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[信号与系统] 相关性的峰值问题

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发表于 昨天 20:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
直观理解:信号与自身的“对齐”程度
把相关操作想象成将两个波形在时间轴上滑动,并逐点比较它们的相似性。
  • 零延迟时(τ=0):

    • 信号A和信号B(如果是自相关,B就是A本身)完全对齐。
    • 每一个波峰都对着波峰,每一个波谷都对着波谷。
    • 当我们将它们逐点相乘并求和时,所有正的正值相乘(得正),所有负的负值相乘(也得正),这些正的乘积加起来会得到一个巨大的正值。
    • 这是相似性的极致,所以峰值最高。

  • 有延迟时(τ≠0):

    • 你把其中一个信号滑开了一点。现在,信号A的波峰可能对着信号B的波峰,但也可能对着波谷或者斜坡。
    • 在相乘并求和时,会出现 “正×正”、“负×负”(这两种情况贡献正值),但也会出现 “正×负”、“负×正”(这两种情况贡献负值)。
    • 这些正负值会在求和过程中相互抵消。
    • 延迟τ越大,这种“错位”就越严重,正负抵消得就越厉害,导致相关值从最大值迅速下降。


一个简单的比喻:
想象你有两把一模一样的梳子。当它们齿对齿完全对齐时,它们“啮合”得最好(相关性最高)。如果你把其中一把梳子横向移动一点,齿就会卡在另一个梳子的齿缝里,它们就不再匹配了(相关性降低)。移动得越多,匹配得就越差。


周期性信号:

如果信号是周期性的(如正弦波),那么自相关函数也将是周期性的。

当延迟τ等于信号周期的整数倍时(τ = nT, n=0, ±1, ±2...),信号会再次完全对齐,相关函数会再次达到与τ=0时相同的峰值。

所以图形上会出现一系列周期性的峰值,而不仅仅是τ=0处的一个峰。在这些峰值之间,相关值会下降。

白噪声:

理想的白噪声在任何两个不同时刻都是完全不相关的。

因此,它的自相关函数是一个冲激函数:在τ=0处有一个尖峰,而在其他所有τ≠0的地方,相关值立即降为0,而不是逐渐减小。

两个不同信号的互相关:

如果计算两个不同信号的互相关函数,那么最大值不一定出现在τ=0处。

最大值出现的位置,恰恰表示为了让这两个信号最相似,其中一个信号需要相对于另一个信号延迟多长时间。这正是我们之前用它来测量相位差的原理!

总结
对于自相关或两个同步的相似信号:在零延迟时,信号对齐得最好,相乘求和的结果(即信号的能量)最大。柯西-施瓦茨不等式从数学上保证了这是绝对最大值。

对于周期性信号:这个最大值会周期性地出现。

对于互相关函数:最大值的位置提供了两个信号之间关键的时间延迟(相位差)信息。
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发表于 昨天 22:39 | 显示全部楼层
双路同频正弦波的相位差计算,从数学的角度上是积化和差,从信号的角度上是离散傅里叶变换 (DFT)。信号在时域相乘后转为直流和二倍频,通过直流部分获得相位信息。
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