精通信號處理設計小Tips(3):必須掌握的三大基石
2020-12-13 電子產品世界
本文作者maxfiner，畢業於西安電子科技大學，擁有信號與信息處理專業碩士學位。maxfiner曾供職於華為通信技術公司無 線通信部門，擁有多年的工程項目研發經驗，同時兼備算法理論研究，仿真驗證，以及對應的硬體設計實現能力；具備通信物理層開發設計各個方面的實戰經 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，並和自動控制，計算機等其他學科存在緊密的交叉關係。從應用方向應用來看，應用最多最廣泛的是通信方面的應用，以及與之相關的導航，定位，另外還有雷達，圖像，視頻，語音，分類和識別等方向。從專業領域細分，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，每一個方向都夠人研究一陣子的。那麼，為了更好的滿足應用和實踐的需要，我們應該側重和關注哪些內容呢。毫無疑問，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等無線通信制式的調製方式的核心。比如相關運算，應用之廣泛，使我堅信再過一百年也不會丟棄不用（後續我會講述工程實踐中的相關運算的七八個大的應用，在解決這些實際問題時，相關運算起著核心關鍵作用）。因此基礎知識牢固掌握了，在碰到各種實際的問題，遇到各種需要熟悉的新概念，就會輕鬆很多。道理很簡單，即所謂磨刀不誤砍柴工。
先舉個例子，最近我正在熟悉和理解XILINX的FPGA的高速串行接口，總體來說，這個是偏硬體的內容。FPGA的高速串行接口的發端有預加重功能，接收端有均衡功能。這兩個措施都是為了解決高速信號傳輸過程中的失真問題。不論是預加重，還是均衡，從信號處理角度來看待，其原理和功能就非常容易理解。預加重為實際傳輸鏈路之前的預失真處理，均衡為實際傳輸鏈路之後的補償處理。物理傳輸鏈路可看作一個系統，預加重和均衡都可看作是傳輸鏈路構成的系統的逆系統，任何一個和實際的物理傳輸鏈路串聯起來，目的是去逼近一個理想的、只存在一定延遲的、不存在波形失真系統，從而消除碼間幹擾。
按我個人的鼠光，談談信號處理的三大基石吧。第一塊基石：信號與系統的概念，以及對應的相關，卷積等概念。 第二塊基石：傅立葉變換。第三塊基石：採樣定理。這三個概念的前提條件都是理想的情況，比如線性，等間隔採樣等等，實際場景和環境並不是理想的，但都是以理想條件為基礎，來進行處理、改進和優化的。
第一塊基石——信號與系統。我接觸過有些同事和朋友，總是不能很好的理解信號處理的一些概念，後來發現，一個很重要的原因就是沒有很好的理解信號與系統的概念。對於電子信息領域的幾個大方向，比如信號處理，通信工程，自動控制，其理論基礎和分析都離不開信號與系統的概念。可以說這三個大專業，信號系統概念是共同的核心基礎。只不過通信工程在此基礎上又包含了調製，編碼以及物理層之上的某些概念和內容。自動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和明了，比較容易理解，需要注意的是幾個關鍵的信號的理解。系統的概念就相對抽象，需要關注系統的幾個重要特性。
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域和應用場景都離不開傅立葉變換。傅立葉變換是一個很大的分支，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係很有必要。我個人的感覺是，一次理解遠遠不夠，我認為到目前為止，雖然我已經學習了好多年，但我仍需要不斷的對其進行理解和學習。與傅立葉變換緊密關聯的一個概念是頻率和頻譜。頻譜分析是一種非常重要的分析手段，在很多領域有廣泛的應用。搞無線電監測的，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——採樣定理。現實的世界都是模擬的，連續的。由傳感器（溫度傳感器，溼度傳感器，壓力傳感器，天線等等）得到的信號是模擬的連續形式的信號，每時每刻都有一定的量值。但是採用信號處理手段去處理它們時，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能為力的。這也是數位訊號處理的魅力所在，也是數位訊號處理（器）越來越廣泛應用的主要因素，聯想一下蘋果的最新手機的協處理器，高通的霸道就會感受更深刻，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，信號變成數字形式後，兩個離散時間點之間的信號數值都被拋棄了，肯定信號丟失了很多信息，和原來的不一樣了。但是採樣定理告訴我們，在某些條件下，即使信號被離散化處理了，採樣時間之間的信號數值都不保留了，信息卻不會丟失，從這個離散的信號仍可重建回原有的模擬形式的信號。這也是採樣定理之所以成為數位訊號處理理論基礎核心的原因之一。採樣定理遠遠不止應用在信號從模擬到數字形式的轉換時刻，在信號處理應用的很多方面都能得到體現。
後續，希望對各塊基石進行展開描述。跟大家一起學習和感悟信號處理。
下期開講——精通信號處理設計小TIps（4）：最常用的幾個信號，兼談信號與系統，敬請關注！
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精通信號處理設計小TIps（1）：信號和信息
精通信號處理設計小TIps（2）：數學的作用
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