号相加。两者本质上是相同的。

【1】参考来源:https://blog.csdn.net/bitcarmanlee/article/details/54729807 




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