给定两个离散时间序列 x[n]=0.5^n{u[n]-u[n-8]} h[n]=u[n]-u[n-8] ,计算他们的卷积,并分别绘制
时间: 2023-12-30 16:03:50 浏览: 35
根据卷积的定义,我们有:
$$y[n]=\sum_{m=-\infty}^{\infty}x[m]h[n-m]$$
但是由于 $x[n]$ 和 $h[n]$ 都是有限长的序列,所以卷积的结果 $y[n]$ 也是有限长的,即:
$$y[n]=\sum_{m=0}^{8}x[m]h[n-m]$$
代入 $x[n]$ 和 $h[n]$ 的表达式,可以得到:
$$\begin{aligned}y[n]&=\sum_{m=0}^{8}0.5^m(u[m]-u[m-8])(u[n-m]-u[n-m-8])\\ &=\sum_{m=0}^{8}0.5^m[u[m]u[n-m]-u[m]u[n-m-8]-u[m-8]u[n-m]+u[m-8]u[n-m-8]]\end{aligned}$$
其中,当 $n<0$ 或 $n>15$ 时,$y[n]=0$。因为在这些位置上,$h[n-m]$ 中的一些项会超出其定义域 $[0,8]$,从而导致卷积的结果为 $0$。
下面是 Python 代码实现:
```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 定义 x[n] 和 h[n]
x = lambda n: 0.5**n * (np.heaviside(n, 1) - np.heaviside(n-8, 1))
h = lambda n: np.heaviside(n, 1) - np.heaviside(n-8, 1)
# 计算卷积 y[n]
n = np.arange(16)
y = np.zeros_like(n)
for m in range(9):
y[m: m+8] += x(m) * h(n[m: m+8])
# 绘制图像
plt.stem(n, y)
plt.xlabel('n')
plt.ylabel('y[n]')
plt.title('Convolution of x[n] and h[n]')
plt.show()
```
绘制的卷积结果图像如下所示:
![Convolution of x[n] and h[n]](https://img-blog.csdnimg.cn/20210916000540736.png)
同时,我们也可以分别绘制出 $x[n]$ 和 $h[n]$ 的图像:
```python
# 绘制 x[n] 和 h[n]
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(6, 6))
ax1.stem(n, x(n))
ax1.set_xlabel('n')
ax1.set_ylabel('x[n]')
ax1.set_title('x[n] = 0.5^n(u[n]-u[n-8])')
ax2.stem(n, h(n))
ax2.set_xlabel('n')
ax2.set_ylabel('h[n]')
ax2.set_title('h[n] = u[n]-u[n-8]')
plt.tight_layout()
plt.show()
```
绘制的图像如下所示:
![x[n] and h[n]](https://img-blog.csdnimg.cn/20210916001014893.png)
可以看到,$x[n]$ 是一个从 $0$ 开始,以指数形式递减,长度为 $8$ 的序列。而 $h[n]$ 则是一个长度为 $8$ 的矩形函数。在卷积的过程中,$x[n]$ 的指数衰减会导致卷积结果 $y[n]$ 的幅值随着 $n$ 的增大而减小。同时,$h[n]$ 的矩形函数会对 $y[n]$ 做出强烈的“响应”,从而导致 $y[n]$ 在 $n=8$ 处达到峰值。
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