卷积和计算方法
卷积和反卷积的计算公式
卷积和反卷积的计算公式一、卷积计算公式。
（一）离散卷积（一维情况）设离散序列x[n]和h[n]，它们的卷积y[n]定义为：y[n]=∑_m =-∞^∞x[m]h[n - m]（二）离散卷积（二维情况）对于二维离散信号x[m,n]和h[m,n]，其卷积y[m,n]为：y[m,n]=∑_k =-∞^∞∑_l=-∞^∞x[k,l]h[m - k,n - l]（三）连续卷积（一维情况）对于连续函数x(t)和h(t)，它们的卷积y(t)定义为：y(t)=∫_-∞^∞x(τ)h(t-τ)dτ二、反卷积计算公式。
反卷积（也称为去卷积）是卷积的逆运算。
在离散情况下，如果已知y[n]（卷积结果）和h[n]，求x[n]，可以通过求解以下方程（在某些条件下）：y[n]=∑_m =-∞^∞x[m]h[n - m]1. 频域方法（离散情况）- 对y[n]、h[n]分别进行离散傅里叶变换（DFT），得到Y[k]和H[k]。
- 根据卷积定理Y[k]=X[k]H[k]，则X[k]=(Y[k])/(H[k])（假设H[k]≠0）。
- 再对X[k]进行逆离散傅里叶变换（IDFT）得到x[n]。
2. 迭代算法（离散情况）- 一种简单的迭代算法是假设初始的x^0[n]=y[n]/h[0]（当h[0]≠0时）。
- 然后通过迭代公式x^i + 1[n]=x^i[n]+frac{y[n]-∑_m =-∞^∞x^i[m]h[n - m]}{∑_m =-∞^∞h[m]h[n - m]}逐步逼近真实的x[n]，其中i表示迭代次数。
在连续情况下，反卷积的求解更加复杂，通常也可以利用频域方法，通过傅里叶变换将问题转换到频域，利用Y(ω)=X(ω)H(ω)，得到X(ω)=(Y(ω))/(H(ω))（假设H(ω)≠0），再通过逆傅里叶变换得到x(t)，但在实际应用中要考虑到函数的性质、收敛性等诸多问题。
卷积计算(图解法)
(1) n<0
x(m) m 0 4 h(n-m) m n-6 n0
y(n) = x(n) ∗ h(n) = 0
x(m) m
(2)在0≤n≤4区间上
0
4 h(n-m) m
n-6 0 n 4
∴ y(n) = ∑ x(m)h(n − m) = ∑1⋅ a
m=0 n m=0
n
n
n−m
=a
n
m=0
∑a
−m
1− a =a −1 1− a
n
−( n+1)
1− a =1− a
1+n
x(m)
(3)在4<n≤6区间上
m 0 4 h(n-m) m n-6 0
1+n
∴ y(n) = ∑x(m)h(n − m)
m=0
4
= ∑1⋅ a
m=0 n
4
n−m
=a
n
m=0
∑a
n−4
4
−m
4 6 n
1− a a −a =a = −1 1− a 1− a
−(1+4)
x(m) m 0 4 h(n-m) m 0 n-6
7
(4)在6<n≤10区间上
∴ y(n) = =
m=n−6
∑x(m)h(n − m)
=a
n m=n−6 −( 4+1)
n
m=n−6
∑1⋅ a
n
n
n−m
∑a
=
4
−m
6
n
10
=a
a
−( n−6)
−a −1 1− a
a
n−4
−a 1− a
综合以上结果， 可归纳如下： 综合以上结果，y(n)可归纳如下： 可归纳如下
卷积的运算法则
卷积是信号处理和图像处理中常用的一种运算法则。
在离散情况下，卷积可以被定义为两个离散序列的线性组合。
以下是卷积的运算法则：
1. 线性性质：卷积具有线性性质，即对于输入序列的线性组合，卷积的结果等于每个输入序列与相应权重进行卷积后再相加。
2. 交换律：卷积运算满足交换律，即输入序列的卷积可以交换顺序，不影响最终结果。
3. 结合律：卷积运算满足结合律，即多个输入序列的卷积可以按照不同的分组方式进行计算，最终结果保持一致。
4. 分配律：卷积运算满足分配律，即输入序列与一个常数的乘积先进行卷积运算，等于将输入序列进行卷积后再与该常数相乘。
这些运算法则使得卷积在信号处理和图像处理中非常有用。
通过卷积运算，可以实现信号的平滑、滤波、特征提取等操作。
在深度学习中，卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）利用卷积运算对图像进行特征提取和模式识
别，取得了很大的成功。
向量a,b卷积和互相关的公式
向量a、b的卷积和互相关是信号处理和数字图像处理中常用的运算，具有广泛的应用。
在本文中，我们将介绍向量a、b的卷积和互相关的数学公式和计算方法。
一、向量a、b的卷积公式如果a和b是长度为n的向量，那么它们的卷积可以表示为以下形式：c[i] = Σ (a[j] * b[i-j])，其中j的取值范围为0到n-1，c[i]表示卷积结果的第i个元素。
从上述公式可以看出，向量a和b的卷积结果c的长度为n，计算过程是将向量a和b按照一定的规则进行相乘，并将相乘的结果累加得到卷积结果。
二、向量a、b的互相关公式与卷积类似，向量a和b的互相关可以表示为以下形式：c[i] = Σ (a[j] * b[j+i])，其中j的取值范围为0到n-1，c[i]表示互相关结果的第i个元素。
与卷积不同的是，互相关在计算过程中，向量b的元素是按照顺序平移后与向量a的对应元素相乘并累加得到互相关结果。
三、卷积和互相关的区别卷积和互相关在数学上有一定的区别。
在卷积中，向量b的元素是按照逆序进行相乘并累加；而在互相关中，向量b的元素是按照顺序进行相乘并累加。
这意味着它们在计算过程中，对向量b的处理方式不同。
四、卷积和互相关的计算方法1. 基本计算方法对于长度为n的向量a和b，可以使用双重循环的方法来计算卷积和互相关。
具体步骤是先将向量a和b进行填充，然后进行相乘并累加得到结果。
2. 快速计算方法为了提高计算效率，可以使用快速傅里叶变换（FFT）来进行卷积和互相关的计算。
FFT是一种高效的计算方法，可以在O(nlogn)的时间复杂度内完成卷积和互相关的计算。
五、卷积和互相关的应用1. 信号处理领域卷积和互相关在信号处理领域有着广泛的应用，用于滤波、频域变换等方面。
2. 数字图像处理领域在数字图像处理中，卷积和互相关被广泛应用于图像匹配、特征提取等方面。
3. 人工智能领域在人工智能领域，卷积神经网络（CNN）中的卷积层就是利用了卷积的原理进行特征提取。
计算卷积的方法
* 0 -1 1 1 b f 2 (t 1)[ u (t 1) u (t 1)] f1 a[u(t ) u(t 1)] t t j 2 2 2 f 2 f1 f 2 ( ) f1 (t ) du (t ti t j )
i 1 j 1 ti
0.25ab
0
1
2
3
ab t 4
2
0 t 1
f1 f2
=
ab ab t 2 4
1 t 2
2 t 3
ab 2 (3 t 2t ) 4
结语:若f1(t)与f2(t)为有限宽度的脉冲,f1*f2的面积为f1和 f2面 积之积, f1*f2的宽度为f1和 f2宽度之和. Gtk [(t t j ) ti ] 方法二.利用门函数直接计算卷积分
t t 1 t t 1
2 ab 2 [(t 1) u (t 1) t u (t ) 4
(t 3)(t 1)u (t 1) (t 4) u (t 2)]
2
*下式错在哪里？ u (t 1) * [u (t 2) u (t 3)]
0
ti
t tj
ti
u(t t j t i )
t tj
1.将被卷积的两个函数f(t)和 h(t)都表示成单位阶跃u(t)移 位加权之和. p
f (t )
f
i 1
i
(t )u (t ti )......... . 1
h(t )
h
j 1
p
q
j
2 (t )u (t t j )......
de r (t ) *g dt
7.6 卷积(卷积和)
•卷积和定义 •离散卷积的性质 •卷积计算
一．卷积和定义
任意序列xn表示为 n的加权移位之线性组合 :
x n x 1 n 1 x 0 n x 1 n 1 x m n m
1．交换律
x( n) h( n) h( n) x( n)
第 4 页
2．结合律 x(n) h1 (n) h2 (n) x(n) [h1 (n) h2 (n)] 3．分配律
x(n) h1 (n) h2 (n) x(n) h1 (n) x(n) h2 (n)
可加性
输出
xm n m
xn hn
xm hn m
处由 x m 加权。 卷积和的公式表明：
系统对 x n 的响应 每一样值产生的响应之和，在各
hn将输入输出联系起来， 即零状态响应 xn hn。
X
二．离散卷积的性质
第 2 页
Байду номын сангаас
m
xm n m
x ( n) ( n) h( n) y( n) h( n)
X
第 3 页
时不变 均匀性
n m hn m
xm n m xm hn m
x ( n) y n
m m
X
第
y(n)的元素个数?
x(n) h(n)
y ( n)
6 页
nA nB
nC n A nB 1
若：
x(n)序列
h(n)序列
n1 n n2，
则y(n)序列
n1 n3 n n2 n4
卷积计算(图解法)
(5)对于(n-6)>4，即n>10。
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m
3
(1) n<0
x(m)
m
y(n) x(n) h(n) 0
04
h(n-m)
m n-6 n 0
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4
x(m)
(2)在0≤n≤4区间上
m 04
h(n-m)
m
n-6 0 n 4
n
n
y(n) x(m)h(n m) 1 anm
卷积计算图解法卷积算图解卷积计算图解法法计算法计算卷积卷积码图像卷积卷积定理
卷积计算——图解法
y(n) x(m)h(n m) x(n) h(n)
m
计算步骤如下：
(1)翻褶：先在坐标轴m上画出x(m)和h(m)，
将h(m)以纵坐标为对称轴折叠成 h(-m)。
(2)移位：将h(-m)移位n，得h(n-m)。当n为
正数时，右移n；当n为负数时，左移n。
(3)相乘：将h(n-m)和x(m)的对应序列值相乘。
(4)相加：把所有的乘积累加起来，即得y(n)。
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1
计算卷积时，一般要分几个区间分别加以 考虑，下面举例说明。
例 已知x(n)和h(n)分别为：
1, 0 n 4 x(n) 0, 其它
an , 0 n 6
m0
m0
n
an am
m0
an
1 a (n1) 1 a1
1 a1n 1 a
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5
x(m)
(3)在4<n≤6区间上
4
y(n) x(m)h(n m)
m0
m 04
h(n-m)
卷积的几种计算方法以及程序实现FFT算法
e ( t 1) )u(t 2)
Made by 霏烟似雨
数字信号处理
ht 1
e
t 2
u (t ) u (t 2)
e t 1
e t u (t )
O
t
波形
O
2
t
2. 今有一输油管道，长 12 米，请用数字信号处理的方法探测管道内部的损伤，管道的损伤可能为焊 缝，腐蚀。叙述你的探测原理，方法与结果。 （不是很清楚） 探测原理：因为输油管道不是很长，可以考虑设计滤波器器通过信号测量来测试管道的损伤，当有 焊缝时，所接受的信号会有所损失，当管道式腐蚀时，由于管壁变得不再是平滑的时候，信号的频率 就会有所改变。
rk r ( k N / 2)
，则后半段的 DFT 值表达式：
X 1[
N N / 2 1 N / 2 1 r ( k ) N N rk k ] x1[r ]WN / 22 x1[r ]WN ， k ] X 2 [k ] （ k=0,1, … ,N/2-1 ） / 2 X 1[ k ] ，同样， X 2 [ 2 2 r 0 r 0
d it L Ri t et dt
t
t 2
u(t ) u(
i(t )
L 1H
2) 冲激响应为 h(t ) e u(t ) 3)
i(t ) e( ) h(t ) d
程序： function test x = rand(1 , 2 .^ 13) ; tic X1 = fft(x) ; toc tic X2 = dit2(x) ; toc tic X3 = dif2(x) ; toc tic X4 = real_fft(x) ; toc max(abs(X1 - X2)) max(abs(X1 - X3)) max(abs(X1 - X4)) return ; function X = dit2(x) N = length(x) ; if N == 1 X=x; else X1 = dit2(x(1:2:(N-1))) ; X2 = dit2(x(2:2:N)) ; W = exp(-1i * 2 * pi / N * (0:(N/2-1))) ; X = [X1 + W .* X2 , X1 - W .* X2] ; end return ;
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如果将参加卷积的一个函数看作区间的指示函数，卷积还可以被看作是“滑动平均”的推广。
求y1与y2两个多项式的乘积，即y=y1×y2=(2+x-2x^2)×(1+2x-x^2),求出的结果为y=2+5x-2x^2-5x^3+2x^4。转化成卷积结果为y(n)=[2,5,-2,-5,2]，即多项式乘积结果的系数。
假设两个求卷积的序列为x(n)=[2,1,-2]和h(n)=[1,2，-1]，求二者的卷积y(n)=x(n)*h(n)。
其实卷积的计算步骤和多项式乘法的计算步骤是一样的，把上面两个求卷积的序列转化成多项式，即y1=2+x-2x^2,多项式的零阶、一阶、二阶系数分别为x(n)的x(0),x(1),x(2)，同y2=1+2x-x^2,多项式的零阶、一阶、二阶系数分别为h(n)的h(0),h(1),h(2).