数字信号处理知识点总结_通信电子-数据通信与网络.pdf

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1、学习必备 精品知识点 数字信号处理辅导 一、离散时间信号和系统的时域分析（一）离散时间信号（1）基本概念 信号：信号传递信息的函数也是独立变量的函数，这个变量可以是时间、空间位置等。连续信号：在某个时间区间，除有限间断点外所有瞬时均有确定值。模拟信号：是连续信号的特例。时间和幅度均连续。离散信号：时间上不连续，幅度连续。常见离散信号序列。数字信号：幅度量化，时间和幅度均不连续。（2）基本序列（课本第 710 页）1）单位脉冲序列 1,0()0,0nnn 2）单位阶跃序列 1,0()0,0nu nn 3）矩形序列 1,0 1()0,0,Nn NR nn n N 4）实指数序列()na u n 5

2、）正弦序列 0()sin()x n A n 6）复指数序列()j n nx n e e（3）周期序列 1）定义：对于序列()x n，若存在正整数 N 使()(),x n x n N n 则称()x n 为周期序列，记为()x n，N 为其周期。注意正弦周期序列周期性的判定（课本第 10 页）2）周期序列的表示方法：a.主值区间表示法 b.模 N 表示法 3）周期延拓 设()x n 为 N 点非周期序列，以周期序列 L 对作()x n 无限次移位相加，即可得到周期序列()x n，即()()ix n x n iL 当 L N 时，()()()Nx n x n R n 当 L N 时，()()()N

3、x n x n R n（4）序列的分解 序列共轭对称分解定理：对于任意给定的整数 M，任何序列()x n 都可以分解成关于/2 c M 共轭对称的序列()ex n 和共轭反对称的序列()ox n 之和，即 学习必备 精品知识点()()(),e ox n x n x n n 并且 1()()()2ex n x n x M n 1()()()2ox n x n x M n（4）序列的运算 2）线性卷积：将序列()x n 以 y 轴为中心做翻转，然后做 m 点移位，最后与()x n 对应点相乘求和翻转、移位、相乘、求和 定义式：1 2 1 2()()()()()my n x m x n m x n

4、x n 线性卷积的计算：A、图解 B、解析法 C、不进位乘法（必须掌握）3）单位复指数序列求和（必须掌握）/2/2/2/2/2/21/2/2/2/2/2/20(1)/21()()/(2)1()()/(2)sin(/2)sin(/2)j N j N j N j N j N j N j NNj nj j j j j j jnj Ne e e e e e e jee e e e e e e jNe 如果 2/k N，那么根据洛比达法则有 sin(/2)(0)(0)()()sin(/2)NN k N N k N 或 可以结合作业题 3.22 进行练习（5）序列的功率和能量 能量：2|()|nE x n

5、 功率：21lim|()|2 1NNn NP x nN（6）相关函数 与随机信号的定义运算相同（二）离散时间系统 1系统性质（1）线性性质 定义：设系统的输入分别为1()x n 和2()x n，输出分别为1()y n 和2()y n，即 信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周

6、期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点 1 1 2 2()(),()()y n T x n y n T x n 统的输对于任意给定的常数 a、b，下式成立 1 2 1 2()()()()()y n T ax n bx n a y n by n 则该系统服从线性叠加原理，为线性系统，否则为非线性系统。判定系统的线性性质时，直接用定义（2）时不变性质 统的如果系统对输入信

7、号的运算关系在整个运算过程中不随时间变化，则称该系统是时不变系统。即对任意给定的整数 i，若下式成立：()()y n i T x n i 则称该系统为时不变系统，否则为时变系统。判定系统的时不变性质时，直接用定义（3）系统的因果性 定义：如果系统 n 时刻的输出序列只取决于 n 时刻及以前的输入序列，而与 n 时刻以后的输入序列无关，则称该系统具有因果性质，即系统是因果系统，否则是非因果系统。离散时间 LTI 系统 具有因果性的充要条件是：系统的单位脉冲响应()h n 满足()0,0 h n n（4）系统的稳定性 定义：对任意有界的输入，系统的输出都有界，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。离散

8、时间 LTI 系统 具有因果性的充要条件是：系统的单位脉冲响应()h n 满足绝对可和，即|()|ih i（5）对离散时间 LTI 系统的描述（1）时域：差分方程（2）Z 域：系统函数()H z 2信号过系统()()()y n h n x n 用线性卷积的相关知识计算，信号系统学的基本性质可以套用 二、离散时间信号和系统的频域分析 信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周

9、期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点（一）离散时间信号 1序列傅里叶变换（Sequence Fourier Transform）（即本书中的离散时间信号的傅里叶变换）（1）定义 SFT：()()(),j j nnX e SFT x n x n e ISFT：1()()()

10、,2j j j nx n ISFT X e X e e d n 说明：1、物理意义：序列傅里叶变换本质上是序列的一种分解，它将一般序列分解为无穷多个数字角频率,中的复指数序列。称()jX e为序列()x n 的频谱，其模|()|jX e称为幅频特性，其幅角 arg()()jX e 称为相频特性。2、尽管序列()x n 是离散时间信号，但它的序列傅里叶变换对数字角频率 而言却是连续函数，因此，序列()x n 的傅里叶变换是连续的。3、(2)(2)()()()j j n jnX e x n e X e 由上式可知，序列傅里叶变换()jX e是以 2 为周期的周期函数，其原因正是由于j ne对 而言

11、以 2 为周期，即数字角频率相差 2 的所有单位复指数序列等价。因此，对 的所有单位复指数序列只有一个周期。对于离散时间信号，由于的周期性，使得 0 2 或 的整数倍都表示信号的直流分量，而 的奇数倍表示信号的最高频率。3.离散时间信号 Z 变换与 SFT 的关系 Z 变换是由 SFT 推广得到的，反过来，如果某序列的 Z 变换的收敛域包括jz e，则也可以通过 ZT求得序列的 SFT。即()|()()jj n jz enX z x n e X e 上式表明，SFT 正是序列的 ZT在jz e 的值（二）离散时间系统 1.系统函数的收敛域与系统因果性和稳定性 当且仅当系统函数 H(z)的收敛域

12、为小于单位圆的某个圆的园外时，系统是因果稳定的。信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式

13、线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点 2.系统函数的零极点分布与系统因果性和稳定性 若系统是因果稳定的，则 H(z)的极点必定在单位圆内。3.系统函数的零极点分布对系统频率响应特性的影响 1、对极点而言：当单位圆上的点转到某个极点附近时，|()|jH e在这附近出现峰值。极点越靠近单位圆，振幅特性的峰值越大，当极点出现在单位圆上时，振幅特性将出现无穷大，系统不稳定。2、对零点而言：当单位圆上的点转到某个零点附近时，|()|jH e在这附近出现谷点。当零点出现在单位圆上时，振幅特性为零。零点可以位于单位圆外，不影响稳定性。两个概念 1、最小相位系统：系统

14、 H(z)的全部零极点都在单位圆内，某点在单位圆上逆时针旋转一周时，系统的相位变化最小。2、最大相位系统：H(z)的全部零点在单位圆外，系统的相位变化最大。说明：处于坐标原点的零极点不影响系统的幅频响应；利用零极点分析系统的幅频响应，仅对低阶系统有效。（三）离散时间信号与模拟（连续）时间信号 1时域关系 设连续时间信号()ax t，离散时间信号()x n，则()()()|a a t nTx n x nT x t 2频域关系 1()|()jT a smX e X j mT 在时域对信号抽样，其频域的特征就是频谱以采样频率s 为周期进行周期延拓。一个域的离散必然导致另一个域的周期延拓 一个域的周期

15、延拓必然导致另一个域的离散 对应变量的关系：单位：rad 单位：Hz T 由于s，所以max2sT 三、离散傅里叶变换（DFT）（一）离散傅里叶级数变换（DFST）信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即

16、学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点 说明：周期序列不满足绝对可和的条件，不适用于序列傅里叶变换的定义式，但是它可以展开成离散傅里叶级数（Discrete Fourier Series，DFS），利用离散傅里叶级数可以得到周期序列的离散傅里叶变换表示式。1.定义 DFST：10()(),NnkNnX k x n W k IDFST：101()(),NnkNnx n X k W nN 注：1、周期单位复指数序列2 2,j nk j nknk

17、 nkN NN NW e W e 周期单位复指数序列对 n、k 而言都是以 N 为周期的，即(),n N k nkN NW W n k(),n k N nkN NW W n k(),nk N nkN NW W n k 2、周期为 N 的周期序列()x n 可以分解成 N 个周期复指数序列的和，这些周期复指数序列的数字角频率为2(0,1,2,1)kk NN 周，它们的幅度和相位由离散傅里叶级数()X kN决定。3.周期序列的离散傅里叶变换 2 2()()()jkX e X k kN N 可类比信号系统中周期信号的傅里叶变换，具体推导过程见课本 76 页。（二）离散傅里叶变换（DFT）1.定义 D

18、FT：10()(),0 1NnkNnX k x nW k N IDFT：101()(),0 1NnkNnx n X k W n NN 要点：（1）DFT 没有实际的物理含义，但是可以理解为 SFT 的等间隔采样，即 信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无

19、限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点 2()()|,0 1jkNX k X e k N（2）变换区间：0,N-1，有限长 N 点（3）变换结果：与序列长度 N 有关，当 N 足够大时，()X k 的包络趋近于()jX e曲线（4）频谱分析的意义：()X k 表示(2/)kN k 频点的幅度谱线，如果()x n 是模拟信号的采样，采样间隔为 T，2/T f T，则 k 与相应的模拟频率的关

20、系为：22k kk f TN 即kkfNT。对模拟频率域而言，N 点 DFT 意味着频域采样间隔为1HzNT。所以用 DFT 进行谱分析时，称1FNT 为频率分辨率。而 NT 表示时域采样的区间长度(即观察时间或记录长度PT NT)，显然为了提高分辨率就必须是记录长度足够大。（5）DFT 的隐含周期性 1）DFT 是 SFT 的等间隔采样，而()jX e以 2 为周期；2）()k k mNN NW W 的周期性 3）时域抽样，频域周期延拓；频域采样，时域周期延拓 4.频域采样定理 设序列()x n 的傅里叶变换为()jX e，在区间 0,2)内对()jX e进行 N 点等间隔采样（采样间隔为

21、2/N）得到序列()X k，且()X k 对应的 IDFT 为()Nx n，则()()Nrx n x n rN 这是因为，在频域内对()jX e等间隔采样，导致时域序列()x n 周期延拓，并且在区间 0,2)采样得到的序列()X k 的 IDFT 是原序列以 N 为周期进行周期延拓后的主值序列。若序列的长度为 M，那么只有当频域采样点数 N M 时，才有()()Nx n x n，此时才能由频域采样序列()X k 恢复()jX e。（三）连续信号傅里叶变换（CFT）、序列傅里叶变换（SFT）、离信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时

22、均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点 散傅里叶级数变换（DFST）、离散傅里叶变换（DFT）的关系 CFT

23、 周期延拓取主值周期延拓抽样周期延拓取主值抽样截短周期延拓 卷积SFT SFT DFSTDFT()xn()ax t()()xnd n()Nx n()Nx n()jXe()()j jXe De()NX k()NX k()aX j2/s sT st nT 各个变量对应关系：:0 1:0 2 2/:0 1/:0/2:0 2s ss sk N kk NF k Nf f kf Nkf fN 数字角频率数字频率模拟频率模拟角频率 sT，2s s s sT f T，2/k N 编者按：为什么要有 DFT？我们从外界接收到的信号都是连续信号，但是在现代人类都用计算机对信号进行处理，而计算机只能识别离散的值，所

24、以需要对接收到的连续信号进行采样截短得到离散的序列。但是，一个域的离散必然导致另一个域的周期延拓，当对时域的连续信号进行采样时，其频谱必然进行周期延拓，所以序列的傅里叶变换是连续周期的，这样计算机就没法对其频谱进行分析。这时，对时域信号进行周期延拓，又会使其频谱离散化。经过两个域的分别离散化和周期延拓，这时得到的就是 DFST 的对应关系。那么，分别对两个域取主值，就可得到适合计算机处理的时域和频域序列。DFT 就应运而生。（一家之言，仅供参考）（四）卷积的计算 1.循环卷积与线性卷积（有限长序列的卷积）信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点

25、外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备 精品知识点 设有限长序列()x n 的长度为 N，()h n 的长度为

26、 M，它们线性卷积结果为()ly n，长度为 1gL N M；循环卷积结果为()cy n，长度为 L。则两类卷积有如下对应关系：（设 N M）（1）当 L N 时()(),0 2()(),1 1l lcly n y n N n My ny n M n N（2）当gL L 时()()c ly n y n（3）当gN L L 时()(),0 1()(),1l l gcl gy n y n L n L Ly ny n L L n L 2.重叠保留法和重叠相加法（无限长序列得卷积）（1）重叠保留法 基本思路：将两个序列中长度较长或无限长的序列均匀分段，计算各个有限长的子序列与另一短序列的线性卷积，最后

27、将结果重叠相加起来输出。（重叠的是卷积结果）设有限长序列()h n 的长度为 M，()x n 为无限长序列，计算步骤：1）将()x n 均匀分段，每段长度为 N 0()()kkx n x n(),(1)1()()()0,k Nx n kN n k Nx n x n R n kNelse 2）计算每段子序列与短序列的线性卷积 设()()k kx n x n kN，即计算()kx n 与()h n 的线性卷积()ky n 3）将各子序列线性卷积的结果移位后相加得总输出 令()()k ky n y n kN，则0()()kky n y n（2）重叠保留法 基本思路：将两个序列中长度较长或无限长的序列

28、在时间上有重叠地分段，计算各个有限长的子序列与另一短序列的线性卷积，最后保留每段结果中间 N个点，相加输出。（重叠的是较长的序列）设有限长序列()h n 的长度为 M，()x n 为无限长序列，计算步骤：1）将()x n 有重叠地分段（每一段由 kN 向前重叠 M-1 个点），每段长度为 N+M-1(),1(1)1()0,kx n kN M n k Nx nelse 2）计算每段子序列与短序列的线性卷积 设()(1)k kx n x n kN M，即计算()kx n 与()h n 的线性卷积()ky n，()ky n 的长度为 N+2M-2，将前 M-1 个点去掉，后 M-1信息的函数也是独立

29、变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求学习必备

30、 精品知识点 个点去掉，保留中间 N 个点得()ky n 3）将各子序列线性卷积的结果移位后相加得总输出 即 0()()kky n y n 说明：重叠保留和相加法必须掌握，公式可以不必记忆，明白其算法思想，会计算即可。而且计算时注意三步走（写在卷子上），否则答案正确也没分（与数学归纳法一样，有固定格式）。（五）用 DFT进行频谱分析的误差 1.泄漏现象 产生原因：用 DFT 进行分析时，隐含对序列在时域加窗截断，使得信号的原有频率的能量向其他频率上泄漏 减少方法：（1）加大窗长，增加实际 DFT 计算的点数；（2）变换时域所加窗函数的形式 2.栅栏现象 产生原因：DFT 只计算 2/,0,1,

31、2,1 k N k N 的频谱 减少方法：在序列末尾加零以增加 DFT 的点数 3.混叠现象 产生原因：序列截断以及采样频率不完全满足采样定理 减少方法：以较高的采样频率对信号进行采样，之后序列通过数字低通滤波器，降低采样频率后再进行 DFT 分析 4.DFT 的分辨率：参数选择的一般原则：a若已知信号的最高频率防止混叠，选定采样频率 max2sf f b根据频率分辨率 F，确定所需 DFT 的长度/sN f F c 和 N 确定以后，即可确定相应模拟信号的时间长度/P sT f N NT,这里 T 是采样周期。（六）离散时间信号的抽取和内插 1.离散时间信号的整数倍抽取 时域：()()y n

32、 x Dn 频域：2101()()kDjjDkY e X eD 整数倍抽取将导致数字频谱的展宽 2.离散时间信号的整数倍内插 时域：(),0,2,()0,nx n I Iv nIelse 频域：()()j j IV e X e 序列相邻采样点之间插零将导致数字频谱压缩 说明：即使抽取和内插的公式记不住，也要学会画图分析其过程 信息的函数也是独立变量的函数这个变量可以是时间空间位置等连续信号在某个时间区间除有限间断点外所有瞬时均有确定值模拟信号是连续信号的特例时间和幅度均连续离散信号时间上不连续幅度连续常见离散信号序列数字信号 序列周期序列定义对于序列若存在正整数使则称为周期序列记为为其周期注意正弦周期序列周期性的判定课本第页周期序列的表示方法主值区间表示法模表示法周期延拓设为点非周期序列以周期序列对作无限次移位相加即可得到周 序列和共轭反对称的序列之和即学习必备精品知识点并且序列的运算线性卷积将序列以轴为中心做翻转然后做点移位最后与对应点相乘求和翻转移位相乘求和定义式线性卷积的计算图解解析法不进位乘法必须掌握单位复指数序列求