2858 字
14 分鐘
數位訊號處理筆記
2026-02-24
2026-03-15

前言#

最近突然覺得自己常常耍廢摸魚得過且過感覺未來會暴死,經過深刻的反省之後決定把這學期上課的內容整理成筆記放到 blog 裡,希望這個系列能夠安穩落地。因為目前才剛開始教所以分類會有些隨便,以後滾動調整吧~

緒論#

關於訊號#

  • 訊號:資訊的流動
  • 訊號處理:生成、轉換和解釋資訊的關鍵技術
  • 數位訊號處理:使用電腦處理訊號

訊號的分類與轉換#

訊號主要分為兩大類 :

  1. 連續時間訊號 (Continuous-time, CT):標記為 x(t)x(t)
  2. 離散時間訊號 (Discrete-time, DT):標記為 x[n]x[n],其中 nn 為整數 (0,1,2,)(0, 1, 2, \ldots)

連續時間訊號經過取樣(Sampling)後轉換為離散訊號,取樣率是一個至關重要的參數,它決定了你每秒鐘要抓取多少個點。取樣率越高,還原出來的訊號就越接近原始的連續狀態。

類比轉數位 (A/D Conversion)#

訊號從連續時間訊號轉為類比訊號需要經過兩個步驟,分別是取樣(Sampling)以及量化(Quantization):

CTSamplingDTQuantizationDigitalCT \xrightarrow{Sampling} DT \xrightarrow{Quantization} Digital
  • 取樣(時間離散化):將 x(t)x(t) 轉換為 x[n]x[n],決定了訊號的頻率範圍
    • 取樣週期(TT):兩次取樣之間的時間間隔
    • 取樣率/頻率(fsf_s):fs=1Tf_s = \frac{1}{T}
    • 關係式:t=nTt = n \cdot T
  • 量化(數值離散化):將連續的振幅值轉為有限精度的數位資料,決定了訊號的動態範圍與細節

基礎離散時間訊號#

  1. 單位樣本序列 (Unit Sample Sequence / Impulse)

    標記為 δ[n]δ[n],其定義如下 :

    δ[n]={1,n=00,n0δ[n] = \left\{ \begin{array}{ll} 1, & n = 0 \\ 0, & n \neq 0 \end{array} \right.

  2. 單位步階序列 (Unit Step Sequence)

    標記為 u[n]u[n],其定義如下 :

    u[n]={1,n00,n<0u[n] = \left\{ \begin{array}{ll} 1, & n \ge 0 \\ 0, & n < 0 \end{array} \right.

  3. 指數序列 (Exponential Sequence)

    形式為 x[n]=Aαnx[n] = A \cdot \alpha^nAAα\alpha 可為實數或複數

重要數學性質與表示法#

任意序列的表示 (Representation of Arbitrary Sequence)#

任何離散序列 x[n]x[n] 都可以表示為一組加權且延遲的單位脈衝之和 :

寫成一般式(aka_k 即為 x[k]x[k] 的值):

x[n]=k=akδ[nk]=k=x[k]δ[nk]x[n]=\sum_{k=-\infty}^\infty {{\color{#3071c4} a_k} \cdot \delta[n-k]}=\sum_{k=-\infty}^\infty {{\color{#3071c4} x[k]} \cdot \delta[n-k]}

u[n]u[n]δ[n]\delta[n] 的關係

  • 累加關係: u[n]=k=0δ[nk]u[n]=\sum_{k=0}^\infty \delta[n-k]u[n]=k=nδ[k]u[n]=\sum_{k=-\infty}^n \delta[k]
  • 差分關係: δ[n]=u[n]u[n1]\delta[n]=u[n]-u[n-1]

複數平面與歐拉公式 (Euler’s Formula)#

在處理複數指數訊號時常用到:

  • 歐拉公式:ejϕ=cosϕ+jsinϕe^{j \phi}=\cos \phi+j\sin \phi
  • 極座標表示:A=Aejϕ1A=|A| e^{j \phi_1}α=αejϕ2\alpha= |\alpha| e^{j \phi_2}
  • 因此 x[n]=Aαn=Aαnej(nϕ2+ϕ1)x[n]=A \alpha^n= |A| |\alpha|^n e^{j(n \phi_2 + \phi_1)}

✍️TODO 以後想到再補圖

訊號取樣的影響#

取樣與混疊 (Sampling and Aliasing)#

基本定義#

假設一個連續時間訊號 x(t)=cos(ωt)x(t) = \cos(\omega t)

  • ω\omega:角頻率 (Radian Frequency),單位:rad/s(徑度/秒)
  • tt:連續時間,單位:sec(秒)
NOTE

複習一下高中內容:在圓周運動或簡諧運動的數學推導中,如果使用「圈數」,公式裡會不斷出現 2π2 \pi 這個係數,顯得累贅。為了讓方程式更簡潔,我們直接把 2π2 \pi 乘進去,定義出角頻率(以 ω\omega 表示)

取樣過程(Sampling Process)#

  1. 每隔 TT 秒取樣一次,TT: 取樣週期 (Sampling Period)

    時間 t0,T,2T,3T,t=nTn=0,1,2,3,\begin{aligned} {\text{時間 } t\text{:}} & 0, T, 2T, 3T, \ldots \\ t &= nT \\ n &= 0, 1, 2, 3, \ldots \end{aligned}
  2. 離散化

    x(t)=cos(ωt)t=nTx(nT)=cos(ωnT)x[n]=cos(ωnT)\begin{aligned} x(t) &= \cos(\omega {\color{#3071c4}t}) \\ &\downarrow {\color{#3071c4}t = nT} \\ x({\color{#3071c4}nT}) &= \cos(\omega {\color{#3071c4}nT}) \\ &\Downarrow \\ x[n] &= \cos(\omega nT) \end{aligned}
  3. 取樣頻率轉換 取樣頻率:fs=1Tf_s = \frac{1}{T} Hz,取樣角頻率為 ωs=2πT\omega_s = \frac{2 \pi}{T} rad/s

    TIP

    ω=2πff=1Tω=2πT\omega = 2 \pi f \xrightarrow{f = \frac{1}{T}} \omega = \frac{2 \pi}{T}

離散時間的週期性 (Periodicity in Discrete Time)#

假設這裡有兩個訊號:xxx1x_1

{x=cos(ωt)x1=cos((ω+ωs)t)\left\{ \begin{array}{ll} x &= \cos(\omega t) \\ x_1 &= \cos((\omega + {\color{#3071c4}\omega_s})t) \end{array} \right.

很明顯這是兩個不一樣頻率的訊號,但如果我們對它們進行採樣,會發現一個很有趣的現象:

x1(t)=cos((ω+ωs)t)t=nTx1[n]=cos((ω+ωs)nT)ωs=2πTx1[n]=cos((ω+2πT)nT)=cos(ωnT+2πTnT)=cos(ωnT+2πn2π 的整數倍,不影響值)=cos(ωnT)\begin{aligned} x_1(t) &= \cos((\omega+\omega_s)t) \\ &\downarrow t = {\color{#3071c4}nT} \\ x_1[n] &= \cos((\omega+\omega_s){\color{#3071c4}nT}) \\ &\because \omega_s = \frac{2\pi}{T} \\ \therefore x_1[n] &= \cos((\omega+\frac{2\pi}{T})\cdot nT) \\ &= cos(\omega nT+\frac{2\pi}{\cancel{T}}\cdot n\cancel{T}) \\ &= cos(\omega nT+{\underbrace{2\pi n}_{\color{#e53935}{2\pi\text{ 的整數倍,不影響值}}}}) \\ &= cos(\omega nT) \end{aligned}

可以觀察到雖然 xxx1x_1 不同,但取樣後都是 cos(ωnT)cos(\omega nT)x[n]=x1[n]\therefore x[n] = x_1[n]

NOTE

這裡再假設一個 x2(t)=cos((ω+ωs)t)x_2(t) = \cos((-\omega+{\color{#3071c4}\omega_s})t),取樣後會得到 x2[n]=cos(ωnT)x_2[n] = \cos(-\omega nT),但因為 cosine 是偶函數,所以 x2[n]=cos(ωnT)=cos(ωnT)=x[n]x_2[n] = \cos(-\omega nT) = \cos(\omega nT) = x[n]

我們可以得到一個結論,在離散的世界裡,很多不同頻率的連續波,採樣後居然會看起來一模一樣,這個就是所謂的 「混疊現象」(Aliasing Phenomenon)

🔗圖片來源:https://www.ni.com/docs/zh-TW/bundle/labwindows-cvi/page/advancedanalysisconcepts/aliasing.html

奈奎斯特-香農取樣定理 (Nyquist-Shannon Sampling Theorem)#

我們現在知道如果取樣頻率不夠高,就會在這種週期性的訊號上產生混疊現象,那如果不想要產生混疊現象的話,具體來說需要多高的取樣頻率呢?奈奎斯特-香農取樣定理給出了答案,並定義了所謂的奈奎斯特頻率 (Nyquist Frequency),又或者稱作奈奎斯特極限 (Nyquist Limit)

  • 奈奎斯特極限: 能被系統唯一表示的最高頻率為 ωs2\frac{\omega_s}{2}
  • 發生混疊的條件: 如果輸入訊號的最高頻率 ωN>ωs2\omega_N > \frac{\omega_s}{2},就會發生混疊
  • 取樣定理: 假設一個連續時間訊號 x(t)x(t),它是一個頻帶受限訊號 (band-limited signal),最高頻率為 ωN\omega_N,寫成數學式:X(jω)=0 for ωωNX(j\omega) = 0 \text{ for } |\omega| \ge \omega_N(所有比 ωN\omega_N 大的頻率都不存在 X(jω)=0\rightarrow X(j\omega) = 0)。如果我們以 ωs2ωN\omega_s \ge 2\omega_N 的頻率對其進行取樣,那麼這個連續訊號 x(t)x(t) 就可以 唯一地 (uniquely) 被它的離散取樣點 x[n]x[n] 所決定。換句話說,只要取樣正確,就能拿這些離散的點拼湊回原本的 x(t)x(t)
頻帶受限訊號 (Band-Limited Signal)

指其頻譜能量集中在有限的頻率範圍內的訊號,簡單來說,它的頻率是有上限的 (ωmax<\omega_{max} < \infty)。

完美還原訊號的數學條件#

if ωs取樣頻率2ωN最高訊號頻率i.e. , Nyquist Limit ωs2ωNωs2ωs2ωNωs=2πTT=2πωs\begin{aligned} &\text{if } \overbrace{\omega_s}^{\color{#3071c4}\text{取樣頻率}} \ge \overbrace{2\omega_N}^{\color{#e53935}\text{最高訊號頻率}} \\ &\text{i.e. , Nyquist Limit } \frac{\omega_s}{2} \\ &\omega_N \le \frac{\omega_s}{2} \color{#3071c4}{\Rightarrow \omega_s \ge 2\omega_N} \\ &\omega_s = \frac{2\pi}{T} \Rightarrow T = \frac{2\pi}{\omega_s} \end{aligned}

反混疊濾波器(Anti-aliasing Filter)#

✍️TODO 以後補

範例與練習#

Ex.1#

Determine which input signals to a digital filter or DSP system will be aliased by the given period Т\text{Т}?

  1. x(t)=2cos(10t) , T = 0.1sx(t) = 2\cos(10t)\text{ , T = 0.1s}
  2. x(t)=8cos(15t) , T = 0.2sx(t) = 8\cos(15t)\text{ , T = 0.2s}
ANS
  1. ωs=2πT=2π0.1=20π\omega_s = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{0.1} = 20\pi
    Nyquist Frequency: ωs2=10π31.4\frac{\omega_s}{2} = 10\pi\approx 31.4
    ωN=10<ωs2\therefore \omega_N = 10 < \frac{\omega_s}{2},沒有混疊
  2. 同理,ωs2=2π0.22=5π15.7\frac{\omega_s}{2} = \frac{\frac{2\pi}{0.2}}{2} = 5\pi\approx 15.7
    ωN=15<ωs2\therefore \omega_N = 15 < \frac{\omega_s}{2},沒有混疊

Ex.2#

Determine if the following signals will be aliased. If the signal is aliased into having the same sample value as a lower frequency sinusoidal signal, determine the lower sinusoidal signal.

  1. x(t)=7cos(25t) , T = 0.1sx(t) = 7\cos(25t)\text{ , T = 0.1s}
  2. x(t)=3cos(160t) , T = 0.02sx(t) = 3\cos(160t)\text{ , T = 0.02s}
ANS
  1. ωs2=2π0.12=10π31.4\frac{\omega_s}{2} = \frac{\frac{2\pi}{0.1}}{2} = 10\pi\approx 31.4
    ωN=25<ωs2\therefore \omega_N = 25 < \frac{\omega_s}{2},沒有混疊
  2. ωs2=2π0.022=50π157\frac{\omega_s}{2} = \frac{\frac{2\pi}{0.02}}{2} = 50\pi\approx 157
    ωN=160>ωs2\therefore \omega_N = 160 > \frac{\omega_s}{2},有混疊
    由於混疊高頻摺疊至低頻的現象ω1+ωs=160-\omega_1 + \omega_s = 160
    ωs=100πω1=100π160\omega_s = 100\pi \Rightarrow \omega_1 = 100\pi - 160
    x1(t)=3cos((100π160)t)3cos(154.2t)\therefore x_1(t) = 3\cos((100\pi - 160)t) \approx 3\cos(154.2t)

數位濾波器規格#

基礎概念與公式#

在介紹數位濾波器之前,要先了解一下下面這三個東西,它們是衡量一個濾波器好不好用、有沒有效的核心概念:

  • 增益 (Gain)
    • Gain=輸入訊號的振幅輸出訊號的增幅Gain = \frac{\text{輸入訊號的振幅}}{\text{輸出訊號的增幅}}
    • 如果 Gain=1Gain = 1,代表訊號無損通過。在濾波器中,這就是我們希望保留訊號的區域,稱為 通帶 (Pass Band)
    • 如果 GainGain 趨近於 00,代表訊號被擋下或大幅削弱。這就是我們希望濾除雜訊的區域,稱為 阻帶 (Stop Band)
  • 損失 (Loss)
    • 增益的倒數,即 Loss=(Gain)1Loss = {(Gain)}^{-1},本質上是一樣的東西,只是換個角度描述
  • 分貝 (dB): 現實世界的訊號強弱差異極大,如果我們在定義濾波器規格的時候只使用倍數來表示,數值會變得極端並且難以繪圖,比如 通帶:阻帶=1:106\text{通帶}:\text{阻帶} = 1 : 10^{-6}。為了閱讀和計算的方便性,分貝這個單位就出現了,它利用對數的性質將巨大的倍數差異壓縮成好處理的數字
    • 分貝轉換公式:GaindB=20log10(Gain)Gain_{\color{#3071c4}{dB}} = 20\cdot\log_{\color{#e53935}{10}}(Gain)
    • 無變化時(11 倍):Gain=1Gain = 120log10(1)=0 dB20\cdot\log_{10}(1) = 0\text{ dB},因此 0 dB0\text{ dB} 在圖表中常常被用來代表訊號的基準線
    • 訊號放大時(假設 22 倍):20log10(2)6 dB20\cdot\log_{10}(2) \approx 6\text{ dB}
    • 訊號衰減時(假設 10410^{-4} 倍):20log10(104)=80 dB20\cdot\log_{10}(10^{-4}) = -80\text{ dB}
REMARK

以分貝作為單位的時候,增益和損失的關係變得更加簡單:

20log10(Loss)=20log10((gain)1)Loss=Gain\begin{aligned} & \because\cancel{20}\cdot\log_{10}(Loss) = \cancel{20}\cdot\log_{10}((gain)^{-1}) \\ & \therefore Loss = -Gain \end{aligned}

奈奎斯特頻率 / 摺疊頻率(Nyquist / Folding frequency)#

ωs2=2πfs2T=1fs,T:Sampling Periodωs2=π1T=πT\begin{aligned} \frac{\omega_s}{2} &= \frac{\cancel{2}\pi \cdot f_s}{\cancel{2}} \\ \because T &= \frac{1}{f_s}, \quad T: \text{Sampling Period} \\ \therefore \frac{\omega_s}{2} &= \pi \cdot \frac{1}{T} = \frac{\pi}{T} \end{aligned}

濾波器與規格參數#

頻率響應的圖表主要由通帶 (Pass Band)、阻帶 (Stop Band) 與 過渡帶 (Transition Band) 組成。

  • 增益規格(Gain spec.):
    • gpmaxg_{pmax}​:通帶內允許的最大增益
    • gpming_{pmin}​:通帶內允許的最小增益
    • gsmaxg_{smax}:阻帶內允許的最大增益
  • 頻率規格(Frequency spec.):
    • ωp\omega_{p}​:通帶內的最高頻率
    • ωs\omega_{s}​:阻帶內的最低頻率
    • ωf\omega_{f}​:摺疊頻率,也就是奈奎斯特頻率,取樣頻率的一半 ωsampling2\frac{\omega_{sampling}}{2}

低通濾波器規格 (Lowpass Digital Filter Specification)#

  • 概念圖
  • 規格定義圖
    NOTE

    在工程設計中,只要增益曲線(綠線)不要碰到「容差邊限」或稱「禁制區」(黑色的斜線區域)就是合格的濾波器了

高通濾波器規格 (Highpass Digital Filter Specification)#

  • 概念圖
  • 規格定義圖

帶通濾波器規格 (Bandpass Digital Filter Specification)#

  • 概念圖
  • 規格定義圖

帶阻濾波器規格 (Bandstop Digital Filter Specification)#

  • 概念圖
  • 規格定義圖
    TIP

    某些帶阻濾波器又被稱為帶陷濾波器 (Notch Filter),Notch 是凹口或是刻痕的意思,一般來說,Notch Filter 專指頻帶非常窄的帶阻濾波器。

濾波器的實際應用#

  • 低通濾波器
    1. 降噪,如 ECG 或 EEG 等生醫訊號及音訊處理
    2. 抗混疊濾波器
    3. 影像處理
  • 高通濾波器
    1. 去除直流成分
    2. 影像邊緣偵測
  • 帶通濾波器
    1. 無線通訊
    2. 生醫訊號處理
    3. 語音訊號處理
  • 帶阻濾波器
    1. 消除電源線干擾
    2. 語音通訊
  • 全通濾波器(增益維持1)
    1. 相位補償
    2. 多通道通訊系統中的訊號對齊

範例與練習#

Ex.1#

Draw the graphical specification for a digital highpass filter out to the folding frequency in rad/s that will not change the gain above 500 rad/s by more than ±3 dB, while reducing the gain below 200 rad/s by more than 40 dB. The sampling time T = 0.001 s.

ANS
  1. 先確定 x 軸的盡頭,也就是 ωf\omega_f 的部分,由於取樣時間 T=0.001sT = 0.001\text{s}
    Nyquist Frequency=πT\because\text{Nyquist Frequency} = \frac{\pi}{T} 💡為什麼?
    ωf=π0.001=1000π\therefore \omega_f = \frac{\pi}{0.001} = 1000\pi
  2. 畫出阻帶,題目說 200 rad/s 以下增益要衰減 40 dB,因此阻帶容許最大增益為 -40 dB,即 gsmax=40 dbg_{smax} = -40\text{ db}
  3. 畫出通帶,題目說 500 rad/s 以上增益改變不能超過 ±3 dB,以無損增益 0 dB 為基準,可得知允許的範圍最高 gpmax=3 dBg_{pmax} = 3\text{ dB},最低 gpmin=3 dBg_{pmin} = -3\text{ dB}

規格圖如下所示:

Ex.2#

Draw the graphical specification for a bandstop digital filter out to its folding frequency that will reduce the gain between 1,000 rad/s and 5,000 rad/s by more than 60 dB, but will not reduce the gain above 10,000 rad/s or below 150 rad/s by more than 3 dB. The sampling rate is 10,000 Hz.

ANS

Nyquist Frequency=ωs2=2πfs2=10000π\text{Nyquist Frequency} = \frac{\omega_s}{2} = \frac{\cancel{2}\pi\cdot f_s}{\cancel{2}} = 10000\pi
後面跟上一題類似故省略
規格圖如下所示:

未完待續…

NOTE

部份圖片來源自:陳榮銘 教授 數位訊號處理課程投影片

數位訊號處理筆記
https://blog.yuuzi.cc/posts/learnings/dsp/
作者
Yuuzi
發佈於
2026-02-24
許可協議
CC BY-NC-SA 4.0