獨一無二的「我們」(訊號處理)

2021-09-20 14:16:23 字數 4371 閱讀 4738

「真愛也許沒有先後,但是陪伴是會有的,人生就那麼長,不論何時才能和你走到一起,我都願意等,只是這個在一起,我永遠不希望是犧牲了別人的幸福而得到。」

故事主角小拉小傅小z,如果你只想知道結局:

接下來將以傅利葉分析為切入點,分享我所理解的訊號處理中拉普拉斯變換、傅利葉變換和z變換這三大變換之間的關係(0基礎也能看懂,只要有顆八卦的心)。

傅利葉分析是什麼?

1)無窮多,就是很多很多。

2)訊號,形式千變萬化,但都可以用無窮多的正弦波疊加而成。

3)時間域,從起床鬧鐘開始,到幾點該做什麼,都是用時域在把控。

4)頻率域,聲音振動頻率不同決定了音調高低,音域就是頻率域的一種。

看了維基百科這個生動形象的圖後,還有不明白的嗎?so,我們就可以認為,正弦波是圓周運動在一條直線上的投影。

2)正弦波疊加後是怎樣的?

當年小拉和小傅吵架說,正弦曲線無法組合成乙個帶有稜角的訊號。那接下來我就舉個最普通的栗子,用正弦波疊加出矩形波,為小傅平反。

上圖中,我們有兩點需要注意。

正弦波只能疊加出乙個無限接近的矩形波。極限的思想就是告訴我們,就算不斷努力積累,還是達不到極限。從時域到頻域的轉換是不是一目了然,雖然到這,還是不清楚轉換的本質,但是基本轉換的過程應該是有一定的理解了。所以,有人肯定發現我騙了你,老師說過,正弦波的三要素是,幅值、頻率和初相角,現在只有幅頻圖,相頻圖呢?

好吧,繼續看圖:

距離頻率軸最近的波峰的值我們稱為時間差,這裡假設,合成矩形波的週期為2π,每條正弦波的時間差除以本身的週期再乘以合成波的週期2π,就得到了相位差。又因為正弦波是週期函式,所以我們一般認為相位差的值域是[-π,π]。

我目前常用的分析幅相特性的方法有:上述所用的直角座標表示法和極座標下的nyquist曲線、對數座標系下的bode圖、nichols圖,這些方法都挺好用的,但是這裡就不一 一八卦了。

以上這段簡單的分析中,原訊號在時域中是連續週期的函式,轉化到頻域中是非週期離散的,這種變換就是傅利葉分析中的傅利葉級數。

傅利葉分析具體有哪些?

對於傅利葉變換,可以看成是對乙個週期無限大的連續訊號先進行傅利葉級數,再把頻域離散的幅相曲線轉換為連續的,在數**算中,就是把加變成積分。

but,計算機能處理什麼訊號?沒錯,數碼訊號,是連續的嗎?當然不,是離散訊號。so,剛整明白的傅利葉變換和傅利葉級數,是對計算機不適用的。是不是有點迷茫了,要相信,人生沒有白走的路,只是說不適用,但是可以此為基礎,根據實際情況摸索屬於自己的路。

看明白上圖後繼續but,貌似還不對哦,計算機能處理無窮的訊號嗎?不能吧,所以上面說的dtft和dfs還是不適用。不曾迷茫過又怎會清醒,現在的你應該終於明確了,計算機只能處理離散有限長的訊號,而處理方法稱為離散傅利葉變換(dft)。

實際應用中,當接收到時域連續的模擬訊號,首先以頻率進行取樣將訊號離散,然後用通過dtft擷取訊號的主值週期,然後用dfs進行週期延拓,最後進行dft得到頻域的訊號。

複數域的傅利葉變換是什麼?

我不知道這個問題有沒有意義,但是當年讀中學時,還問過老師為什麼$i^2=-1$,她至今也沒回答我。。。

就像初中以前我還只知道正數,而1-2=?,不存在的,那個時候我以為的數軸是這樣的:

後來,老師告訴我1-2可以=-1了,當時我還問過我媽,1毛錢怎麼買2毛的拖肥呢?去商店嘗試之後,從此負數給我的印象就是欠下的債。所以我像發現新大陸一樣,又知道了數軸原來是這樣的:

2)剛以為自己世界無敵了,誰知道哪天又蹦出來個虛軸,絕望!!!

生活總是這樣瞬息萬變的,像奧特曼超人說的那樣:「堅持不變的根本,去應對多變的行業(這裡可以延伸到生活)。保持對『優秀』的敬畏之心!每天乙個腳印向前邁。」也只能這麼安慰自己了。

不要抱怨老師為什麼不一次性把話說全,而且乙個喘氣就是幾年。學習過程大都是循序漸進的,由正數→負數→複數的過程,是由數的本質決定的。比如+1在數軸上,它可以表示方向向右、長度為1的向量,將它的起點固定,逆時針旋轉180度,就得到了-1,負數就這麼來了。那虛數怎麼來的呢?根據上面的座標軸:正數繞點(0,0)逆時針旋轉90度的奇數倍就是虛數,這裡把正數繞點(0,0)逆時針旋轉90度用虛軸的基i來描述,可以把他理解為基本單位或者是奧特曼說的不變的根本。所以上面的栗子可以煮成:

(+1)*(逆時針旋轉180度)=-1,

so,(逆時針旋轉180度)=-1,

so,i×i=-1,

so,我終於懂為什麼了。

所以從此,我概念裡的數,便又多了由實數和虛數組成的複數。而前面的訊號都是基於實數的,複數是不適用,但原理都是一樣的,只是數的性質改變了。

就像人生不同階段會遇到不一樣的人,面臨不同程度的選擇,就像沙漠裡,有人選擇尋駱駝,有人等花開,以致到最後,連自己都成了過客,自己也不再是同乙個自己。so,下乙個主角該上場了。

在圖中,能看到$e^}}=cos-jsin$不?看不到就再好好看看吧,這兩個公式相加,整理後可以得到:$cos=\frac}+e^}}}$。

這裡直接分析時域裡的複數訊號嘍,在復平面,橫軸表示實數,縱軸表示虛數,訊號的幅值肯定是個落在橫軸上的實數,而相角$\theta=wt=}t=2ft$,則是不斷變化的,所以,訊號在復平面內是隨著時間的變化呈現出螺旋線狀的運動,所以上面的公式,就變成了,$cosft}=\fracft}}+ft}}}}}$,所以,有沒有發現,乙個余弦訊號,其實就是兩個共軛向量的疊加。

好像這裡又回到了故事最初的起點了,是的,在複數域裡,還是滿足不管你想要什麼,就要不斷為之努力。所以,不管什麼訊號,它在任意時刻都是$x'(t)=x(t)e^(-f)tj}=x(t)e^jft}$這樣的,對其求積分$x(f)=\int_^dt=\int_^e^jft}}dt$。

這不就是傅利葉變換嗎?是的,這就是複數域的傅利葉變換。

z變換是什麼?

整篇文章沒有扒小拉,雖然她是三大變換中年齡最大的,但我感覺小傅和小z通過彼此,看到了更廣闊的的世界,他們是同域中人,所以想給他們個特寫。即使在時域中,小傅&小拉,而小z只是在忽明忽暗的交錯空間,難以觸碰,然淪為,一陣風,一場空。

「當然最後,這個三角關係,因為從時域到頻域的自由變換,而變得幸福美滿、和諧共生。所以不管是什麼關係,將會怎麼發展,取決於你思考的角度,誰都代替不了誰,在頻域裡都是特別的個體,只是我們通常把人生用時間限制,再被約定俗成的很多東西**,造成出場順序往往決定故事結尾。

帕斯維爾定理說,時域的總能量和頻域的總能量是相等的。所以,從頻域看,找到獨一無二的自己之後,對或錯好像也沒那麼重要了。有些事,只要想做了,結局無非是成了所愛的那道光或是他的影,而兩者,我皆願承受。」

作為一大三小白,我只知道經常用來濾波。

以我用matlab合成許嵩的《素顏》為例:

是素顏嗎?也許是,我一開始也沒聽出來,然後強行腦補才感覺有些神似。

這裡在程式設計中就是採用傅利葉分析進行了濾波,所以沒有啪啦啪啦的雜訊,雖然和原曲速度有差,我也嘗試根據理論資料修改取樣頻率,最終還是沒能調成一致,有感興趣的可一起交流。

感謝邢靜老師的指導!

感謝奧特曼超人!

the end!

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