利用FFT計算卷積

2023-01-22 20:00:03 字數 1355 閱讀 2848

一. 線卷積的作用及定義

線卷積包括卷積積分和卷積和。

1.線卷積的作用

求解線性系統對任意激勵訊號的零態響應。

2.卷積積分

3.卷積和

離散系統的時域分析是,已知離散系統的初始狀態和輸入訊號(激勵),求離散系統的輸出(響應),兩種方法:遞推解法和離散卷積法。

卷積和:

二. 圓周卷積的定義

圓周移位:一週期為n的週期序列, 可視為一主值序列在圓周上的迴圈移位。週期序列在時間軸上m位時,對應的圓周序列則轉動m位,這種旋轉稱為圓周移位。

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時域圓周卷積(迴圈卷積)

條件:兩序列實現圓卷積的條件是:長度相等,如果不相等, 可通過增補零值來使之相等。

特點:卷積求和範圍只在有限區間進行;卷積時不作反褶平移, 而是反褶圓移

步驟:量置換反褶圓移相乘求和。

三. 兩者的關係

有限長序列的圓卷積和線卷積的關係

在一般情況下,兩序列的圓卷積和線卷積是不相等的,這是因為:線卷積是平移, 結果長度為;而圓卷積是圓移,結果長度為。只有在兩卷積的結果長度相時,二者才有相同的結果。

解決方法是:在作圓卷積時,通過加零的方法,使兩序列的長度都增加到,此時,圓卷積的結果和線卷積同。

工程實際需要解決的卷積:,但其計算量很大。

而圓卷積為:,便於採用fft演算法, 故計算速度快。若將線卷積的兩個序列用增補零的方法將長度取為一致,此時兩序列的離散線卷積和圓周卷積結果是相等的,這樣就則可以通過圓卷積來快速計算線卷積。

1、 利用fft 計算卷積的步驟

(1)設兩序列原長度分別為:n和m,將長度增加到(l為2的整數次冪);

(2)用fft法求加長序列的dft頻譜;

(3)計算兩序列dft頻譜的乘積;

(4)用ifft求dft頻譜乘積的逆變換,便得兩序列的離散線卷積。

2、分段快速卷積

設為長序列,為短序列,長度為m,則兩序列的離散線卷積可以寫成如下形式,

上述每個子段長度為n。為便於圓卷積計算,將長度通過補零加長為:

x(n)

0nnnh(n)

0 m n

根據各子段增補零的部位不一樣而分兩種演算法。

(1) 重疊相加法

在各子段的尾部增加m-1 個零,則前一子段的尾部與後一子段的首部有m-1個項是重疊的,對重疊部分的卷積須作相加計算,故稱重疊相加法。

(2) 重疊捨去法

該方法是在各子段的首部增加項數, 其中第一子段前部增補m-1個零, 而以後的各子段, 其前部不是增補零, 而是重複利用前一段的後m-1個項。此時, 由於各子段的前m-1個項重複採用了前一子段的後m-1個項,卷積結果會產生區域性失真,因此,須將這前m-1個項捨去,故稱重疊捨去法。

線性卷積與圓周卷積的計算

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