精通信號處理設計小Tips（3）：必須掌握的三大基石

　　本文作者maxfiner，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，擁有信號與信息處理專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位。maxfiner曾供職于華為通信技術(shù)公司無(wú) 線(xiàn)通信部門(mén)，擁有多年的工程項目研發(fā)經(jīng)驗，同時(shí)兼備算法理論研究，仿真驗證，以及對應的硬件設計實(shí)現能力；具備通信物理層開(kāi)發(fā)設計各個(gè)方面的實(shí)戰經(jīng) 驗...

　　精通信號處理設計小TIps（3）：必須掌握的三大基石

　　信號與信息處理涵蓋的內容相當廣泛，并和自動(dòng)控制，計算機等其他學(xué)科存在緊密的交叉關(guān)系。從應用方向應用來(lái)看，應用最多最廣泛的是通信方面的應用，以及與之相關(guān)的導航，定位，另外還有雷達，圖像，視頻，語(yǔ)音，分類(lèi)和識別等方向。從專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域細分，又有基本的信號處理，譜估計，自適應信號處理，陣列信號處理等大方向，每一個(gè)方向都夠人研究一陣子的。那么，為了更好的滿(mǎn)足應用和實(shí)踐的需要，我們應該側重和關(guān)注哪些內容呢。毫無(wú)疑問(wèn)，肯定是最最基礎的內容。信號處理中的各種新事物，新概念，新方法，新理論，都是建立在一個(gè)共同的牢固的基礎上的。比如信號處理的核心處理算法之一——快速傅立葉變換，是1965年提出的，到現在有48年了，是當今LTE，WIFI，WiMax等無(wú)線(xiàn)通信制式的調制方式的核心。比如相關(guān)運算，應用之廣泛，使我堅信再過(guò)一百年也不會(huì )丟棄不用（后續我會(huì )講述工程實(shí)踐中的相關(guān)運算的七八個(gè)大的應用，在解決這些實(shí)際問(wèn)題時(shí)，相關(guān)運算起著(zhù)核心關(guān)鍵作用）。因此基礎知識牢固掌握了，在碰到各種實(shí)際的問(wèn)題，遇到各種需要熟悉的新概念，就會(huì )輕松很多。道理很簡(jiǎn)單，即所謂磨刀不誤砍柴工。

　　先舉個(gè)例子，最近我正在熟悉和理解XILINX的FPGA的高速串行接口，總體來(lái)說(shuō)，這個(gè)是偏硬件的內容。FPGA的高速串行接口的發(fā)端有預加重功能，接收端有均衡功能。這兩個(gè)措施都是為了解決高速信號傳輸過(guò)程中的失真問(wèn)題。不論是預加重，還是均衡，從信號處理角度來(lái)看待，其原理和功能就非常容易理解。預加重為實(shí)際傳輸鏈路之前的預失真處理，均衡為實(shí)際傳輸鏈路之后的補償處理。物理傳輸鏈路可看作一個(gè)系統，預加重和均衡都可看作是傳輸鏈路構成的系統的逆系統，任何一個(gè)和實(shí)際的物理傳輸鏈路串聯(lián)起來(lái)，目的是去逼近一個(gè)理想的、只存在一定延遲的、不存在波形失真系統，從而消除碼間干擾。

　　按我個(gè)人的鼠光，談?wù)勑盘柼幚淼娜蠡?。第一塊基石：信號與系統的概念，以及對應的相關(guān)，卷積等概念。 第二塊基石：傅立葉變換。第三塊基石：采樣定理。這三個(gè)概念的前提條件都是理想的情況，比如線(xiàn)性，等間隔采樣等等，實(shí)際場(chǎng)景和環(huán)境并不是理想的，但都是以理想條件為基礎，來(lái)進(jìn)行處理、改進(jìn)和優(yōu)化的。

　　第一塊基石——信號與系統。我接觸過(guò)有些同事和朋友，總是不能很好的理解信號處理的一些概念，后來(lái)發(fā)現，一個(gè)很重要的原因就是沒(méi)有很好的理解信號與系統的概念。對于電子信息領(lǐng)域的幾個(gè)大方向，比如信號處理，通信工程，自動(dòng)控制，其理論基礎和分析都離不開(kāi)信號與系統的概念?？梢哉f(shuō)這三個(gè)大專(zhuān)業(yè)，信號系統概念是共同的核心基礎。只不過(guò)通信工程在此基礎上又包含了調制，編碼以及物理層之上的某些概念和內容。自動(dòng)控制側重控制和反饋等理論的分析和研究。信號的概念相對直觀(guān)和明了，比較容易理解，需要注意的是幾個(gè)關(guān)鍵的信號的理解。系統的概念就相對抽象，需要關(guān)注系統的幾個(gè)重要特性。

　　第二塊基石——傅立葉變換，就像以前提到的，信號處理很多的應用領(lǐng)域和應用場(chǎng)景都離不開(kāi)傅立葉變換。傅立葉變換是一個(gè)很大的分支，內容也很豐富，包括連續形式和離散形式，每種形式有分為周期信號的傅立葉變換和非周期信號的傅立葉變換。離散形式的傅立葉變換又分為離散時(shí)間的傅立葉變換，離散傅立葉變換等多種形式，初次接觸很容易搞昏，搞清楚它們之間的關(guān)系很有必要。我個(gè)人的感覺(jué)是，一次理解遠遠不夠，我認為到目前為止，雖然我已經(jīng)學(xué)習了好多年，但我仍需要不斷的對其進(jìn)行理解和學(xué)習。與傅立葉變換緊密關(guān)聯(lián)的一個(gè)概念是頻率和頻譜。頻譜分析是一種非常重要的分析手段，在很多領(lǐng)域有廣泛的應用。搞無(wú)線(xiàn)電監測的，搞2G、3G、4G通信測試的，對頻譜的理解和切身感受應該更加深刻。

　　第三塊基石——采樣定理?，F實(shí)的世界都是模擬的，連續的。由傳感器（溫度傳感器，濕度傳感器，壓力傳感器，天線(xiàn)等等）得到的信號是模擬的連續形式的信號，每時(shí)每刻都有一定的量值。但是采用信號處理手段去處理它們時(shí)，卻又是離散的數字形式。因為用數字的方式處理更精準，也更容易操作，而這是模擬方式和模擬器件所無(wú)能為力的。這也是數字信號處理的魅力所在，也是數字信號處理（器）越來(lái)越廣泛應用的主要因素，聯(lián)想一下蘋(píng)果的最新手機的協(xié)處理器，高通的霸道就會(huì )感受更深刻，更強烈些。這就涉及到信號由模擬到數字的轉換，其關(guān)鍵器件就是能夠直接影響到國防軍事裝備性能的AD轉換器。按照通常理解，信號變成數字形式后，兩個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)之間的信號數值都被拋棄了，肯定信號丟失了很多信息，和原來(lái)的不一樣了。但是采樣定理告訴我們，在某些條件下，即使信號被離散化處理了，采樣時(shí)間之間的信號數值都不保留了，信息卻不會(huì )丟失，從這個(gè)離散的信號仍可重建回原有的模擬形式的信號。這也是采樣定理之所以成為數字信號處理理論基礎核心的原因之一。采樣定理遠遠不止應用在信號從模擬到數字形式的轉換時(shí)刻，在信號處理應用的很多方面都能得到體現。

　　后續，希望對各塊基石進(jìn)行展開(kāi)描述。跟大家一起學(xué)習和感悟信號處理。

下期開(kāi)講——精通信號處理設計小TIps（4）：最常用的幾個(gè)信號，兼談信號與系統，敬請關(guān)注！

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