从今天开始梳理信号与系统了。

啥是信号呢?信号就是物理量的变化,这种变化可能暗示了某种信息,所以就叫信号(函数),连续变化的就是连续信号,非连续变化的就是离散信号。只包含一个维度变化的就是一维信号,多个变化维度的就是多维信号。

那啥是系统呢?及时能够检测到I、并处理变化的一个或一组装置,通过这组装置我们能够分析或者利用信号。(严谨的定义请参考教材,这里主要讲个人的理解)例子有很多了,比如语音的信号(一维时间连续信息号)、数字图像(二维空间离散信号)、股票的K线图(一维离散信号)。而信号与系统就是研究如何利用信号和设计系统的学科。常见的是离散信号的处理系统,往往会将连续信号转化为离散信号进行处理,因为离散信号计算机处理起来更有优势。信号的类型相对比较简单,按连续、非连续,一维多维等等,他们是输入的类型相对比较简单,但系统涉及处理所以会比较复杂。常见的系统分类如下:

线性和非线性系统:线性系统的意思就是这个系统由多个子系统组成,系统的输出等于子系统处理结果之和;就是一个苹果+一个苹果=2个苹果的意思,最后的效果是简单叠加。如果不是这样的那就是非线性系统。

时变和非时变系统:这个就是说系统处理的结果不会随时间的变化而变化,不会说我今天用计算器算1+1=2,明天用同样的计算器确算出了1+1=3,也就是系统处理的结果与时间起点无关。

系统的内部结构:并联、串联和反馈三种结构。是不是很像电路的内容啊,没错,电路就是标准的系统,那些组成电路的器件可以看成子系统,电路设计也是系统设计的一种。这里面特别要注意的是反馈结构,对于不稳定的系统反馈结构是一种常见的保持系统平衡的重要结构。




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图1 左边是一个音符的时域信号,右边是频域信号



后续我们讨论的主要方法的前提假设系统是线性+非时变的(LTI),因为种情况是最简单的,也是最常见的。信号与系统学完以后最大的用处就是大家就知道如何设计适合的系统来处理信号了,比如把声音中不想要的噪声去掉、变换图像的基本原理等等。常用的系统分析方法会在两个域展开,一个是时域:时域也是我们与信号直接接触的域,可以直接观察到信号的具体样子,比如图像、语音波形等;一个是频域:频域展示了信号变化的规律,这个域没有那么直观但是体现的是变化本身的规律,信号在这里是以频率的形式展示出来的(如上图)。这其实是一个问题转换的思想把一个问题从一个空间等价变换到另一个空间,因为很多规律在频域中更显著、很多计算在频域中更简单(傅立叶变换、拉普拉斯变换、Z变换都是频域处理的工具)。




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