(整理)卷积运算及算法实现.

《数字信号处理》

课程设计报告

卷积运算及算法实现

专业：通信工程

班级：通信08-2BF

组次：第10组

姓名：周杰

学号：14082300925

卷积运算及算法实现

一、 设计目的

卷积运算是一种有别于其他运算的新型运算，是信号处理中一种常用的工具。随着信号与系统理论的研究的深入及计算机技术发展，卷积运算被广泛地运用到现代地震勘测，超声诊断，光学诊断，光学成像，系统辨识及其他诸多新处理领域中。了解并灵活运卷积运算用去解决问题，提高理论知识水平和动手能力，才是学习卷积运算的真正目的。通过这次课程设计，一方面加强对《数字信号处理》这门课程的理解和应用，另一方面体会到学校开这些大学课程的意义。

二、设计任务

探寻一种运算量更少，算法步骤更简单的算法来实现卷积运算，文中主要通过阶梯函数卷积计算方法和斜体函数卷积计算方法对比来得出最终结论。

三、设计原理

1，什么是卷积？

卷积是数字信号处理中经常用到的运算。其基本的表达式为：

()()()∑=-=

n

m m n x m h n y 0

换而言之，假设两个信号f 1(t)和f 2(t)，两者做卷积运算定义为 f(t)

d 做一变量代换不难得出：

f(t) d =f 1(t)*f 2(t)=f 2(t)*f 1(t)

在教材上，我们知道用图解法很容易理解卷积运算的过程，在此不在赘述。 2，什么是阶梯函数

所谓阶梯函数，即是可以用阶梯函数u(t) 和u(t-1)的线性组合来表示的函数，可以看做是一些矩形脉冲的集合，图1-1给除了两个阶梯函数的例子。

1—1

其中

f(t)=2u(t)+u(t-1)-2u（t-2）-u(t-3),

h(t)= 2u(t)-u(t-1)+2u(t-2)-3u(t-3).

以图1—1中两个阶梯函数为例介绍本文提出的阶梯函数卷积算法。

根据卷积的性质（又称为杜阿美尔积分），上述f(t)与h(t)的卷积等于f(t)的导数与h(t)的积分的卷积，即：

f(t)*h(t)=*

由于f(t)为阶梯函数，因此其导数也为冲击函数及其延时的线性组合，

如图1—2（a）

所示。

1—2

由于h(t)也为阶梯函数，所以其积分也能方便地求得，其值为阶

梯函数图像下方的面积，记作为H(t),如图1—2(b)所示：

冲击函数与其它函数的卷积有如下的关系：*f(t)=f(t-T),

因此f(t)*h(t)=2H(t)+2H(t-1)-H(t-2)-H(t-3).

即f(t)和(t)的卷积等于H(t)及其延时的线性组合，如图1-3所示：

1—3

从以上分析可以看到，两个阶梯函数的卷积等于其中一个函数的积分H(t)及其延迟H(t)的线性组合，组合系数对应于各个冲击函数的系数。

对于任意函数的卷积，可以先将他们的用矩形脉冲函数来逼近只要时间间隔足够小就能达到足够的逼近精度。逼近所得到的函数即为阶梯函数，然后又采用上述方法即可得到任意两个函数的卷积。

假设要计算任意两个函数的卷积:y(t)=x(t)*h(t)

其中x(t),h(t)可谓无限长，分别如图1—4（a）,(b)所示。

现将x(t)和h(t)在0到t的区间用宽度为的矩形脉冲来近似的代替（显然越小，逼近的精度越高，每一个矩形脉冲的高度分别等于该脉冲前沿的函数

值。也就是说，用阶梯形曲线x

n (t)近似地代替x(t)的曲线，用h

n

(t)近似的代

替h(t)(如图1—4)。每一个矩形脉冲可用阶跃函数鄙视如下表2—1,2—2.

表达式又可以写成如下形式：

x(t)= 1—2

h(t)= 1—3

对式（2）求微分有：

x(t)= 1--4

设t=k对式求积分有： 1—5

令H(t)=则和如图 —所示：

1—5 x(t),h(t)的微积分

1—6 x(t),h(t)的卷积过程

由y(t)=x(t)*h(t)=x’*H(t)得到

Y(k)= 1—6

由图1—6(a)可以看出如果计算从t=0至t=k的N点的x(t)和h(t)的卷积，需要H(t)和x’(t)对应的个点分别相乘，由于H(t)和x’(t)也为N点序列，所以共需要N2次乘法，属于有效乘法，因为按照卷积定义直接计算也是N2次乘法。3，什么是斜梯函数？

所谓斜梯函数，表现为一条折线的形式，用诸如at+b形式的段组合在一起表示的函数。图3—1给出了输入函数为斜梯函数的例子。

3—1

其中f(t)=t[u(t)-u(t-1)+u(t-1)+

(0.5t+0.5)[u(t-1)-u(t-2)]+(-1.5t+4.5)[u(t-2)-u(t-3),

h(t)=3t[u(t)-u(t-1)+(-t+4)[u(t-1)-u(t-2)]+(-2t+6)[u(t-2)-u(t-3)] 根据卷积的性质，上述f(t)和h(t)的卷积等于f(t)的二次导数与h(t)的二重积分的卷积【1】，即：

由于f(t)为斜梯函数，因此其导数变为阶梯函数u(t)及其延时的线性组合，

=u(t)-0.5u(t-1)-2u(t-2),如图3—2(a)所示。

3—2

由于h(t)也为斜梯函数，所以其积分也能方便的求得，其值为折

现函数图象下方的面积，记作为h(-1)(t),如图3—2(b)所示。此时已经与阶梯函数卷积计算方法类似了，只是对于h(-1)(t)其为一二次曲线，继续求积分比较困难，实际应用中其可以用折现计算，从而引入一定的误差，这也是采用次逼近所付出的代价。

接下来对f(t)和h(-1)(t)再次进行微分与积分处理，则f’’(t)变为冲击脉冲序列，如图3—3(a)所示，h(-2)(t)用对应折线下的买年纪也可算得对应如图3—3(b)所示。

3—3斜梯函数的二次微积分

假设要计算任意函数的卷积：y(t)=x(t)*h(t)

其中x(t),h(t)可谓无限长，分别如图3—4（a）,(b)所示。

3—4 连续时间函数

对上述x(t)和h(t),用宽度为的梯形脉冲函数逼近，x(t)和h(t)就转化为斜梯函数，顾客用折现函数及其延时的线性组合表示，如图3—4(a),(b)中虚线所示。

x(t)=t+c

1

][u(t-m)-u(t-(m+1) 2—2

h(t)=t+c

1

][u(t-n)-u(t-(n+1) 2—3

此处c

1,c

2

为常数，由于球x(t)和h(t)的微积分时，与此常数无关，所以此

处可不必求出。

对式子2—2，求微分有：

x’(t)=t+c

1

][u(t-m)-u(t-(m+1) 2—4 设t=k对 —式求积分有：

2—5 则 x’(t)和h’(t)如图2—5(a),(b)所示:

3—5 斜梯函数的一次微分与积分

X’’(t)= 2—6 H(-2)(t)=2[2(n-1)h(0)+ 2—7 式2—6,2—7如下图3—6所示。

3—6 斜梯函数的二次额积分

令H(k=h(-2)(t),

2—7 x(t)和h(t)的卷机过程

由 y(t)=x(t)*h(t)=x’’(t)*H(t)得

Y(k)=. 2—8

由图2—7 可以清楚的看出如果计算从0到k的也为N点序列，所以共需要N2次乘法，属于有效算法。

四、设计过程

假设有有一DSP系统，如果激励信号的的波形如图4—1所示，定义的时间

区间是(t

0,,t)，表示从t

到t之前的任意时刻。对于任意输入信号的作用，可

以看成是一系列具有相同宽度的矩形脉冲用近似表示e().把时间区间(t

0,

,t)分

成相等的几段，每段宽度为，即t

1-t

=t

2

-t

1

=t

k+1

-t

k

=…=.因此e()可以用图中

的阶梯曲线来近似表示，即可以看成是一系列的矩形脉冲的合成。这一系列的矩形脉冲可以通过单位脉冲函数和延迟的单位脉冲函数，即P)和P)来表示。因此可以用上述矩形脉冲表示e(即

e(

0)P(-

)+e(t

1

)P(-

1

)+ e(t

2

)P(-

2

)+

…e(t

k )P(-

k

)+…e(t

n-1

)P(-

n-1

)

2--9

输入信号P)后，其响应为h)对每一延迟的矩形脉冲P),在时刻t观察到的相应的响应应为h(t-t

k

),

e(t

k )P(-

k

)的响应应该为e(t

k

)h(-

k

),所以2—9式的输出信号应该为： r t- t k)

为了保证e()的阶梯矩形近似更接近真实e()，令t

到t区间的脉冲数不

断增加。当t→时，→，每个单位矩形脉冲变成冲击函数，h变成了冲击函数h，e变成了原来的激励e()，响应r则变成了对应原激励的响应,

同时上式的求和也变成了积分，t

k

变成了连续变量，则变成了,于是有 r(t)=

其中t

0为任意激励施加的时刻，t为待求响应对应的时刻。特别的，当t

=0

时，有

r(t)= 2—10

式子1—10所示的积分就是卷积的积分。因此，只要知道系统的冲击响应，对于任意的激励信号e(t)的作用，都可根据卷积的积分求出响应。

对于更为复杂的二阶系统，运用这种方法更能看出其优势，由于计算过程大致类似，我们应用MATLAB自带的命令计算结果绘制于4—2图中

4—2 三种算法的比较

当采样精度为0.5时，他们的结果相当接近，精度得到了保证。当进一步提高采样率，结果更加精确了，已经能够满足实际需求。

五、收获与体会

通过此次的课程设计，加深了我们对卷积的理解，也了解到了更多的卷积算法，也锻炼了我们查询资料，从所获取的资料中提取有用的知识的能力。课程设计中的实验验证过程，写得有点草率，但是事出有因，以后我会吧验证过程写得更详尽，到位。总而言之，收获颇多，做课程设计是一种运用学过的知识的过程，应当多做。

序列的卷积和快速卷积运算的编程实现

1.MATLAB简介 MATLAB软件由美国Math Works公司于1984年推出，经过不断的发展和完善，如今己成为覆盖多个学科的国际公认的最优秀的数值计算仿真软件。MATLAB 具备强大的数值计算能力，多复杂的计算问题只需短短几行代码就可在MATLAB 中实现。作为一个跨平台的软件，MATLAB已推出Unix、Windows、Linux和Mac 等十多种操作系统下的版本，大大便了在不同操作系统平台下的研究工作。 MATLAB软件具有很强的开放性和适应性。在保持核不变的情况下，MATLAB 可以针对不同的应用学科推出相应的工具箱(toolbox)，目前己经推出了图象处理工具箱、信号处理工具箱、小波工具箱、神经网络工具箱以及通信工具箱等多个学科的专用工具箱，极便了不同学科的研究工作。国已有越来越多的科研和技术人员认识到MATLAB的强大作用，并在不同的领域使用MATLAB来快速实现科研构想和提高工作效率。 MATLAB提供了20类图像处理函数,涵盖了图像处理的包括近期研究成果在的几乎所有的技术法,是学习和研究图像处理的人员难得的宝贵资料和加工工具箱。这些函数按其功能可分为:图像显示;图像文件I/O;图像算术运算;几变换;图像登记;像素值与统计;图像分析;图像增强;线性滤波;线性二元滤波设计;图像去模糊;图像变换;邻域与块处理;灰度与二值图像的形态学运算;结构元素创建与处理;基于边缘的处理;色彩映射表操作;色彩空间变换;图像类型与类型转换。 MATLAB的应用领域十分广阔，典型的应用举例如下： (1) 数据分析 (2) 数值与符号计算； (3) 工程与科学绘图； 4) 控制系统设计； (5) 航天工业； (6) 汽车工业； (7) 生物医学工程； 8) 语音处理； (9) 图像与数字信号处理；

卷积计算

卷积计算

实验二卷积计算及定理 一、授课目的 利用卷积方法观察分析信号、系统的频谱特性 二、授课内容 1、卷积计算 在MATLAB 中，提供了卷积函数conv，即y=conv(x,h)，调用十分方便。 n=1:50; % 定义序列的长度是50 hb=zeros(1,50); % 注意：MATLAB 中数组下标从1 开始 hb(1)=1; hb(2)=2.5; hb(3)=2.5; hb(4)=1; close all; subplot(3,1,1);stem(hb);title('系统hb[n]'); m=1:50; % 定义序列的长度 T=0.001; % 定义序列的采样率 A=444.128; %设置信号有关的参数 a=50*sqrt(2.0)*pi; w0=50*sqrt(2.0)*pi; x=A*exp(-a*m*T).*sin(w0*m*T); %pi 是MATLAB 定义的π，信号乘可采用“.* ”subplot(3,1,2);stem(x);title('输入信号x[n]'); y=conv(x,hb); subplot(3,1,3);stem(y);title('输出信号y[n]');

2、卷积定律验证 (1) n=1:50; % 定义序列的长度是50 hb=zeros(1,50); % 注意：MATLAB 中数组下标从1 开始 hb(1)=1; hb(2)=2.5; hb(3)=2.5; hb(4)=1; m=1:50; % 定义序列的长度 T=0.001; % 定义序列的采样率 A=444.128; %设置信号有关的参数 a=50*sqrt(2.0)*pi;

matlab实现卷积运算

2、试求下列图片的卷积波形12()()f t f t * 2() f t t 1 -1 1() f t t 1 -1 列出编程步骤： p=0.01; k1=0:p:1; f1=ones(1,length(k1)); k2=-1:p:1; f2= (k2+1).*(k2<0)+(-k2+1).*(k2>=0); [f,k]=sconv(f1,f2,k1,k2,p) function [f,k]=sconv(f1,f2,k1,k2,p) 3、试求下列图片的卷积波形12()()f t f t *

1() f t t 1 0.5- 2() f t t 12 1 p=0.01; k1=-0.5:p:1; f1=ones(1,length(k1)); k2=0:p:2; f2= 0.5*k2; [f,k]=sconv(f1,f2,k1,k2,p) 4、试求下列图片的卷积波形12()()f t f t *

1() f t t 2 2 - 2() f t t 3-2 -3 21 p=0.01; k1=-2:p:2; f1= (k1==-2)+(k1==2); k2=-3:p:3; f2=(k2+3).*(k2<-2)+(-k2-1).*(k2>=-2).*(k2<=-1)+(k2-1).*(k2>=1).*(k2<=2)+(-k2+3).*(k2>2); [f,k]=sconv(f1,f2,k1,k2,p); 5、试求下列图片的卷积波形12()()f t f t *

1() f t t 5 -5 33 -2() f t t 3 -2 -3 21 p=0.01; k1=-10:p:10; f1=(k1>=-5).*(k1<=-3)+(k1>=3).*(k1<=5); k2=-3:p:3; f2=(k2+3).*(k2<-2)+(-k2-1).*(k2>=-2).*(k2<=-1)+(k2-1).*(k2>=1).*(k2<=2)+(-k2+3).*(k2>2); [f,k]=sconv(f1,f2,k1,k2,p);

利用傅立叶变换计算线性卷积

实验一 利用傅立叶变换计算线性卷积 一、实验目的 1． 掌握MATLAB 的使用。 2． 掌握用直接法计算线性卷积的原理和方法 3． 掌握利用FFT 及IFFT 计算线性卷积的原理和方法 二、实验原理及方法 1、线性卷积的定义 序列)1N n 0(),n (x -≤≤和序列)1M n 0(),n (h -≤≤的线性卷积y(n)=x(n)*h(n)定义为： 10),()()(1 0-+≤≤-?= ∑-=M N n m n h m x n y N m 利用直接法计算线性卷积即用线性卷积的定义计算。 2、利用FFT 及IFFT 计算线性卷积的原理和方法 如果将序列x(n)和h(n) 补零，使其成为长度为L 的序列(L>=N+M-1), 则x(n)与h(n)的线性卷积y(n)=x(n)*h(n)与L 点圆周卷积相等，而圆周卷积可采用FFT 及IFFT 完成，即求y(n)=x(n)*h(n)可转化为： 对上式两端取FFT 得： Y(k)=X(k)H(k) 其中：X(k)=FFT[x(n)], H(k)=FFT[h(n)] 则：y(n)=IFFT[Y(k)] 三、实验仪器及材料 ⒈ 计算机，并装有MATLAB 程序 ⒉ 打印机

四、实验步骤 1、已知两序列： ???>≤≤=3n ; 03n 0;)5/3()n (h n 用Matlab 随机生成输入信号X （n ），范围为0~2； 2、得出用直接法（定义）计算线性卷积y(n)=x(n)*h(n)的结果； 3、用Matlab 编制利用FFT 和IFFT （圆周卷积）计算线性卷积y(n)=x(n)*h(n)的程序； 分别令圆周卷积的点数为L=5，7，8，10，打印结果。 4、对比直接法和圆周卷积法所得的结果。 五、实验说明: 1、实验前复习线性卷积,圆周卷积及FFT 内容。 2、利用FFT 计算线性卷积是将x(n)、h(n)用补零的方法延长到N+M-1，再用圆周卷积完成，因此要求x(n)、h(n)延长后的长度满足L>=N+M-1，才能保证用圆周卷积计算结果与直接法计算结果相同。 六、分析整理实验数据，写出实验报告 实验报告要求： 1、 手工计算两序列的线性卷积，并与计算机的结果比较，以验证手工计算的正确性。 2、 令L=5，用已编制好的程序分别采用直接法和FFT 法对两序列计算线性卷积y(n)=x(n)*h(n)，并打印结果。 3、 令L=7，8，10，用已编制好的程序分别采用直接法和FFT 法对两序列计算线性卷积y(n)=x(n)*h(n)，并对比所得的结果，打印L=7，8，10的结果。 4、 打印程序. 七、思考题 说明为什么L=7，8，10时采用直接法和FFT 法对两序列计算线性卷积y(n)=x(n)*h(n)的结果相同，而与L=5时计算结果不同？ 附录：

卷积运算及算法的DSP实现

《现代信号处理课程设计》课程设计报告 设计题目卷积运算及算法的DSP实现

目录 第1章总序 (3) 1.1设计目的与背景.......................................错误！未定义书签。 1.2设计要求.............................................错误！未定义书签。 1.3设计思路简介.........................................错误！未定义书签。 第2章系统开发平台与环境.................................错误！未定义书签。 2.1CCS开发环境.........................................错误！未定义书签。 2.2ICETEK-F2821-A开发实验板............................错误！未定义书签。 第3章卷积算法设计过程 ...............................错误！未定义书签。 3.1卷积算法设计总框图 .................................错误！未定义书签。 3.2卷计算法设计的原理 .................................错误！未定义书签。

第4章系统软件设计.......................................错误！未定义书签。 4.1程序流程图 ...........................................错误！未定义书签。 4.2程序源代码 ...........................................错误！未定义书签。 第5章系统仿真..........................................错误！未定义书签。 5.1仿真设置............................................错误！未定义书签。 5.2仿真图..............................................错误！未定义书签。 第6章总结..............................................错误！未定义书签。 参考文献.................................................错误！未定义书签。 第1章绪论 1.1设计目的与背景 1）设计背景 卷积是在信号与线性系统的基础上或背景中出现的，脱离这个背景单独谈卷积是没有任何意义的，除了那个所谓褶反公式上的数学意义和积分（或求和，离散情况下）。

序列的卷积和快速卷积运算的编程实现

课程设计任务书 学生姓名：韩新颖专业班级：电信1203班 指导教师：阙大顺王虹工作单位：信息工程学院 题目: 序列的卷积和快速卷积运算的编程实现 初始条件： 1.Matlab6.5以上版本软件； 2.课程设计辅导资料：“Matlab语言基础及使用入门”、“数字信号处理原理与实现”、“Matlab及在电 子信息课程中的应用”等； 3.先修课程：信号与系统、数字信号处理、Matlab应用实践及信号处理类课程等。 要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1.课程设计时间：1周（课内实践）； 2.课程设计内容：序列的卷积和快速卷积运算的编程实现，具体包括：直接卷积及应用、快速卷积方 法及实现、两者的比较分析等； 3.本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目进行理论分析，针对具体设 计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析，画出程序设计框图，编写程序代码（含注释），上机调试运行程序，记录实验结果（含计算结果和图表），并对实验结果进行分析和总结； 4.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括： ①目录； ②与设计题目相关的理论分析、归纳和总结； ③与设计内容相关的原理分析、建模、推导、可行性分析； ④程序设计框图、程序代码（含注释）、程序运行结果和图表、实验结果分析和总结； ⑤课程设计的心得体会（至少500字）； ⑥参考文献； ⑦其它必要内容等。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日

摘要 卷积在数字信号处理中有着重要的作用。然而直接计算卷积的运算量非常大，它与序列长度的平方成反比，因此制约了卷积的应用。快速卷积是实现卷积的一种快速算法，减少了运算量，节约了时间。通过分析我们可在MATLAB里编程实现。 关键词：卷积；快速卷积；MATLAB。

关于卷积计算

这里说到的卷积计算，只是指我们对图像进行某种滤波处理或者是边缘检测、锐化等应用要用到的运算。通常，要进行卷积的话就必须要有一个模板（掩模），这些模板的实际就是在卷积计算是所用到的点乘系数，下面会详细说明。当然，以上说的只是一种理解，而不是卷积本身的概念。下面举例说明一下卷积运算。 假设一图像（矩阵）为： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 现在要对其进行锐化，采用用Roberts 算子和Sobel 算子，其中Roberts 算子 采用的计算模板为 ，根据其计算公式，以上述中的图（矩阵）的中间的点（5）为例，该点用Roberts 的模板计算过程如下： g(i,j) = |-5 + 9| + |-6 + 8| = 4 + 2 = 6,也就是说，5 这点通过卷积计算之后的值为6。在计算的时候，只要把矩阵中的点与模板的点一一对应即可： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 在要进行处理的点5中，对应模板上的位置，就得出5的系数是-1,6和8的系数是0，9的系数是1（针对x 模板而言，如果是针对y 模板，则5和9的系数是0，6的系数是-1，8的系数是1），然后求两模板运算结果的绝对值之和，参照Robert 算子的公式。 然后到Sobel 算子，它的模板比Roberts 的要复杂一些，但运算的方法是一样的。 采用上面所说的对应方法，根据dx 和dy ，可得1和7的系数是-1, 4的系 数是-2，6的系数是2，3和9的系数是1，其余为0（针对x 模板），Sobel 算子的Roberts 最大的一个不同就是，前者计算的当前位置是模板的中心位置，后者计算的当前位置是左上角，一般来说，模板采取都是m ×m （m 是奇数），所以大部分模板的计算当前位置都是模板的中心位置（我们接触到的模板就只有Robert 算子不是奇数×奇数的）。至于模板，题目应该会给定，但上面所说到的这两个模板，大家最好还是记一记。而在空间平滑滤波增强中，中值滤波和邻域平均，这两者与卷积的计算有相似之处，但卷积是不同的。其中两者同样具有模板的概念，但中值滤波只是在模板覆盖的点里求中值，领域平均则是求平均值，具体参看书本60页到64页。。 (,)|(1,1)(,)||(1,)(,1)| g i j f i j f i j f i j f i j =++-++-+??????????---=101202101x d ??????????---=121000121y d

基于DSP的卷积算法的实现

DSP课程考核论文 课程名称：DSP原理与应用教程 题目：基于DSP的卷积算法的实现 专业： 班级： 姓名： 学号： 目录 摘要 (3) 绪论 (3)

课程设计方案及原理 (3) 课程设计步骤及过程 (10) 总结 (16) 参考文献 (16) 基于DSP的卷积算法的实现 摘要:卷积和（简称卷积）是信号处理中常用的算法之一。数字卷积运算通常采用两种方法：线性卷积和圆卷积。为了能使卷积运算在C54x系列DSP上的实现方法，首先要对数字卷积的基本概念作深入了解。使大家从根本上掌握卷积的实现方法，我们以模拟信号的卷积和数字信号的卷积为主，以及他们在C54x系列DSP上的实现方法。 绪论：在通信和信号处理中，常用的运算，如卷积，自相关，滤波和快速傅里叶交换等。都具有较高的密度性和复杂性，而这些运算中所用到的最基本的是乘法-累加运算。C54x的硬件及软件设计使其具有快速的进行乘法-累加运算功能，并具有丰富的软件资源为这些算法的实施提供有力的条件。因此，这种芯片在通信及信号处理等领域得到广泛的应用。本节主要介绍卷积算法在DSP原理中的应用。 课程设计方案及原理 一、实验目的 1．掌握用窗函数法设计卷积算法的原理和方法； 2．熟悉卷积算法特性；

3．了解各种窗函数对卷积算法的影响。 二、实验设备 计算机，Code Composer Studio 2.0 for ’C5000系统。 三、实验原理 1．卷积的基本原理和公式 卷集和：对离散系统“卷积和”也是求线性时不变系统输出响应（零状态响应）的主要方法。 卷积和的运算在图形表示上可分为四步： Y(n)= ∑X(m)h(n?m)=X(n)*h(n) m=?∞ 1）翻褶先在哑变量坐标M上作出x(m)和h(m)，将m=0的垂直轴为轴翻褶成h(-m)。 2）移位将h(-m)移位n，即得h(n-m)。当n为正整数时，右移n位。当n为负整数时，左移n位。 3）相乘再将h(n-m)和x(m)的相同m值的对应点值相乘。 4）相加把以上所有对应点的乘积叠加起来，即得y(n)值。 依上法，取n=…,-2,-1,0,1,2,3,…各值，即可得全部y(n)值。 2.程序流程图

利用FFT计算卷积

利用FFT 计算卷积 一．线卷积的作用及定义 线卷积包括卷积积分和卷积和。 1．线卷积的作用 求解线性系统对任意激励信号的零态响应。 2．卷积积分 ) (*)(d )()()(t h t x t h x t y =-= ? ∞∞ -τττ 3．卷积和 离散系统的时域分析是，已知离散系统的初始状态和输入信号（激励），求离散系统的输出（响应），两种方法：递推解法和离散卷积法。 卷积和：)()()()()(n h n x m n h m x n y m *=-= ∑ ∞ -∞ = 二．圆周卷积的定义 圆周移位：一周期为N 的周期序列, 可视为一主值序列在圆周上的循环移位。周期序列在时间轴上左移 右移m 反时针 转称为圆周移位。 时域圆周卷积（循环卷积） )()()(n h n x n y ?=()()()∑ -=-= 1 )(N m N N n R m n h m x 条件：两序列实现圆卷积的条件是：长度相等，如果不相等, 可通过增补零值来使之相等。 特点：卷积求和范围只在10-≤≤N m 有限区间进行；卷积时不作反褶平移, 而是反褶圆移 步骤：量置换→反褶→圆移→相乘→求和。 三．两者的关系 有限长序列的圆卷积和线卷积的关系 在一般情况下，两序列的圆卷积和线卷积是不相等的，这是因为：线卷积是

平移, 结果长度为121-+=N N L ；而圆卷积是圆移，结果长度为2 1 N N L ==。只有 在两卷积的结果长度相时，二者才有相同的结果。解决方法是：在作圆卷积时，通过加零的方法，使两序列的长度都增加到121-+=N N L ，此时，圆卷积的结果和线卷积同。 四．利用FFT 计算卷积 工程实际需要解决的卷积：)()()(n h n x n y *=，但其计算量很大。 而圆卷积为：)()()(n h n x n y ?=，便于采用FFT 算法, 故计算速度快。若将线卷积的两个序列用增补零的方法将长度取为一致，此时两序列的离散线卷积和圆周卷积结果是相等的，这样就则可以通过圆卷积来快速计算线卷积。 1、 利用FFT 计算卷积的步骤 （1）设两序列原长度分别为：N 和M ，将长度增加到1-+≥M N L （L 为2的整数次幂）； （2）用FFT 法求加长序列的DFT 频谱； （3）计算两序列DFT 频谱的乘积； （4）用IFFT 求DFT 频谱乘积的逆变换，便得两序列的离散线卷积。 2、分段快速卷积 设)(n x 为长序列，)(n h 为短序列，长度为M ，则两序列的离散线卷积可以写成如 下 形 式 ， ∑∑∑-=-+=-=+-+ +-+ -= *=1 1 )1(1 2)()()()()()()()()(N m n K kN m N N m m N h m x m N h m x m N h m x n h n x n y 上述每个子段长度为N 。为便于圆卷积计算，将长度通过补零加长为：1-+=M N L x (n 0 n h (n 根据各子段()n x k 增补零的部位不一样而分两种算法。

重叠相加法实现卷积

设计任务 计算1个给定序列与输入序列的卷积。 功能：对给定的数据进行卷积运算，要求分段卷积由循环卷积实现。要求设计有数据导入界面，各种参数从软件界面可以输入，其中给定序列可以由界面输入，对运算前后的数据绘制曲线。 要求： 1)初步完成总体设计，搭好框架，确定人机对话的界面，确定函数功能，控 制参数的输入方法； 2)设计线性卷积的实现方案； 3)编写两序列作循环卷积的程序； 4)通过直接做线性卷积来检验最后结果。 设计步骤： 1)用结构化设计方法。一个程序划分成若干模块，每一个模块的函数功能要 划分好，总体设计应画出流程图； 2)输入输出界面要友好； 3)源程序书写要规，加必要的注释； 4)要提供通过直接卷积进行检验的结果； 5)程序一定要要能运行起来。

一、原理 1、算法产生背景 DFT 是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的。DFT 具备明确且合理的物理含义，适合应用于数字系统，同时可以方便地由计算机进行运算。 对于线性非移变离散系统，可由线性卷积表示时域输入输出关系，即 y(n)=x(n)*h(n) 通常采用循环卷积降低运算量，但实际中往往无法满足对信号处理的实时性要求。因此，产生了重叠相加法和重叠保留法两种典型的算法，用以快速计算线性卷积，成为了DFT 的一个重要应用。 2、算法基本思想 重叠相加法是将待过滤的信号分割成长为 N 的若干段，，每一段都可以和有限时宽单位取样回应作卷积，再将过滤后的各段重叠相加。 在实际应用中利用FFT来计算两个序列的圆周卷积从而实现计算其线性卷积，但是常遇到的问题是参加卷积的两个序列的长度相差较大，这样长度小的序列就需要补很多的零点，这样就需要大的存储量，运算时间也会变长。所以常用重叠相加法来解决。 如以下情况： h(n)长度为N，x(n)长度为无限长 x(n)取M点，且与N尽量接近 可采用如下方法来解决

卷积的快速算法++教程文件

《数字信号处理》 课程设计报告 专业：通信工程 班级：通信08-2BF 组次：第10组 姓名： 学号：14082300925

一、 设计目的 卷积运算是一种有别于其他运算的新型运算，是信号处理中一种常用的工具。随着信号与系统理论的研究的深入及计算机技术发展，卷积运算被广泛地运用到现代地震勘测，超声诊断，光学诊断，光学成像，系统辨识及其他诸多新处理领域中。了解并灵活运卷积运算用去解决问题，提高理论知识水平和动手能力，才是学习卷积运算的真正目的。通过这次课程设计，一方面加强对《数字信号处理》这门课程的理解和应用，另一方面体会到学校开这些大学课程的意义。 二、设计任务 探寻一种运算量更少，算法步骤更简单的算法来实现卷积运算，文中主要通过阶梯函数卷积计算方法和斜体函数卷积计算方法对比来得出最终结论。 三、设计原理 1，什么是卷积？ 卷积是数字信号处理中经常用到的运算。其基本的表达式为： ()()()∑=-= n m m n x m h n y 0 换而言之，假设两个信号f 1(t)和f 2(t)，两者做卷积运算定义为 f(t) d 做一变量代换不难得出： f(t) d =f 1(t)*f 2(t)=f 2(t)*f 1(t) 在教材上，我们知道用图解法很容易理解卷积运算的过程，在此不在赘述。 2，什么是阶梯函数 所谓阶梯函数，即是可以用阶梯函数u(t) 和u(t-1)的线性组合来表示的函数，可以看做是一些矩形脉冲的集合，图1-1给除了两个阶梯函数的例子。

1—1 其中 f(t)=2u(t)+u(t-1)-2u（t-2）-u(t-3), h(t)= 2u(t)-u(t-1)+2u(t-2)-3u(t-3). 以图1—1中两个阶梯函数为例介绍本文提出的阶梯函数卷积算法。 根据卷积的性质（又称为杜阿美尔积分），上述f(t)与h(t)的卷积等于f(t)的导数与h(t)的积分的卷积，即： f(t)*h(t)=* 由于f(t)为阶梯函数，因此其导数也为冲击函数及其延时的线性组合， 如图1—2（a） 所示。

线性卷积运算课程设计

索引 一、实验原理 (1) 1、算法产生背景 (1) 2、算法基本思想 (1) 1）重叠相加法 (1) 2）重叠保留法 (2) 二、流程图设计 (3) 1、重叠相加法 (3) 2、重叠保留法 (4) 三、MATLAB源代码 (5) 1、重叠相加源码 (5) 2、重叠保留源码 (6) 四、实验结果与分析 (7) ①调用CONV()计算 (7) ②测试重叠相加算法 (7) ③测试重叠保留算法 (7) 五、讨论与总结 (8) 1、算法效率分析： (8) A.重叠相加法 (8) B.重叠保留法 (9) C.调用conv() (10) D.综合对比分析 (11) 2、故障和问题分析 (12) ①分段问题 (12) ②运算完整性问题 (12) ③算法硬件实现 (12)

一、实验原理 1、算法产生背景 DFT是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的。DFT 具备明确且合理的物理含义，适合应用于数字系统，同时可以方便地由计算机进行运算。 对于线性非移变离散系统，可由线性卷积表示时域输入输出关系，即 y n x n h n ()()*() 通常采用循环卷积降低运算量，但实际中往往无法满足对信号处理的实时性要求。因此，产生了重叠相加法和重叠保留法两种典型的算法，用以快速计算线性卷积，成为了DFT的一个重要应用。 2、算法基本思想 1）重叠相加法 重叠相加法是将待过滤的信号分割成长为N的若干段，如图1所示，每一段都可以和有限时宽单位取样响应作卷积，再将过滤后的各段重叠相加。 具体算法实现原理如图2所示，建立缓存序列，每次输入N点序列，通过计算x(n)和h(n) 的循环卷积实现线性卷积运算，将缓存的M-1点序列和卷积结果相加，并输出 前N点作为计算结果，同时缓存后M-1点，如此循环，直至所有分段计算完毕，则输 出序列y(n)为最终计算结果。

二维矩阵卷积的并行计算方法

第52卷第3期2018年3月浙 江 大 学 学 报(工学版)J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y (E n g i n e e r i n g S c i e n c e )V o l .52N o .3M a r .2018 收稿日期:20170304.网址:w w w.z j u j o u r n a l s .c o m /e n g /f i l e u p /H T M L /201803013.h t m 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60133007,61572025);国家重点研发计划资助项目(2016Y F B 0200401). 作者简介:张军阳(1987 ),男,博士生,从事体系结构二机器学习二嵌入式系统研究.o r c i d .o r g /0000-0002-2993-4494.E -m a i l :z h a n g j u n y a n g 11@n u d t .e d u .c n 通信联系人:郭阳,男,教授.o r c i .o r g /0000-0003-1600-4666.E -m a i l :g u o y a n g @n u d t .e d u .c n D O I :10.3785/j .i s s n .1008-973X.2018.03.013二维矩阵卷积的并行计算方法 张军阳,郭阳,扈啸 (国防科技大学计算机学院,湖南长沙410073 )摘 要:为了提高卷积神经网络模型中二维矩阵卷积的计算效率,基于F T 2000多核向量处理器研究二维矩阵卷积 的并行实现方法.通过使用广播指令将卷积核元素广播至向量寄存器,使用向量L O A D 指令加载卷积矩阵行元素,并通过混洗操作将不易并行化的矩阵卷积操作变成可以向量化的乘加操作,实现了通过减少访存二充分复用已取数 据的方式来提高算法的执行效率.设计卷积矩阵规模变化二卷积核规模不变和卷积矩阵规模不变二卷积核规模变化2种常用矩阵卷积计算方式,并对比分析不同计算方式对算法执行效率的影响.基于服务器级多核C P U 和T I 6678进 行实验对比,实验结果显示,F T 2000比多核C P U 及T I 6678具有更好的计算优势,相比多核C P U 最高可加速11974 倍,相比T I 6678可加速21倍.关键词:矩阵卷积;向量处理器;并行算法;性能优化;卷积神经网络 中图分类号:T P391 文献标志码:A 文章编号:1008973X (2018)03051509 P a r a l l e l c o m p u t i n g m e t h o d f o r t w o -d i m e n s i o n a lm a t r i x c o n v o l u t i o n Z H A N GJ u n -y a n g ,G U O Y a n g ,HU X i a o (C o l l e g e o f C o m p u t e r ,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s eT e c h n o l o g y ,C h a n g s h a 410073,C h i n a )A b s t r a c t :A p a r a l l e l i m p l e m e n t a t i o nm e t h o db a s e do nm u l t i -c o r e v e c t o r p r o c e s s o rF T 2000w a s p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e c o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c y o f t w o -d i m e n s i o n a lm a t r i x c o n v o l u t i o n i n c o n v o l u t i o nn e u r a l n e t w o r k m o d e l .T h e c o n v o l u t i o nk e r n e l e l e m e n tw a s b r o a d c a s t t o v e c t o r r e g i s t e r b y u s i n g b r o a d c a s t i n s t r u c t i o n ;t h e r o we l e m e n t s o f t h e c o n v o l u t i o nm a t r i xw e r e v e c t o r l o a d e d .W i t h s h u f f l e o p e r a t i o n ,t h e o p e r a t i o n o fm a t r i x c o n v o l u t i o n ,w h i c h i sh a r dt ob e p a r a l l e l l e d ,c a nb ev e c t o r i z e db y u s i n g m u l t i p l y -a d do p e r a t i o n ,a n dt h e i m p l e m e n t a t i o ne f f i c i e n c y w a s a c h i e v e d t h r o u g h r e d u c t i o n o f a c c e s s ,f u l l r e u s e o f o b t a i n e d d a t a .T w o k i n d s o f c o m m o nm a t r i xc o n v o l u t i o n m e t h o d sw e r ed e s i g n e d :c h a n g i n g c o n v o l u t i o n m a t r i xs c a l ew i t hc o n s t a n t c o n v o l u t i o nk e r n e l s i z e ,a n d c o n s t a n t c o n v o l u t i o nm a t r i x s i z ew i t h c h a n g i n g c o n v o l u t i o nk e r n e l s c a l e .T h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t c a l c u l a t i o n m e t h o d s o n t h e a l g o r i t h m e x e c u t i o n e f f i c i e n c y w a s a n a l y z e d a n d c o m p a r e d .F i n a l l y ,t h e c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t sw e r e t a k e nb a s e do n t h e s e r v e r -l e v e lm u l t i -c o r eC P Ua n d T I 6678.R e s u l t s s h o wt h a tF T 2000h a sab e t t e r c o m p u t i n g a d v a n t a g eo v e rm u l t i -c o r eC P Ua n dT I 6678,w h i c hc a na c c e l e r a t eu p t o 11974t i m e s c o m p a r e d t om u l t i -c o r eC P U ,w h i l e t oT I 6678i t i s 21t i m e s .K e y w o r d s :m a t r i x c o n v o l u t i o n ;v e c t o r p r o c e s s o r ;p a r a l l e l a l g o r i t h m ;p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n ;c o n v o l u t i o n n e u r a l n e t w o r k

时域和频域法计算4点卷积

已知x1（n）=｛2，3，2｝，x2（n）=｛1，2，3，4｝（1）求出x2（m-n），当m=0，1，2，3时的序列；（2）计算出x1(n)与x2(n)的卷积；（3）用频域方法算出x1(n)与x2(n)的卷积 解：(1)m=0时，x(m-n)=x(-n) , x(-0)=x(-0+4)=1;x(-1)=x(-1+4)=4;x(-2)=3;x(-3)=2; 故x(-n)={1,4,3,2} 同理m=1时；x(m-n)=x(1-n)={2,1,4,3} 同理m=2时；x(m-n)=x(2-n)={3,2,1,4} 同理m=3时；x(m-n)=x(3-n)={4,3,2.1} (2)m=0时 3 =∑[{2,3,2,0}*{1,4,3,2}]=∑{2,12,6,0}=20 n=0 m=1时 3 =∑[{2,3,2,0}*{2,1,4,3}]=∑{4,3,8,0}=15 n=0 m=2时 3 =∑[{2,3,2,0}*{3,2,1,4}]=∑{6,6,2,0}=14 n=0

m=3时 3 =∑[{2,3,2,0}*{4,3,2.1}]=∑{8,9,4,0}=21 n=0 （3） x1（n）=｛2，3，2=｝==> X1(k)={6, -2-2j, 2, 2j-2} x2（n）=｛1，2，3，4｝==>X2(k)={10,-2+2j,-2,-2-2j} X1(k)?X2(k)={60, 8,- 4, 8} 令Y（k）=X1(k)·X2(k) y（n）=x1(n)x2(n) IDFT后 3 3 y(n)=(1/N )∑Y(k)e^(j(2π/4)kn)=(1/N )∑Y(k)(-j)^(kn) k=0 k=0 ={ 18,16,10,21}

用MATLAB实现线性卷积运算

北京邮电大学 实验报告 实验名称：用MATLAB实现线性卷积运算学院：信息与通信工程学院 班级： 姓名： 学号： 日期：2012年5月

一、实验原理 1、算法产生背景 DFT 是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的。DFT 具备明确且合理的物理含义，适合应用于数字系统，同时可以方便地由计算机进行运算。对于线性非移变离散系统，可由线性卷积表示时域输入输出关系，即 () ()*() ynxnhn 通常采用循环卷积降低运算量，但实际中往往无法满足对信号处理的实时性要求。因此，产生了重叠相加法和重叠保留法两种典型的算法，用以快速计算线性卷积，成为了DFT 的一个重要应用。 2、算法基本思想 1）重叠相加法 重叠相加法是将待过滤的信号分割成长为N 的若干段，如图1 所示，每一段都可以和有限时宽单位取样响应作卷积，再将过滤后的各段重叠相加。 具体算法实现原理如图2 所示，建立缓存序列，每次输入N 点序列，通过计算x(n) 和h(n) 的循环卷积实现线性卷积运算，将缓存的M-1 点序列和卷积结果相加，并输出前N 点作为计算结果，同时缓存后M-1 点，如此循环，直至所有分段计算完毕，则输出序列y(n)为最终计算结果。

2）重叠保留法 重叠保留法相当于将x l(n)和h(n)作循环卷积，然后找出循环卷积中相当于线性卷积的部分。在这种情况下，将序列y(n)分为长为N的若干段(如图3所示)，每个输入段和前一段有M-1个重叠点。此时只需要将发生重叠的前M-1个点舍去，保留重叠的部分并输出，则可获得序列y(n)，算法如图4所示。

序列的卷积和快速卷积运算的编程实现

目录 1 Matlab软件介绍 (1) 2 项目设计目的及技术要求 (3) 3 原理简介 (4) 3.1 基本概念 (4) 3.2 原理分析 (4) 3.2.1 离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT） (4) 3.2.2 序列的卷积和快速卷积运算 (5) 3.2.3 快速傅里叶变换和快速卷积 (5) 4 程序设计及仿真结果分析 (6) 4.1 题目一 (6) 4.2 题目二 (7) 4.3 题目三 (9) 5 心得体会 (13) 6 参考文献 (14)

1 Matlab软件介绍 MMATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： (1) 数值分析 (2) 数值和符号计算 (3) 工程与科学绘图 (4) 控制系统的设计与仿真 (5) 数字图像处理技术 (6) 数字信号处理技术 (7) 通讯系统设计与仿真

卷积运算

卷积运算 信号的卷积运算是信号处理领域中最重要的运算之一。随着对信号与系统理论研究的深入，特别是计算机技术的不断发展，不仅使卷积方法在很我领域得到了很广泛的应用，而且卷积运算的逆运算---反卷积的问题也受到了越来越大的重视和应用。 比如，在语音识别、地震勘探、超声诊断、光学成像、系统辨识及其他诸多信号处理领域中，甚至可以说卷积与反卷积的问题无处不在，而且很多的问题，都是有待深入研究的课题。 所以，大家要切实理解和掌握好卷积分运算的各个方面，打好牢固的基础。下面，我们来看看卷积的定义是怎样的。 信号的卷积积分（简称卷积），定义为： 简记为，其中的星号是卷积运算符。注意不要与我们在编写计算机程序时所用的乘法的表示符号搞混了。在信号处理课程里，乘法往往是用居中的点来表示的，或者干脆不写居中的点，而直接将要进行乘积运算的信号(包括直流信号---它是一个常数)连在一起写。 信号的卷积运算对应着一定的物理背景，这要在我们进一步学习了关于系统的激励与响应的关系之后，才能更深入地理解。 不仅如此，信号的卷积运算还对应着一定的几何解释。从定义式我们可以看出：(1) 在积分式中，信号自变量改变了符号，这对应在几何波形上，就是将信号进行了反褶变换；(2) 并且，信号f2的波形 位置与积分变量的取值有关，积分变量在积分限内的不断变化，将导致信号的波形发生移动，即是对它不断进行平移操作；(3) 最后，每当信号处在一个新位置，都要与信号f1相乘，且依据积分的定义，要将这些乘积加起来，而其结果实际上对应着两信号波形相交部分的面积。所以，卷积运算可以用几何图解方式来直观求解。 下面我们来说明如何用它的几何意义来求解两信号的卷积。 将信号的自变量改为，信号变为。对任意给定的，卷积的计算过程为： (a) 将关于ｒ进行反褶得到； (b) 再平移至ｔ0得到； (c) 与相乘得到； (d) 对ｒ进行积分得，即； 不断变化，就可以得到s(t)。