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標題: 漫談信號與系統系列 [打印本頁]
作者: 51黑芯片    時間: 2016-1-17 03:44
標題: 漫談信號與系統系列

入門第一課 什么是卷積 傅利葉變換 拉普拉斯變換

漫談 信號與系統 入門第一課 什么是卷積 卷積有什么用 什么是傅利葉變換 什么是拉普拉斯變換 引子

很多朋友和我一樣，工科電子類專業，學了一堆信號方面的課，什么都沒學懂，背了公式考了試，然后畢業了。

先說"卷積有什么用"這個問題。(有人搶答，"卷積"是為了學習"信號與系統"這門課的后續章節而存在的。我大吼一聲，把他拖出去槍斃！)

講一個故事:
張三剛剛應聘到了一個電子產品公司做測試人員，他沒有學過"信號與系統"這門課程。一天，他拿到了一個產品，開發人員告訴他，產品有一個輸入端，有一個輸 出端，有限的輸入信號只會產生有限的輸出。
然后，經理讓張三測試當輸入sin(t)(t<1秒)信號的時候(有信號發生器)，該產品輸出什么樣的波形。張三照做了，花了一個波形圖。
"很好！"經理說。然后經理給了張三一疊A4紙: "這里有幾千種信號，都用公式說明了，輸入信號的持續時間也是確定的。你分別測試以下我們產品的輸出波形是什么吧！"

這下張三懵了，他在心理想"上帝，幫幫我把，我怎么畫出這些波形圖呢?"
于是上帝出現了: "張三，你只要做一次測試，就能用數學的方法，畫出所有輸入波形對應的輸出波形"。
上帝接著說:"給產品一個脈沖信號，能量是1焦耳，輸出的波形圖畫出來！"
張三照辦了，"然后呢?"
上帝又說，"對于某個輸入波形，你想象把它微分成無數個小的脈沖，輸入給產品，疊加出來的結果就是你的輸出波形。你可以想象這些小脈沖排著隊進入你的產 品，每個產生一個小的輸出，你畫出時序圖的時候，輸入信號的波形好像是反過來進入系統的。"
張三領悟了:" 哦，輸出的結果就積分出來啦！感謝上帝。這個方法叫什么名字呢?"
上帝說:"叫卷積！"

從此，張三的工作輕松多了。每次經理讓他測試一些信號的輸出結果，張三都只需要在A4紙上做微積分就是提交任務了！
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張三愉快地工作著，直到有一天，平靜的生活被打破。
經理拿來了一個小的電子設備，接到示波器上面，對張三說: "看，這個小設備產生的波形根本沒法用一個簡單的函數來說明，而且，它連續不斷的發出信號！不過幸好，這個連續信號是每隔一段時間就重復一次的。張三，你 來測試以下，連到我們的設備上，會產生什么輸出波形！"
張三擺擺手:"輸入信號是無限時長的，難道我要測試無限長的時間才能得到一個穩定的，重復的波形輸出嗎?"
經理怒了:"反正你給我搞定，否則炒魷魚！"
張三心想:"這次輸入信號連公式都給出出來，一個很混亂的波形；時間又是無限長的，卷積也不行了，怎么辦呢?"
及時地，上帝又出現了:"把混亂的時間域信號映射到另外一個數學域上面，計算完成以后再映射回來"
"宇宙的每一個原子都在旋轉和震蕩，你可以把時間信號看成若干個震蕩疊加的效果，也就是若干個可以確定的，有固定頻率特性的東西。"
"我給你一個數學函數f，時間域無限的輸入信號在f域有限的。時間域波形混亂的輸入信號在f域是整齊的容易看清楚的。這樣你就可以計算了"
"同時，時間域的卷積在f域是簡單的相乘關系，我可以證明給你看看"
"計算完有限的程序以后，取f(-1)反變換回時間域，你就得到了一個輸出波形，剩下的就是你的數學計算了！"
張三謝過了上帝，保住了他的工作。后來他知道了，f域的變換有一個名字，叫做傅利葉，什么什么... ...
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再后來，公司開發了一種新的電子產品，輸出信號是無限時間長度的。這次，張三開始學拉普拉斯了......

后記:

不是我們學的不好，是因為教材不好，老師講的也不好。
很欣賞Google的面試題: 用3句話像老太太講清楚什么是數據庫。這樣的命題非常好，因為沒有深入的理解一個命題，沒有仔細的思考一個東西的設計哲學，我們就會陷入細節的泥沼: 背公式，數學推導，積分，做題；而沒有時間來回答"為什么要這樣"。做大學老師的做不到"把厚書讀薄"這一點，講不出哲學層面的道理，一味背書和翻講 ppt，做著枯燥的數學證明，然后責怪"現在的學生一代不如一代"，有什么意義嗎?




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入門第二課 到底什么是頻率 什么是系統

漫談 信號與系統 入門第二課 到底什么是頻率 什么是系統?


我用講故事的方法來說明了信號與系統這門課的所有基本概念，包括卷積，傅立葉變換，拉普拉斯變換的基本思想。說清楚這些基本思想不需要任何復雜的數學公 式，完全用中文，用測試用例的一個故事就完全說明了。     這一篇，我展開的說一下傅立葉變換F。注意，傅立葉變換的名字F可以表示頻率的概念(freqence)，也可以包括其他任何概念，因為它只是一個概念模 型，為了解決計算的問題而構造出來的(例如時域無限長的輸入信號，怎么得到輸出信號)。我們把傅立葉變換看一個C語言的函數，信號的輸出輸出問題看為IO 的問題，然后任何難以求解的x->y的問題都可以用x->f(x)->f-1(x)->y來得到。

1. 到底什么是頻率?
一個基本的假設: 任何信息都具有頻率方面的特性，音頻信號的聲音高低，光的頻譜，電子震蕩的周期，等等，我們抽象出一個件諧振動的概念，數學名稱就叫做頻率。想象在x-y 平面上有一個原子圍繞原點做半徑為1勻速圓周運動，把x軸想象成時間，那么該圓周運動在y軸上的投影就是一個sin(t)的波形。相信中學生都能理解這 個。
   那么，不同的頻率模型其實就對應了不同的圓周運動速度。圓周運動的速度越快，sin(t)的波形越窄。頻率的縮放有兩種模式
(a) 老式的收音機都是用磁帶作為音樂介質的，當我們快放的時候，我們會感覺歌唱的聲音變得怪怪的，調子很高，那是因為"圓周運動"的速度增倍了，每一個聲音分 量的sin(t)輸出變成了sin(nt)。
(b) 在CD/計算機上面快放或滿放感覺歌手快唱或者慢唱，不會出現音調變高的現象：因為快放的時候采用了時域采樣的方法，丟棄了一些波形，但是承載了信息的輸 出波形不會有寬窄的變化；滿放時相反，時域信號填充拉長就可以了。

2. F變換得到的結果有負數/復數部分，有什么物理意義嗎?
   解釋: F變換是個數學工具，不具有直接的物理意義，負數/復數的存在只是為了計算的完整性。

3. 信號與系統這們課的基本主旨是什么?
   對于通信和電子類的學生來說，很多情況下我們的工作是設計或者OSI七層模型當中的物理層技術，這種技術的復雜性首先在于你必須確立傳輸介質的電氣特性， 通常不同傳輸介質對于不同頻率段的信號有不同的處理能力。以太網線處理基帶信號，廣域網光線傳出高頻調制信號，移動通信，2G和3G分別需要有不同的載頻 特性。那么這些介質(空氣，電線，光纖等)對于某種頻率的輸入是否能夠在傳輸了一定的距離之后得到基本不變的輸入呢? 那么我們就要建立介質的頻率相應數學模型。同時，知道了介質的頻率特性，如何設計在它上面傳輸的信號才能大到理論上的最大傳輸速率?----這就是信號與 系統這們課帶領我們進入的一個世界。
   當然，信號與系統的應用不止這些，和香農的信息理論掛鉤，它還可以用于信息處理(聲音，圖像)，模式識別，智能控制等領域。如果說，計算機專業的課程是數 據表達的邏輯模型，那么信號與系統建立的就是更底層的，代表了某種物理意義的數學模型。數據結構的知識能解決邏輯信息的編碼和糾錯，而信號的知識能幫我們 設計出碼流的物理載體(如果接受到的信號波形是混亂的，那我依據什么來判斷這個是1還是0? 邏輯上的糾錯就失去了意義)。在工業控制領域，計算機的應用前提是各種數模轉換，那么各種物理現象產生的連續模擬信號(溫度，電阻，大小，壓力，速度等) 如何被一個特定設備轉換為有意義的數字信號，首先我們就要設計一個可用的數學轉換模型。

4. 如何設計系統?
   設計物理上的系統函數(連續的或離散的狀態)，有輸入，有輸出，而中間的處理過程和具體的物理實現相關，不是這們課關心的重點(電子電路設計?)。信號與 系統歸根到底就是為了特定的需求來設計一個系統函數。設計出系統函數的前提是把輸入和輸出都用函數來表示(例如sin(t))。分析的方法就是把一個復雜 的信號分解為若干個簡單的信號累加，具體的過程就是一大堆微積分的東西，具體的數學運算不是這門課的中心思想。
   那么系統有那些種類呢?
(a) 按功能分類: 調制解調(信號抽樣和重構)，疊加，濾波，功放，相位調整，信號時鐘同步，負反饋鎖相環，以及若干子系統組成的一個更為復雜的系統----你可以畫出系統 流程圖，是不是很接近編寫程序的邏輯流程圖? 確實在符號的空間里它們沒有區別。還有就是離散狀態的數字信號處理(后續課程)。
(b) 按系統類別劃分，無狀態系統，有限狀態機，線性系統等。而物理層的連續系統函數，是一種復雜的線性系統。

5. 最好的教材?
符號系統的核心是集合論，不是微積分，沒有集合論構造出來的系統，實現用到的微積分便毫無意義----你甚至不知道運算了半天到底是要作什么。以計算機的 觀點來學習信號與系統，最好的教材之一就是<<Structure and Interpretation of Signals and Systems>>，作者是UC Berkeley的Edward A.Lee and Pravin Varaiya----先定義再實現，符合人類的思維習慣。國內的教材通篇都是數學推導，就是不肯說這些推導是為了什么目的來做的，用來得到什么，建設什 么，防止什么；不去從認識論和需求上討論，通篇都是看不出目的的方法論，本末倒置了。

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入門第三課 抽樣定理是干什么的

抽樣定理: 為什么要有抽樣定理? 為什么要抽樣? ----------------------------------------
1. 舉個例子，打電話的時候，電話機發出的信號是PAM脈沖調幅，在電話線路上傳的不是話音，而是話音通過信道編碼轉換后的脈沖序列，在收端恢復語音波形。那 么對于連續的說話人語音信號，如何轉化成為一些列脈沖才能保證基本不失真，可以傳輸呢? 很明顯，我們想到的就是取樣，每隔M毫秒對話音采樣一次看看電信號振幅，把振幅轉換為脈沖編碼，傳輸出去，在收端按某種規則重新生成語言。
那么，問題來了，每M毫秒采樣一次，M多小是足夠的? 在收端怎么才能恢復語言波形呢?
    對于第一個問題，我們考慮，語音信號是個時間頻率信號(所以對應的F變換就表示時間頻率)把語音信號分解為若干個不同頻率的單音混合體(周期函數的復利葉 級數展開，非周期的區間函數，可以看成補齊以后的周期信號展開，效果一樣)，對于最高頻率的信號分量，如果抽樣方式能否保證恢復這個分量，那么其他的低頻 率分量也就能通過抽樣的方式使得信息得以保存。如果人的聲音高頻限制在3000Hz，那么高頻分量我們看成sin(3000t)，這個sin函數要通過抽 樣保存信息，可以看為: 對于一個周期，波峰采樣一次，波谷采樣一次，也就是采樣頻率是最高頻率分量的2倍(奈奎斯特抽樣定理)，我們就可以通過采樣信號無損的表示原始的模擬連續 信號。這兩個信號一一對應，互相等價。
對于第二個問題，在收端，怎么從脈沖序列(梳裝波形)恢復模擬的連續信號呢? 首先，我們已經肯定了在頻率域上面的脈沖序列已經包含了全部信息，但是原始信息只在某一個頻率以下存在，怎么做? 我們讓輸入脈沖信號I通過一個設備X，輸出信號為原始的語音O，那么I(*)X=O，這里(*)表示卷積。時域的特性不好分析，那么在頻率域 F(I)*F(X)=F(O)相乘關系，這下就很明顯了，只要F(X)是一個理想的，低通濾波器就可以了(在F域畫出來就是一個方框)，它在時間域是一個 鐘型函數(由于包含時間軸的負數部分，所以實際中不存在)，做出這樣的一個信號處理設備，我們就可以通過輸入的脈沖序列得到幾乎理想的原始的語音。在實際 應用中，我們的抽樣頻率通常是奈奎斯特頻率再多一點，3k赫茲的語音信號，抽樣標準是8k赫茲。
2. 再舉一個例子，對于數字圖像，抽樣定理對應于圖片的分辨率----抽樣密度越大，圖片的分辨率越高，也就越清晰。如果我們的抽樣頻率不夠，信息就會發生混 疊----網上有一幅圖片，近視眼戴眼鏡看到的是愛因斯坦，摘掉眼睛看到的是夢露----因為不帶眼睛，分辨率不夠(抽樣頻率太低)，高頻分量失真被混入 了低頻分量，才造成了一個視覺陷阱。在這里，圖像的F變化，對應的是空間頻率。
    話說回來了，直接在信道上傳原始語音信號不好嗎? 模擬信號沒有抗干擾能力，沒有糾錯能力，抽樣得到的信號，有了數字特性，傳輸性能更佳。
    什么信號不能理想抽樣? 時域有跳變，頻域無窮寬，例如方波信號。如果用有限帶寬的抽樣信號表示它，相當于復利葉級數取了部分和，而這個部分和在恢復原始信號的時候，在不可導的點 上面會有毛刺，也叫吉布斯現象。
3. 為什么傅立葉想出了這么一個級數來? 這個源于西方哲學和科學的基本思想: 正交分析方法。例如研究一個立體形狀，我們使用x,y,z三個互相正交的軸: 任何一個軸在其他軸上面的投影都是0。這樣的話，一個物體的3視圖就可以完全表達它的形狀。同理，信號怎么分解和分析呢? 用互相正交的三角函數分量的無限和：這就是傅立葉的貢獻。










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