离散信号频谱分析

知识点

1 . 离散时间信号=离散序列+独立变量具有时间刻度意义

数字信号=离散时间信号+值域刻度离散

2 . 时间和频域

变换域：两个维度间信息量不丢失的一种变换

在时间域上的信号x所包含的信息量和频域上的信号y信息量等价，可以理解满足x->y同时满足y->x，中间的这个过程就是傅里叶变换和傅里叶反变换

在频域上抽样得到DFT变换

对频域进行扩展，得到z变换

对一个离散序列(不具有时间意义)做这样处理，它依然能够得到对应变换域的序列，二者包含相同的信息量，等价

3 . 线性时不变系统

信号可以分解成离散时间脉冲δ[n]表示：

x[n]=∑k=−∞∞x[n]δ[n−k]

通过一个线性是不变系统

y[n]=T{∑k=−∞∞x[n]δ[n−k]}=∑k=−∞∞x[n]T{δ[n−k]}

令hk[n]是系统对发生在n=k的单位样本序列δ[n−k]的相应

y[n]=∑k=−∞∞x[n]hk[n]

由于线性时不变性，如果h[n]是系统对δ[n]的响应，那么系统对δ[n−k]的响应应该是h[n−k]，上面式子可以变为：

y[n]=∑k=−∞∞x[n]h[n−k]=x[n]∗h[n]

∗表示卷积

如果输入信号x[n]=ejwn(w看做常量，n是自变量)，那么输出为

y[n]=x[n]∗h[n]=h[n]∗x[n]=∑k=−∞∞h[k]x[n−k]=∑k=−∞∞h[k]ejw[n−k]=ejwn∑k=−∞∞h[k]e−jwk

若定义H(ejw)=∑k=−∞∞h[k]e−jwk

那么上面式子可以变为y(n)=H(ejw)ejwn

如何理解这个式子

ejwn是一个单频指数信号，频率为w

H(ejw)是一个关于变量w的函数，对每个输入的w0都会有一个特定的输出，一般为复数

这个单频信号x
通过系统h
，可以看做系统对信号有一个幅值修正和相位偏移

特征值H(ejw)称为系统的频率响应，h[n]为系统的单位脉冲响应

如果一个信号x
可以分解为多个这样单频信号的叠加和x[n]=∑kakejwkn

根据系统的线性y[n]=(∑kakejwkn)∗h[n]=∑kakejwkn∗h[n]=∑kakH(ejwk)ejwkn

DFT离散傅里叶变换

上面这部分从LTI(线性时不变)系统的概念推导出出了离散信号的傅里叶变换

X(ejw)=∑n=−∞∞x[n]e−jwn

傅里叶反变换

x[n]=12π∫π−πX(ejw)ejwndw

傅里叶变换定理：

序列	傅里叶变换
x[n]	X(ejw)
y[n]	Y(ejw)
x[n−nd]	ejwndX(ejw)
ejw0nx[n]	X(ej(w−w0))
x(−n)	X(e−jw)
nx[n]	jdX(ejw)dw
ax[n]+by[n]	aX(ejw)+bY(ejw)
x[n]∗y[n]	X(ejw)Y(ejw)
x[n]y[n]	12π∫π−πX(ejθ)Y(ej(w−θ))dθ
∑∞n=−∞|x[n]|2=12π∫π−π|X(ejw)|2dθ	帕斯瓦尔定理，两个域的能量保持不变

任意实信号的傅里叶变换：

X(ejw)=X∗(e−jw)共轭对称

XR(ejw)=XR(e−jw)实部为偶函数

XI(ejw)=−XI(e−jw)虚部为奇函数

|X(ejw)|=|X(ee−jw)|幅度为偶函数

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matlab相关函数功能分析

窗函数

矩形窗rectwin

三角窗triangle

海明窗hamming

汉宁窗hanning(第一旁瓣性能差，但是其余旁瓣下降更好)

凯瑟窗kaiser(n,β), β越大，波形越陡峭，旁瓣衰减越好，但是过渡带变宽

切比雪夫窗chebwin 等波纹窗

布莱克曼窗blackman

tukeywin

talorwin

窗函数工具 wintool

冲激响应时域频域分析wvtool，频域分析freqz和fvtool

滤波器设计工具fdatool

创建原型滤波器函数

fir1 窗函数对理想FIR的加窗截取，窗函数影响性能

fir2 基于频率采样的FIR设计，由H(K) ifft得到h(n)得到H(z)在得到任意长的h(n)

firpm 雷米兹Remez交替算法逼近切比雪夫等波纹的Parks-McClellan实现

firpmord 同上，得到的可以作为firpm的参数

firpr2chfb 半带滤波器的四个滤波器系数，两个低，两个高

rcosfir

DSP System ToolBox

fdesign结构体，提供一个滤波器类型接口，设计一个滤波器参数结构体，包括阶数通带阻带

design对fdesign得到的结构体进行滤波器系数设计，需要选择优化类型

fircls：最小均方

equiripple：等波纹

butter

cheby1

cheby2

ifir

multistage

常用信号处理

upsample

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pca