数字信号处理应用中的数值逼近方法概述

52、数字信号处理中的可调滤波器与函数逼近 本文深入探讨了数字信号处理中的可调数字滤波器设计与函数逼近技术。内容涵盖可调IIR和FIR滤波器的结构、调谐方法及实现,包括低通、带通和带阻滤波器的设计流程;详细介绍了三角函数、平方根、对数等常用函数的多项式逼近方法,并提供了随机数生成的原理与MATLAB实现。此外,文章还系统分析了DFT/FFT计算复杂度、卷积算法比较及滤波器结构建模等问题,结合流程图与表格直观展示关键步骤与公式,为相关算法的设计与优化提供了理论支持与实践指导。 阅读详情

作者:

Don Morgan


高级工程师


Ultra Stereo实验室


Email:dgm@baykitty.com


在数字信号处理过程中,经常要采用逼近法,内插法就是一种常用的数值逼近法。内插法通常定义为根据二个已知值估计出中间值,例如一个函数或序列,其 中最常见的形式是线性内插法。线性内插法在二个已知数据点间画一条直线,新的数据点就位于这条直线上,具体位置要根据其值与二个端点之一的接近程度确定。

在以下方程中:

值f(a)和f(b)是x=a和x=b时的已知数据点。

假设在某一特定应用中需要解出指数函数exp(x)的不同值。就像嵌入式系统遇到的情况那样,我们通常没有足够的内存或处理器速度。表1给出的是覆盖了非常小的插值间隔的所有已知值。

如果要解出exp(3.8)的值,那么线性内插法将按以下方式运行:



从图1可以看到,尽管内插器是线性的,但函数f(x)却不是一条直线。因此除了端点外,我们所选用的所有值都不能精确地代表 函数。根据所要的精度、可用数据点数量及其间距,这可能不是什么问题;但如果函数值在数据点之间波动,并且所希望的精度要求这样,那么我们就需要一个更大 些的表格。

例如采用线性内插法的频率综合,它往往需要很大的波表(wave table)才能获得无假频的清晰声音。在数据带宽不受限的情况下,表格的分辨率越大,你的内插器就越精确,但由于受实际内存空间的限制,并不是所有应用 都能提供如此大的表格,因此怎样才能增加精度而又保证表格不至于太大呢?其实有许多解决方案,拉格郎日内插法就是其中之一。

拉格郎日内插器

拉格郎日内插器能将数据拟合为多项式。根据Weierstrass定理,如果x0,x1...,xn互不相关,那么对于y0,y1...,yn就存在唯一的小于等于n次的多项式:

我们可以利用该方程得到通过第n+1个数据点的n次多项式。由此看来,我们可以认为真正的多项式是:



此时每个数据点都作为一项。这时的编码就特别容易,因为所有点可以分解到:



需要解释一下这一步运算的核心:



假设为xi=xj外的所有取样点都定义了一个多项式或函数f(xi)=0并把它写下来:



然后写出只用于非零点的方程:



那么我们就可以用方程8对方程7作归一化处理来得到方程5。

为了进一步演示其工作机理,我们采用了与上述线性内插法案例相同的指数函数和数据点(来自表1),结果却大不相同。拉格郎日 内插器的结果是44.677,线性内插器的结果是47.6956,而这些结果基于的都是同一信息。事实上拉格郎日内插器需要更多的运算,后面我们会进一步 解释,首先让我们看一下实现方法。

为了说明实现的简易性,这里提供一个用C语言编写的函数:


===================================


s = 0;


for (i= 0; i <= m; i++)


{


z = 1.0;


for (j=0; j<=n; j++


{


if (i!=j)z=z*(T-x[j])/(x[i]-x[j]);


}


s = s + z * f[i];


}


==================================


为了提高速度,我们可以预先算出方程2的中间值来减少内插器所需的运算量。由于这些值都可以预先知道,因此可以把它们存储在一个替代yi表格的表格中。这时我们只需要把每个值与相应的gi(x)相乘就可以了,这一过程在8051上运行基本没有问题。图1:内插器是线性的,但函数f(x)却不是一条直线。

该算法用只有10条记录的表格就能获得线性内插法用1,000条记录的表格才能达到的精度,利用预先算出的已知条件还可以达到较快的速度。对于输出必须适配预定数据点集的嵌入式系统来说,这种算法能极大地减轻运算的复杂性。

切比雪夫函数

包括拉格郎日在内的许多内插器在待拟合数据的中段都很有效,但接近端点时性能就会恶化。如果能按一定阶数切比雪夫多项式零点 控制下的间隔重新取样,我们就能从容地修正插值间隔上的误差,这样做听起来有点复杂,但只要简单地作下修改,我们就可以得到与拉格郎日算法具有相同速度和 效率的算法,而且具有更好的兼容性和可靠性。

切比雪夫函数值围绕零点上下波动,波动间隔范围是-1到1。有趣的是,这类函数的频率在间隔端点处会有所提高。因此若要采用符合插值间隔的切比雪夫多项式零点进行采样,在间隔端点上的采样数必须超过间隔中间的采样数。这样才能弥补用等距方法采样时端点处精度的不足。

这并不意味整个内插间隔上的结果会有更高的精度,但它确实会将任何错误分散到整个间隔上。换句话说,在间隔端点上获得的结果有望具有与中心点相同的可靠性。

那么是如何做到这一点的呢?首先需要决定插值的间隔范围。在上面所用例子中,间隔范围是0到9,然后我们就给它配备一个切比 雪夫多项式;如果配备的是拉格郎日算法,那么其阶数要大于拉格郎日多项式。在本例中,拉格郎日多项式的阶数是9,因此切比雪夫多项式的阶数是10。下面的 方程用来选取采样点:

在该方程中,a是间隔的起点,b是间隔的终点,c是所需多项式的阶数。表2给出了新的切比雪夫取样点。



此时的算法就能在插值间隔的任何地方产生有用结果,而且速度相当快,所占存储器空间也比较少。

结论

由于多项式阶数取决于表格的长度,即使有预先计算的部分,但当所需精确数字数量较多时还是需要非常复杂的运算。每个新值都必须从头计算,因为前面估测的结果中根本没有可利用的部分。拉格郎日多项式误差的计算也比较困难,即使对切比雪夫来说也不是件轻易的事。

14、实时数字信号处理技术与应用 本文深入探讨了实时数字信号处理的关键技术和应用场景,涵盖了数字信号处理基础、嵌入式系统中的DSP微处理器、实时滤波技术以及多个实际应用案例,如语音频谱分析、音乐信号处理和雷达信号处理等。通过具体代码示例和技术细节,帮助读者掌握实时数字信号处理的基本原理和实用技巧。 阅读详情

相关推荐

5、数字信号处理与MATLAB应用基础

本文全面介绍了数字信号处理的基础理论与MATLAB应用,涵盖信号采样、差分近似、微分方程求解、复数运算、三角恒等式推导、级数求和、指数与双曲函数分析等内容。通过丰富的MATLAB代码示例,深入探讨了从模拟信号到离散系统的转换过程,并结合实际应用场景如音频存储、通信系统和电路建模,帮助读者建立扎实的理论基础与实践能力。文章还总结了关键知识点并展望了在通信、音频与图像处理中的广泛应用前景。

l3m4n的博客 50

(PTA)习题6-7 简单计算器 (20分)

模拟简单运算器的工作。假设计算器只能进行加减乘除运算,运算数和结果都是整数,四种运算符的优先级相同,按从左到右的顺序计算。 输入格式: 输入在一行中给出一个四则运算算式,没有空格,且至少有一个操作数。遇等号”=”说明输入结束。 输出格式: 在一行中输出算式的运算结果,或者如果除法分母为0或有非法运算符,则输出错误信息“ERROR”。 输入样例: 1+2*10-10/2= 输出样例: 10 实现代码...

Ohh_ckx的博客 5393

DM642数字信号处理器图像处理项目实战

本文还有配套的精品资源,点击获取 简介:该项目是一个为德州仪器(TI)DM642数字信号处理器设计的图像处理程序。它包括了视频和图像处理应用的源代码、数据库备份、配置文件和脚本,涵盖了从数据采集、预处理到应用数值算法进行分析的全过程。使用C/C++语言编写,针对DSP硬件特性进行了优化,以支持高效的图像处理操作,如滤波、特征提取和模式识别等。通过这些文件,开发者可学习到如何...

weixin_29935511的博客 1218

Python数学建模系列(四):数值逼近

文章目录前言往期文章1. 一维插值​1.1 线性插值与样条插值(B-spline)1.2 高阶样条插值2. 二维插值2.1 图像模糊处理——样条插值2.2 二维插值的三维图3. 最小二乘拟合结语 前言 Hello!小伙伴! 非常感谢您阅读海轰的文章,倘若文中有错误的地方,欢迎您指出~   自我介绍 ଘ(੭ˊᵕˋ)੭ 昵称:海轰 标签:程序猿|C++选手|学生 简介:因C语言结识编程,随后转入计算机专业,有幸拿过一些国奖、省奖…已保研。目前正在学习C++/Linux/Python 学习经验:扎

海到无边天作岸 山登绝顶我为峰 5552

数值逼近--最佳逼近课件

最佳平方逼近正交多项式 最佳逼近-一致逼近 里米兹算法最佳平方逼近

数值逼近答案(第二版)

本书是大学计算机数学专业的基础课程——数值逼近的教材,主要讲述了数值逼近的理论和各种数值逼近方法。全书内容包括:函数的插值、样条插值和曲线拟合、最佳逼近、数值积分、快速Fourier变换、函数方程求根等。学生仅需要具备数学分析或高等数学、高等代数的预备知识即可阅读。

python之建模数值逼近问题

数值插入 在离散数据的基础上补插连续函数,使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。插值是离散函数逼近的重要方法,利用它可通过函数在有限个点处的取值状况,估算出函数在其他点处的近似值。 插值分为: 一维插值 二维插值 一维插值 一.插值函数经过样本点,拟合函数一般基于最小二乘法尽量靠近所有样本点穿过。常见插值方法有拉格朗日插值法、分段插值法、样条插值法: 1.拉格朗日插值多项式:当节点数n较大时,拉格朗日插值多项式次数较高,可能收敛不一致,且计算复杂。高次插值带来误差的震动现象称为龙格现象。 2

weixin_45476753的博客 1208

数值逼近引论(王德人)

作者: 王德人 杨忠华 出版社: 高等教育出版社出版时间: 1990-06 印刷时间: 1990-06 印数: 2千册 装帧: 平装 开本: 32开 页数: 385页

插值与样条函数

首先了解数值逼近。1、代数插值   在有目标函数的情况下,找一个插值函数与目标函数进行逼近,这个过程就是逼近的过程。原有的函数点叫插值节点。逼近的方法比较确定,设定一个逼近的方法,设得逼近的方程,将逼近点代入,求未知系数的值,那么逼近函数就有了。用目标函数与插值函数进行作差,这样就可以知道逼近的误差有多少,通过这个误差的值的变化趋势,我们可以了解到我们所设定的逼近方法是不是一个收敛的方法,如果是的话,这个插值的方法对于当前问题来说就是可行的。    最基本的插值方法就是线性插值,利用两个点之间的斜率信息就可

痞子龙3D编程 4377

数值逼近(复旦大学)答案

数值逼近(复旦大学)答案

XVF3800麦克风阵列实战:从选型到快速原型搭建

本文详细介绍了XVF3800麦克风阵列的选型与快速原型搭建实战经验。从开箱即用的特性到波束成形、回声消除等核心功能拆解,再到硬件设计避坑指南和固件开发技巧,帮助开发者高效实现智能语音设备的开发。特别适合智能音箱、会议终端等需要远场拾音和声源定位的应用场景。

weixin_29161719的博客 273

数值逼近:插值方法与曲线拟合方法的区别

数值逼近方法:用离散数据的函数表构造某个(简单的)函数g(x)g(x)g(x)去逼近或代替原函数f(x)f(x)f(x)。 常见数值逼近方法:插值方法和曲线拟合方法等。 1. 插值方法 如果观测数据的误差较小,则可将其作为准确值来处理,即观测数据(x,y)(x,y)(x,y)和函数f(x)f(x)f(x)之间存在如下关系: f(xi)=yi,(i=0,1,2,⋯ ,n) f(x_i)=y_i, \quad(i=0,1,2,\cdots,n) f(xi​)=yi​,(i=0,1,2,⋯,n) 因此,要构造的函

用途:中英文学习笔记,如有侵权,可评论留言,及时清理;学历:NUS计算机硕士;SYSU地球物理学士 3806

Concentration Inequality(集中不等式)更新版

欢迎来我博客 https://wyue.name/2020/04/17/1/阅读这一篇博文 转载前请联系我,联系方式请见我博客 https://wyue.name/ Concentration inequality 刻画了一组随机变量的和(或者样本平均数)与其期望值的偏离程度,在算法收敛性分析过程中是非常有用的一类不等式。 这次主要总结一下最近一段时间遇到的集中不等式,不仅是不等式形式,...

Yue的博客 4554

数字信号处理基础知识

把信号用数字或符号表示成序列,通过计算机或通用(专用)信号处理设备,用数字的数值计算方法进行处理(例如滤波、变换、增强、估计、识别等),以达到提取信息便于应用的目的。

西岸贤 1万+

手把手教你绕过Incapsula reese84防护:从JS反混淆到动态Token生成全流程

本文深入解析了以Incapsula reese84为代表的现代Web客户端挑战防护机制,详细介绍了从JS反混淆、算法逆向到动态Token生成的全流程实战方法。文章系统阐述了如何通过模拟浏览器指纹、移植关键算法或嵌入JS引擎来构建自动化应对策略,并提供了稳健的令牌管理与系统架构设计思路,帮助开发者在合规前提下提升自动化工具的适应性。

jenkins8butler的博客 518

SYSU-MM01数据集评估避坑指南:从RGB/IR图像理解到Python评估脚本调优

本文详细解析了SYSU-MM01数据集在跨模态行人重识别(ReID)评估中的关键技巧与常见陷阱。从RGB/IR图像理解到Python评估脚本优化,提供了数据评估模式选择、single-shot/multi-shot差异分析、特征文件处理规范等实用指南,帮助研究者避开指标异常问题,提升评估效率与准确性。

weixin_29044713的博客 196

浅析数字信号处理的实现

它可以在数字化的信号中对频率、能量、时间、谱线等信息进行处理、运算和转换,广泛应用于音频、视频、图像、通信、控制、医疗、汽车等领域,是现代科技快速发展的基础之一。数字信号处理的实现将数字化的信号转化为计算机能够处理的形式,利用计算机软硬件进行处理,再将处理后的数字信号转换为人类可以识别的形式,如图像、声音等。例如,我们需要分析学科成绩,比较各个班级和学科之间的差异,这时我们就可以利用数字信号处理算法,对成绩数据进行统计和分析,提取出各个班级和学科之间的优劣势,为后续学习提供参考。

Dannyloveliming的博客 1069

基于Simulink/Matlab的VSG并网系统单相接地与相间短路故障仿真建模与特性分析

本文详细介绍了基于Simulink/Matlab搭建虚拟同步发电机(VSG)并网系统仿真模型的方法,并重点分析了单相接地与相间短路故障下的系统特性。通过设置三相故障模块参数,模拟了故障发生时的电压、电流变化及VSG动态响应,为理解故障机理、优化控制策略及设计继电保护提供了仿真依据与实践指导。

t8u9v0w1x的博客 514

模拟信号和数字信号的区别和特点

模拟数字

weixin_55255438的博客 5万+

YOLOv8+BiFPN双向特征金字塔:多尺度目标检测精度提升28%的实战教程

双向特征金字塔网络(BiFPN)是一种强化多尺度特征融合支持“自顶向下+自底向上”的双向特征流动,同时保留不同尺度的细节信息;引入加权融合机制,自动学习不同特征的重要性权重;裁剪冗余节点,在轻量化的同时提升融合效率。

m0_64661770的博客 492

基于simulink的电气弹簧ES稳压控制模型仿真

若要补偿母线电压的谐波,需控制ES上的谐波,即在单闭环母线电压有效值控制的基础上,增加谐波抑制环节来进行谐波控制,现有的各种检测和抑制谐波的方法有采用模拟滤波器、傅里叶分析进行谐波分析、基于瞬时无功功率理论的方法等。当关键负载ZC为电流源型非线性负载时,电路原理图如图7所示,由于电流源型非线性负载可以等效为谐波电流源,关键负载电流ic便会含有谐波分量,导致输电线电流is和母线电压VS同样会含有谐波分量,导致供电质量的严重下降,对用电设备的正常工作造成影响。分别为流过线路阻抗、非关键负载、关键负载的电流,

FPGA/MATLAB学习教程/源码/项目合作开发 1631

切比雪夫多项式在信号处理中的最佳逼近应用

本文深入探讨了切比雪夫多项式在信号处理中的核心应用,特别是其“最佳一致逼近”特性如何赋能高性能滤波器设计。通过分析切比雪夫多项式的正交性与递推关系两大引擎,并结合Python实战案例,详细展示了如何设计通带等波纹、阻带衰减陡峭的切比雪夫I型低通滤波器,有效解决信号分离与噪声抑制等工程难题。

weixin_29096377的博客 472

大模型测试人员完整学习体系(分层成长路线 + 知识框架 + 落地实操)

本文系统构建了大模型测试工程师的4级能力成长体系:L1(测试执行)-L2(专项测试)-L3(质量体系)-L4(行业标准),详细拆解了每个阶段的核心技能图谱。重点包括:入门层需掌握传统测试基础和大模型产品逻辑;进阶层需精通Prompt用例设计、RAG测试、安全对齐、自动化评测等专项能力;高级层聚焦评测平台搭建与质量体系建设;专家层深入算法对齐与行业标准制定。文章配套提供了分阶段技术工具栈、3-12个月学习路径及5类实战项目建议,形成了一套完整的大模型测试人才能力培养框架。

SmallBull的博客 455

模拟信号和数字信号

数字信号和模拟信号的对比、应用;以及数模转换和模数转换介绍。

一个bug是bug,多个bug能work 4944

C# WinForm 基于DirectShow.dll编写的程序,可边预览边保存视频,音频和图片

基于微软的DirectShow.dll的二次开发1.自动识别连接的摄像头跟麦克风且可以对其进行选择(默认选中第一个)2.可录制wmv和avi两种格式的视频并且都带有音频,avi可以录制的分辨率和帧数进行选择,wmv默认进行了淸晰度优化如不喜欢可去除代码中有相关提示3.可在预览点开之后进行拍照,也可边录制视频边拍照4.添加了视频和音频的压缩功能(酌情使用)这次二次开发发现C#对DirectShow的相关信息太少,这次做完也不敢藏私共享出来,还望大家指正

最新的sdio 4.0 spec 协议标准 带书签 高清完整PDF版

Part-E1-SDIO-Specification-Ver4.00-Final-120220.pdf:最新的sdio 4.0 spec 协议标准 带书签 高清完整PDF版,包括SDIO 接口的外设,SDIO 接口官方协议等。

逐次逼近型ADC转换器(SAR ADC)的原理与应用

逐次逼近型ADC(SAR ADC,Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter)是一种广泛应用于模拟信号数字化的模数转换器。它以其高速度、低功耗以及适中的分辨率而著称,特别适合于各种嵌入式系统、传感器接口以及物联网设备等应用场景。本文将介绍SAR ADC的工作原理、特点以及其在实际中的应用。

m0_62710548的博客 8235

ET2012新版免狗免安装绿色软件

ET2012新版免狗免安祖昂绿色软件。,新界面,新视觉,

本科课程数字信号处理期末总结

数字信号处理的主要内容包括:数字滤波器设计,数字信号的时域与频域分析,数字信号的采样与重构,数字信号的变换,数字信号处理硬件(如DSP芯片)的设计与应用等。数字信号则是以数字形式表示的离散信号,它由一个个离散的采样点组成,并且在每个采样时刻上,它的值只能取某个离散的数值。数字信号的优点是它们可以进行数字信号处理,并利用数字信号处理技术对信号进行增强、压缩和保护,同时在数字通信中也更容易进行传输和存储。这是对数字信号进行分析的过程,目的是了解信号的特征和特性,包括时域分析、频域分析、小波变换等。

qq_52351598的博客 703

android 蓝牙通讯demo

android 下蓝牙通讯demo,实现了发现蓝牙,使能蓝牙,通过蓝牙发送消息。

上一篇: 邻接矩阵(Adjacency Matrix)
下一篇: 2.5 通信中的常见噪声
鹅鹅
博客等级 码龄19年 70粉丝 53原创
评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付:10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值