数字信号处理（吴镇扬）课后习题答案之第一章

### 数字信号处理基础知识解析 #### 一、数字信号处理概览 数字信号处理(DSP)是一门涉及信号处理的理论和技术学科，其中信号通过数值表示，并由数字计算机或专用处理器进行处理。它广泛应用于通信、音频处理、图像处理、雷达、生物医学工程等领域。 #### 二、理想采样与频谱混迭 在数字信号处理中，采样是指将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。理想采样通常指的是按照奈奎斯特采样定理进行的采样，即采样频率必须至少为信号最高频率成分的两倍，以避免频谱混迭。 - **频谱混迭**：当采样频率低于信号带宽的两倍时，高频信号会“折叠”到低频区域，与低频信号混合，导致原始信号的失真。这被称为频谱混迭。 题目中的例子展示了对三个正弦信号进行理想采样的情况： 1. \( x_1(t) = \cos(2\pi t) \) 2. \( x_2(t) = \cos(6\pi t) \) 3. \( x_3(t) = \cos(10\pi t) \) 采样频率为 \( \Omega_s = 8\pi \)。 - 对于 \( x_1(t) \)，其角频率 \( w_1 = 2\pi < \Omega_s/2 \)，因此没有混迭。 - 对于 \( x_2(t) \)，其角频率 \( w_2 = 6\pi > \Omega_s/2 \)，存在混迭。 - 同样，\( x_3(t) \) 的角频率 \( w_3 = 10\pi > \Omega_s/2 \)，也存在混迭。 #### 三、系统特性分析 在数字信号处理中，系统特性的分析对于理解信号如何被处理至关重要。线性与时不变性是系统分析中的两个关键概念。 1. **线性**：如果一个系统满足叠加原理，即输出是对所有输入的线性组合，那么这个系统就是线性的。 2. **时不变性**：如果系统的输出仅依赖于输入的时间延迟而与其实际时间无关，则称此系统为时不变系统。 题目中的例子给出了两个系统： - 第一个系统 \( y[n] = 2x[n] + 5 \) 非线性，但时不变，因为它不随时间改变。 - 第二个系统 \( y[n] = \sum_{m=-\infty}^{n} x[m] \) 是线性的且时不变的。 #### 四、系统因果性和稳定性 系统的因果性和稳定性是评估系统行为的重要指标。 - **因果性**：如果系统的输出仅依赖于当前和过去的输入，那么这个系统是因果的。 - **稳定性**：一个系统被认为是稳定的，如果它对有界的输入产生有界的输出。 题目中给出了几个系统，分别检查它们的因果性和稳定性。 例如，对于系统 \( y[n] = g[n]x[n] \)，其中 \( g[n] \) 是有界的，如果输入 \( x[n] \) 也是有界的，那么输出 \( y[n] \) 也将是有界的，表明系统是稳定的。此外，由于输出只依赖于当前输入，系统也是因果的。 #### 五、序列的傅里叶变换 傅里叶变换在信号处理中是一种强大的工具，用于分析信号的频率组成。题目要求找到特定序列的傅里叶变换。 例如，对于序列 \( g[n] \)，当 \( n \) 为偶数时，\( g[n] = x[n/2] \)，当 \( n \) 为奇数时，\( g[n] = 0 \)。可以通过计算 \( g[n] \) 的傅里叶变换来进一步分析其频率特征。 #### 六、逆Z变换 逆Z变换是Z变换的逆过程，用于从Z域返回到时域。题目提供了函数 \( G(z) = \frac{1}{(1-z^{-1})(1-2z^{-1})} \)，要求求解其逆Z变换。 通过部分分式分解等方法，可以找到逆Z变换的表达式，从而恢复原序列 \( g[n] \)。 以上内容涵盖了数字信号处理的基础概念和关键分析技巧，包括采样理论、系统特性、序列变换以及逆变换等，是深入理解数字信号处理技术不可或缺的知识点。