精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)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(hào)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) 線通信部門(mén)，擁有多年的工程項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)兼?zhèn)渌惴ɡ碚撗芯?，仿真?yàn)證，以及對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力；具備通信物理層開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)各個(gè)方面的實(shí)戰(zhàn)經(jīng) 驗(yàn)...

　　精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小TIps（3）：必須掌握的三大基石

　　信號(hào)與信息處理涵蓋的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，并和自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)等其他學(xué)科存在緊密的交叉關(guān)系。從應(yīng)用方向應(yīng)用來(lái)看，應(yīng)用最多最廣泛的是通信方面的應(yīng)用，以及與之相關(guān)的導(dǎo)航，定位，另外還有雷達(dá)，圖像，視頻，語(yǔ)音，分類(lèi)和識(shí)別等方向。從專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域細(xì)分，又有基本的信號(hào)處理，譜估計(jì)，自適應(yīng)信號(hào)處理，陣列信號(hào)處理等大方向，每一個(gè)方向都?jí)蛉搜芯恳魂囎拥摹Ｄ敲?，為了更好的滿足應(yīng)用和實(shí)踐的需要，我們應(yīng)該側(cè)重和關(guān)注哪些內(nèi)容呢。毫無(wú)疑問(wèn)，肯定是最最基礎(chǔ)的內(nèi)容。信號(hào)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(chǔ)上的。比如信號(hào)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(xiàn)在有48年了，是當(dāng)今LTE，WIFI，WiMax等無(wú)線通信制式的調(diào)制方式的核心。比如相關(guān)運(yùn)算，應(yīng)用之廣泛，使我堅(jiān)信再過(guò)一百年也不會(huì)丟棄不用（后續(xù)我會(huì)講述工程實(shí)踐中的相關(guān)運(yùn)算的七八個(gè)大的應(yīng)用，在解決這些實(shí)際問(wèn)題時(shí)，相關(guān)運(yùn)算起著核心關(guān)鍵作用）。因此基礎(chǔ)知識(shí)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(nèi)容。FPGA的高速串行接口的發(fā)端有預(yù)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(hào)傳輸過(guò)程中的失真問(wèn)題。不論是預(yù)加重，還是均衡，從信號(hào)處理角度來(lái)看待，其原理和功能就非常容易理解。預(yù)加重為實(shí)際傳輸鏈路之前的預(yù)失真處理，均衡為實(shí)際傳輸鏈路之后的補(bǔ)償處理。物理傳輸鏈路可看作一個(gè)系統(tǒng)，預(yù)加重和均衡都可看作是傳輸鏈路構(gòu)成的系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，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(tǒng)，從而消除碼間干擾。

　　按我個(gè)人的鼠光，談?wù)勑盘?hào)處理的三大基石吧。第一塊基石：信號(hào)與系統(tǒng)的概念，以及對(duì)應(yīng)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(chǔ)，來(lái)進(jìn)行處理、改進(jìn)和優(yōu)化的。

　　第一塊基石——信號(hào)與系統(tǒng)。我接觸過(guò)有些同事和朋友，總是不能很好的理解信號(hào)處理的一些概念，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)很重要的原因就是沒(méi)有很好的理解信號(hào)與系統(tǒng)的概念。對(duì)于電子信息領(lǐng)域的幾個(gè)大方向，比如信號(hào)處理，通信工程，自動(dòng)控制，其理論基礎(chǔ)和分析都離不開(kāi)信號(hào)與系統(tǒng)的概念?？梢哉f(shuō)這三個(gè)大專(zhuān)業(yè)，信號(hào)系統(tǒng)概念是共同的核心基礎(chǔ)。只不過(guò)通信工程在此基礎(chǔ)上又包含了調(diào)制，編碼以及物理層之上的某些概念和內(nèi)容。自動(dòng)控制側(cè)重控制和反饋等理論的分析和研究。信號(hào)的概念相對(duì)直觀和明了，比較容易理解，需要注意的是幾個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)的理解。系統(tǒng)的概念就相對(duì)抽象，需要關(guān)注系統(tǒng)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(hào)處理很多的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)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(nèi)容也很豐富，包括連續(xù)形式和離散形式，每種形式有分為周期信號(hào)的傅立葉變換和非周期信號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我認(rèn)為到目前為止，雖然我已經(jīng)學(xué)習(xí)了好多年，但我仍需要不斷的對(duì)其進(jìn)行理解和學(xué)習(xí)。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(yīng)用。搞無(wú)線電監(jiān)測(cè)的，搞2G、3G、4G通信測(cè)試的，對(duì)頻譜的理解和切身感受應(yīng)該更加深刻。

　　第三塊基石——采樣定理。現(xiàn)實(shí)的世界都是模擬的，連續(xù)的。由傳感器（溫度傳感器，濕度傳感器，壓力傳感器，天線等等）得到的信號(hào)是模擬的連續(xù)形式的信號(hào)，每時(shí)每刻都有一定的量值。但是采用信號(hào)處理手段去處理它們時(shí)，卻又是離散的數(shù)字形式。因?yàn)橛脭?shù)字的方式處理更精準(zhǔn)，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(shù)字信號(hào)處理的魅力所在，也是數(shù)字信號(hào)處理（器）越來(lái)越廣泛應(yīng)用的主要因素，聯(lián)想一下蘋(píng)果的最新手機(jī)的協(xié)處理器，高通的霸道就會(huì)感受更深刻，更強(qiáng)烈些。這就涉及到信號(hào)由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，其關(guān)鍵器件就是能夠直接影響到國(guó)防軍事裝備性能的AD轉(zhuǎn)換器。按照通常理解，信號(hào)變成數(shù)字形式后，兩個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)之間的信號(hào)數(shù)值都被拋棄了，肯定信號(hào)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(hào)被離散化處理了，采樣時(shí)間之間的信號(hào)數(shù)值都不保留了，信息卻不會(huì)丟失，從這個(gè)離散的信號(hào)仍可重建回原有的模擬形式的信號(hào)。這也是采樣定理之所以成為數(shù)字信號(hào)處理理論基礎(chǔ)核心的原因之一。采樣定理遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止應(yīng)用在信號(hào)從模擬到數(shù)字形式的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，在信號(hào)處理應(yīng)用的很多方面都能得到體現(xiàn)。

　　后續(xù)，希望對(duì)各塊基石進(jìn)行展開(kāi)描述。跟大家一起學(xué)習(xí)和感悟信號(hào)處理。

下期開(kāi)講——精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小TIps（4）：最常用的幾個(gè)信號(hào)，兼談信號(hào)與系統(tǒng)，敬請(qǐng)關(guān)注！

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精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小TIps（2）：數(shù)學(xué)的作用