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6 分钟
因果与非因果
2022-10-25
2026-03-30
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信号与系统:因果与非因果的理解

举通俗和专业的例子,由浅入深,来辅助大家理解《信号与系统》中,因果与非因果的区别。

个人感觉讲的比教科书上写的通俗易懂。

通俗例子

例子1:超能力收麦子

假象你是一个农民,在田地里晒麦子,为了尽可能的多晒,你需要在阴雨天到来前一天,把麦子收好,不然麦子就坏了。

因果系统:

天气预报,根据目前和前几天专业的气象信息,推断出了明天下雨。于是你把麦子收好了。

输出(是否收麦子的决定)只取决于现在的输入(当前的气象信息)和过去的输入(前几天的气象信息)。

非因果系统:

你有预知未来的超能力,预知到明天会下雨,于是把麦子收好了。

输出(是否收麦子的决定)还和未来的输入有关(预知到明天会下雨)

例子2:为恐怖片做镜头预警

相信大家一定都看过恐怖片解说,有的解说会为观众在每个恐怖镜头出现前,放倒计时。现在,你将担任解说员在两种情况下,为视频的恐怖镜头做好预警。

因果系统:

你正在进行一场恐怖片的实时直播,当视频镜头突然变得安静,或者恐怖的氛围音乐逐渐响起,这些信息无不宣告着恐怖镜头的到来,于是呢你做出预警。

输出(是否做出预警)只取决于现在的输入和过去的输入(突然的安静、正在播放的恐怖的氛围音乐)

非因果系统:

你事先看过了这个电影,知道在50:30的时候会出现恐怖镜头,于是呢,在50:45分的时候做出了预警。

输出(是否做出预警)取决于未来的输入(50:30分的时候出现恐怖画面)

专业例子

当我们引入数学, 通俗的例子从“形象”转变为“抽象”,开始变得专业。同时因为这个数学具有一个实际的含义,比起教科书上的数学,更像是比较“形象”的抽象,方便理解。

以通俗的例子2:为恐怖片做镜头预警。为例,我们展开讨论。

非因果系统

我们在观看一个恐怖片片段,它的时长有60秒,在50秒的时候有一个恐怖镜头。那么我们用n来表示时间,单位为秒,用x(t)是否为1表示当前时间是否有恐怖镜头。x(t)为1时,表示有,为0表示没有。于是我们得到了下面这张图。

x(t) 示意图

在X(50)处,值为1,表示第50s有恐怖镜头。其余为0,没有恐怖镜头。

预警需要设置在恐怖镜头出现的5s前,给观众足够的时间做心理准备。如果我们用y(t)来表示是否预警,y(t)为1表示预警,为0则不做预警。

根据y(t)的定义,可以得出它的数学表达式:

y(t)=x(t+5)(公式1)y(t)=x(t+5)\tag{公式1}

y(t) 示意图

(公式1)便是典型的非因果系统。它与未来的输入有关。在公式上常常表现为,t+x。

因果系统

依然是为恐怖片做预警,现在根据恐怖氛围音乐(后面简称音乐),用x(t)为1表示出现音乐。假设音乐出现在40s。如图:

image-20221025191046422

用y(t)为1表示预警,当音乐出现后5s,我们做出预警。于是得到y(t)的表达式和图像。

y(t)=x(t5)(公式2)y(t)=x(t-5)\tag{公式2}

image-20221025191257442

(公式2)便是典型的因果系统。它与当前或者之前的输入有关,此处为与之前的输入有关。在公式上常常表现为,t-x。

总结

  1. (公式1)是典型的非因果系统。它与未来的输入有关。在公式上常常表现为,t+x。
  2. (公式2)是典型的因果系统。它与当前或者之前的输入有关,此处为与之前的输入有关。在公式上常常表现为,t-x。
  3. 在做题时,可以依据t的形式进行判断是否为因果系统。

教课书上有不少例子,我觉得其中最容易理解和操作的非因果系统,是滑动滤波。

因果与非因果
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作者
唐承乾
发布于
2022-10-25
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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