《數(shù)字信號處理》中存在的難點問題解析

王海鵬　叢瑜　王萌

摘要：《數(shù)字信號處理》這門課程中，概念多，公式復雜，許多難點問題成為了學生學習過程中的絆腳石，如線性卷積、周期卷積和圓周卷積的概念，三種傅里葉變換的概念及相互之間的關系等。本文在具備大量教學經(jīng)驗基礎上，針對難點問題進行解析，讓學生能夠理清思路，撥開云霧，以此激發(fā)學生的積極性。

關鍵詞：數(shù)字信號處理； 卷積； 傅里葉變換

中圖分類號：G434文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）12-0083-02

數(shù)字信號處理[1]作為信息處理、電子工程等專業(yè)的專業(yè)基礎課程，有很強的理論性和實踐性，對于學生從事電子類的工作和繼續(xù)深造電子信息類專業(yè)，都有不可低估的基石作用。但是由于這門課程公式繁雜、理論性強、很抽象，所以學生在學習過程中顯得有些力不從心。為了能夠解決學生在學習中普遍遇到的一些難點問題，本文做了詳細的解析。

一、線性卷積、周期卷積和圓周卷積

卷積[2]是數(shù)學運算中的一種重要運算，也是信號處理中的一個重要理論。在線性系統(tǒng)中，如果輸入信號是x（n），系統(tǒng)的沖激響應是h（n），則輸出信號為x（n）和h（n）的卷積。卷積描述了信號通過系統(tǒng)后的變換，反映了線性時不變系統(tǒng)中輸入和輸出的關系，但是在數(shù)字信號處理中出現(xiàn)了三種卷積，線性卷積、周期卷積和圓周卷積，這三種卷積往往使學生感到很迷惑，容易混淆。

線性卷積：y（n）=x（n）h（n），x（n）的長度為N1，h（n）的長度為N2；

周期卷積：（n）=（n）（n），（n）和（n） 的周期為N ；

圓周卷積：y（n）=x（n）h（n），x（n） 和 h（n）的長度均為N，不足者補零。

首先三種卷積針對的對象不同，線性卷積針對的序列x（n）和h（n）是任意的兩個序列，而周期卷積針對的是兩個周期序列和，而且周期同樣都為N。圓周卷積針對的對象是有限長序列（n） 和（n），而且圓周卷積和周期卷積沒有本質的區(qū)別，它和周期卷積的過程是一樣的，只不過結果只取了主值區(qū)間而已。其次三種卷積后的序列的長度有所不同。假設輸入序列x（n） 的長度為 N1，h（n）的長度為N2，則線性卷積后序列的長度L為N1+N2-1。周期卷積后的序列依然是一個周期序列，而且周期跟輸入序列的周期一樣都為N。圓周卷積后序列的長度也為N，注意這里的N是周期序列的周期，N可能大于L，也可能小于L。當N≥L時，線性卷積和圓周卷積的結果是一樣的，當N≤L時，N點的圓周卷積是線性卷積的結果以N點為周期的周期延拓序列的主值序列。如果學生能夠從這兩個方面對三種卷積進行比較的進行學習，將會使得對問題的理解更容易些。

二、離散時間傅里葉變換（DTFT）、離散傅里葉級數(shù)（DFS）和離散傅里葉變換（DFT）

在教學過程中，需要對學生強調的是，本門課程的重點是離散傅里葉變換。DTFT和DFS實際上是學習DFT之前的預備知識，DFT才是數(shù)字信號處理的核心知識。所以在學習過程中，一定要遵循既要相互區(qū)別又要相互聯(lián)系的學習方法，才能真正地理解所學知識點[3]。

傅里葉變換是法國數(shù)學家和物理學家傅里葉在1807年發(fā)表了一篇論文，提出任何連續(xù)周期信號的都可以由一組適當?shù)恼仪€組合而成，從而開辟了分析信號的另一個領域——頻域。傅里葉變換顯然是時域和頻域的對應關系，在理解DTFT、DFS和DFT時，顯然要弄清楚這三種變換在時域和頻域的相同點與不同點。

首先在時域上，離散時間傅里葉變換（DTFT）的研究對象是任意一個序列，例如正弦序列，離散傅里葉級數(shù)（DFS）研究的對象是周期序列，如復指數(shù)序列ejωn，而離散傅里葉變換（DFT）的研究對象是有限長的序列，如矩形序列RN（n）。

其次在頻域上，離散時間傅里葉變換的頻譜是連續(xù)且周期的函數(shù)，周期為2π。傅里葉技術的頻譜是離散且周期的函數(shù)，周期為N。離散傅里葉變換的頻譜是離散且非周期的，長度為N。

在區(qū)別DFS和DFT的時候，一定要記住，DFS和DFT沒有本質的區(qū)別，DFT只不過是時域和頻域均取了一個周期的值而已。在DTFT和DFT的區(qū)別中，DFT是DTFT進行離散化后的取值。

三、z變換、拉普拉斯變換和離散時間傅里葉變換

z變換在離散時間系統(tǒng)中的作用如同拉普拉斯變換在連續(xù)時間系統(tǒng)中的作用一樣，它把描述離散系統(tǒng)的差分方程轉化為簡單的代數(shù)方程，使得求解大大的簡化。由于數(shù)字信號是又連續(xù)時間信號采樣得到的，故數(shù)字信號的z變換與被采樣的連續(xù)信號的拉普拉斯變換有密切關系。

學生往往對這三種變換之間的關系容易混淆，故將此關系進行梳理，找到相互聯(lián)系的關鍵點，才能很好的進行理解。首先由表1看出，三種變換的研究對象分別為x（n）、x（t）和x（n），這三種信號的關系是理解三種關系的關鍵，即x（n） 是由x（t）采樣得到的，在采樣點上，x（n）和x（t）的數(shù)值是一樣的。通過s平面到z平面的映射關系為紐帶，并由奈奎斯特定理可知，得到x（n）的z變換和被采樣信號x（t）的拉普拉斯變換之間的關系式為X（z）z = esT = 1T∑∞k = -∞Xa （s-j2πTk）。由該式可以看出，時域的抽樣導致了頻域的周期延拓，z變換中蘊含著周期性。

由表1第二列的關系式 z=ejω可以看出，序列在單位圓上的z變換，就是序列的離散時間傅里葉變換。

四、高密度譜和高分辨譜[4]

在分析數(shù)字信號的頻譜時，我們往往很關心信號的頻率分辨力，對于信號x（n），n1≤n≤n2，信號的長度為T0，如果想提高信號的頻率分辨力，必須增加信號的有效長度，使得信號的長度 TT0，如果通過在信號x（n）后補零來增加信號的長度，是不會增加頻率分辨力的。這個問題給歷屆學生帶來過困惑，很多學生會認為，補零后增加了信號的長度，也就提高了信號的頻率分辨力，這其實是錯誤的。補零后只會使得信號的譜線更加平滑，即得到高密度譜，而不會增加信號的任何信息，從而不會提高頻率分辨力。

圖（d）和（e）只顯示了一個峰值，（e）較（d）更平滑，即補零使得譜線顯得更加平滑，消除了柵欄效應，但是無法分辨出更多的譜線。（f）中則出現(xiàn)了兩條譜線，即能夠將信號中的兩個頻率成分分辨出來，從而說明增加信號的有效長度，能夠提高信號的頻率分辨力。

結束語

本文所述四個問題，均為上課過程中學生所普遍遇到的難點問題，這些問題如同前進大道上的溝溝坎坎，容易讓學生陷進去出不來，如果能夠將這些問題迎刃而解，在學習數(shù)字信號處理這門課的過程中，思路將更加清晰明了，不僅能夠加深學生對知識的理解，提高學生解決問題的能力，而且能激發(fā)學生對學習的積極性和創(chuàng)造力。

（作者單位：海軍航空工程學院信息融合研究所）

參考文獻：

[1]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第四版）.清華大學出版社，2013.08.

[2]于家誠.數(shù)字信號處理課程教學中需要解決的幾大關系.合肥師范學院學報，2009.05，第27卷第3期

[3]耶曉東.數(shù)字信號處理課程興趣教學法初探.高教論壇，2011.01第一期.

[4]栗學麗，劉琚.數(shù)字信號處理_教學中易混淆的問題討論.電氣電子教學學報，2009.08，第31卷第4期