
【计】 discrete-time convolution
【计】 discrete time; random time
【计】 convolution
【化】 convolution
离散时间卷积(Discrete-Time Convolution)是数字信号处理中的核心运算,用于描述线性时不变系统(LTI)输入与输出之间的关系。其数学定义为: $$ y[n] = sum_{k=-infty}^{infty} x[k] cdot h[n-k] $$ 其中,$x[n]$为输入序列,$h[n]$为系统冲激响应,$y[n]$为输出序列。该运算通过翻转、平移和加权求方式,量化了系统对历史输入信号的累积响应。
线性时不变性基础
卷积运算仅适用于满足线性(叠加性)和时不变性(响应与时间无关)的系统,这一特性在滤波器设计与信号分析中具有普适性。
计算实现方法
实际工程中多采用有限长序列计算,公式简化为: $$ y[n] = sum_{k=0}^{M} x[k] cdot h[n-k] $$ 其中$M$为冲激响应长度限制,常见于数字滤波器实现(来源:IEEE Signal Processing Society)。
频域等价性
根据卷积定理,时域卷积等价于频域乘积,即: $$ mathcal{F}{x * h} = X(e^{jomega}) cdot H(e^{jomega}) $$ 这一性质大幅简化了系统频率响应分析(来源:MIT OpenCourseWare 6.003)。
权威参考文献:
离散时间卷积是信号处理中的核心运算,用于描述两个离散序列(通常为信号和系统冲激响应)的相互作用。其数学定义为:
$$ y[n] = x[n] * h[n] = sum_{k=-infty}^{infty} x[k] cdot h[n-k] $$
关键特征解析:
物理意义
表示线性时不变系统(LTI)对任意输入信号$x[n]$的响应:将输入分解为加权冲激序列的叠加,系统对每个冲激的响应$h[n]$经平移加权后叠加得到总输出。
计算步骤(以有限长序列为例)
示例说明
设$x[n] = {1,2}$(n=0,1),$h[n] = {3,4}$(n=0,1),则卷积结果为:
y = 1×3 = 3
y = 1×4 + 2×3 = 10
y = 2×4 = 8
∴ y[n] = {3,10,8}
与连续卷积的区别
应用场景:数字滤波器设计、语音信号处理、图像边缘检测等。理解该概念是掌握数字信号处理系统分析的基础,建议通过滑动窗口法或矩阵乘法进行实操练习以加深理解。
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