卷積與傅立葉變換
很多朋友和我一樣,工科電子類專業,學了一大堆訊號方面的課,什麼都沒學懂,背了公式考了試,然後畢業了。
先說"卷積有什麼用"這個問題。(有人搶答,"卷積"是為了學習"訊號與系統"這門課的後續章節而存在的。我大吼一聲,把他拖出去槍斃!)
講一個故事:
張三剛剛應聘到了一個電子產品公司做測試人員,他沒有學過"訊號與系統"這門課程。一天,他拿到了一個產品,開發人員告訴他,產品有一個輸入端,有一個輸出端,有限的輸入訊號只會產生有限的輸出。
然後,經理讓張三測試當輸入sin(t)(t<1秒)訊號的時候(有訊號發生器),該產品輸出什麼樣的波形。張三照做了,畫了一個波形圖。
"很好!"經理說。然後經理給了張三一疊A4紙: "這裡有幾千種訊號,都用公式說明了,輸入訊號的持續時間也是確定的。你分別測試以下我們產品的輸出波形是什麼吧!"
這下張三懵了,他在心理想"上帝,幫幫我把,我怎麼畫出這些波形圖呢?"
於是上帝出現了: "張三,你只要做一次測試,就能用數學的方法,畫出所有輸入波形對應的輸出波形"。
上帝接著說:"給產品一個脈衝訊號,能量是1焦耳,輸出的波形圖畫出來!"
張三照辦了,"然後呢?"
上帝又說,"對於某個輸入波形,你想象把它微分成無數個小的脈衝,輸入給產品,疊加出來的結果就是你的輸出波形。你可以想象這些小脈衝排著隊進入你的產品,每個產生一個小的輸出,你畫出時序圖的時候,輸入訊號的波形好像是反過來進入系統的。"
張三領悟了:" 哦,輸出的結果就積分出來啦!感謝上帝。這個方法叫什麼名字呢?"
上帝說:"叫卷積!"
從此,張三的工作輕鬆多了。每次經理讓他測試一些訊號的輸出結果,張三都只需要在A4紙上做微積分就是提交任務了!
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張三愉快地工作著,直到有一天,平靜的生活被打破。
經理拿來了一個小的電子裝置,接到示波器上面,對張三說: "看,這個小裝置產生的波形根本沒法用一個簡單的函式來說明,而且,它連續不斷的發出訊號!不過幸好,這個連續訊號是每隔一段時間就重複一次的。張三,你來測試以下,連到我們的裝置上,會產生什麼輸出波形!"
張三擺擺手:"輸入訊號是無限時長的,難道我要測試無限長的時間才能得到一個穩定的,重複的波形輸出嗎?"
經理怒了:"反正你給我搞定,否則炒魷魚!"
張三心想:"這次輸入訊號連公式都給出來,一個很混亂的波形;時間又是無限長的,卷積也不行了,怎麼辦呢?"
及時地,上帝又出現了:"把混亂的時間域訊號對映到另外一個數學域上面,計算完成以後再映射回來"
"宇宙的每一個原子都在旋轉和震盪,你可以把時間訊號看成若干個震盪疊加的效果,也就是若干個可以確定的,有固定頻率特性的東西。"
"我給你一個數學函式f,時間域無限的輸入訊號在f域有限的。時間域波形混亂的輸入訊號在f域是整齊的容易看清楚的。這樣你就可以計算了"
"同時,時間域的卷積在f域是簡單的相乘關係,我可以證明給你看看"
"計算完有限的程式以後,取f(-1)反變換回時間域,你就得到了一個輸出波形,剩下的就是你的數學計算了!"
張三謝過了上帝,保住了他的工作。後來他知道了,f域的變換有一個名字,叫做傅立葉,什麼什麼... ...
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再後來,公司開發了一種新的電子產品,輸出訊號是無限時間長度的。這次,張三開始學拉普拉斯了......
PS:
不是我們學的不好,是因為教材不好,老師講的也不好。
很欣賞Google的面試題: 用3句話像老太太講清楚什麼是資料庫。這樣的命題非常好,因為沒有深入的理解一個命題,沒有仔細的思考一個東西的設計哲學,我們就會陷入細節的泥沼: 背公式,數學推導,積分,做題;而沒有時間來回答"為什麼要這樣"。做大學老師的做不到"把厚書讀薄"這一點,講不出哲學層面的道理,一味背書和翻講ppt,做著枯燥的數學證明,然後責怪"現在的學生一代不如一代",有什麼意義呢?!