信号与系统教案 第1章 信号与系统.ppt

安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-1页第一章第一章 信号与系统信号与系统1.11.1 绪绪 言言 一、信号的概念一、信号的概念 二、二、系统的概念系统的概念1.2 1.2 信号的描述与分类信号的描述与分类 一、信号的描述一、信号的描述 二、二、信号的分类信号的分类1.3 1.3 信号的基本运算信号的基本运算 一、加法和乘法一、加法和乘法 二、二、时间变换时间变换1.4 1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数 一、阶跃函数一、阶跃函数 二、冲激函数二、冲激函数 三、三、冲激函数的性质冲激函数的性质 四、四、序列序列(k)和和(k)1.51.5 系统的性质及分类系统的性质及分类 一、系统的定义一、系统的定义 二、系统的分类及性质二、系统的分类及性质 1.6 1.6 系统的描述系统的描述 一、连续系统一、连续系统 二、离散系统二、离散系统 1.71.7 LTI LTI系统分析方法概系统分析方法概 述述点击目录点击目录 ，进入相关章节，进入相关章节安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-2页 什么是信号？什么是系统？为什么把这两个概念什么是信号？什么是系统？为什么把这两个概念连在一起？连在一起？一、信号的概念一、信号的概念1.消息消息(message):人们常常把来自外界的各种报道统称为人们常常把来自外界的各种报道统称为消息消息。2.信息信息(information):通常把消息中有意义的内容称为通常把消息中有意义的内容称为信息信息。本课程中对本课程中对“信息信息”和和“消息消息”两词不加严格两词不加严格区分。区分。1.1 绪论绪论第一章第一章 信号与系统信号与系统它是信息论中的一个术语。它是信息论中的一个术语。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-3页1.1 绪论绪论3.信号信号(signal):信号信号是信息的载体。通过信号传递信息。是信息的载体。通过信号传递信息。信号我们并不陌生，如刚才铃声信号我们并不陌生，如刚才铃声声信号声信号，表示该上课了；，表示该上课了；十字路口的红绿灯十字路口的红绿灯光信号光信号，指挥，指挥交通；交通；电视机天线接受的电视信息电视机天线接受的电视信息电信电信号号；广告牌上的文字、图象信号等等。广告牌上的文字、图象信号等等。为了有效地传播和利用信息，常常为了有效地传播和利用信息，常常需要将信息转换成便于传输和处理的信需要将信息转换成便于传输和处理的信号。号。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-4页二、系统的概念二、系统的概念 一般而言，一般而言，系统系统(system)(system)是指若干相互关联的事物组是指若干相互关联的事物组合而成具有特定功能的整体。合而成具有特定功能的整体。如手机、电视机、通信网、计算机网等都可以看成系如手机、电视机、通信网、计算机网等都可以看成系统。它们所传送的语音、音乐、图象、文字等都可以看成统。它们所传送的语音、音乐、图象、文字等都可以看成信号。信号的概念与系统的概念常常紧密地联系在一起。信号。信号的概念与系统的概念常常紧密地联系在一起。信号的产生、传输和处理需要一定的物理装置，这样的信号的产生、传输和处理需要一定的物理装置，这样的物理装置常称为系统。物理装置常称为系统。系统的基本作用是对输入信系统的基本作用是对输入信号进行加工和处理，将其转换为所号进行加工和处理，将其转换为所需要的输出信号。需要的输出信号。系统系统系统系统输入信号输入信号激励激励输出信号输出信号响应响应1.1 绪论绪论安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-5页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类第一章第一章 信号与系统信号与系统一、信号的描述一、信号的描述 信号信号是信息的一种物理体现。它一般是随时间是信息的一种物理体现。它一般是随时间或位置变化的物理量。或位置变化的物理量。信号信号按物理属性分：电信号和非电信号。它们按物理属性分：电信号和非电信号。它们可以相互转换。电信号容易产生，便于控制，易于可以相互转换。电信号容易产生，便于控制，易于处理。本课程讨论电信号处理。本课程讨论电信号-简称简称“信号信号”。电信号的基本形式电信号的基本形式：随时间变化的电压或电流。随时间变化的电压或电流。描述信号的常用方法描述信号的常用方法（1 1）表示为时间的函数）表示为时间的函数 （2 2）信号的图形表示）信号的图形表示-波形波形“信号信号”与与“函数函数”两词常相互通用。两词常相互通用。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-6页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类二、信号的分类二、信号的分类1.确定信号和随机信号确定信号和随机信号 可以用确定时间函数表示的信号，称为可以用确定时间函数表示的信号，称为确定信号确定信号或或规规则信号则信号。如正弦信号。如正弦信号。若信号不能用确切的函数描述，它在任意时刻的取若信号不能用确切的函数描述，它在任意时刻的取值都具有不确定性，只可能知道它的统计特性，如在某时刻值都具有不确定性，只可能知道它的统计特性，如在某时刻取某一数值的概率，这类信号称为取某一数值的概率，这类信号称为随机信号随机信号或或不确定信号不确定信号。电子系统中的起伏热噪声、雷电干扰信号就是两种典型的随电子系统中的起伏热噪声、雷电干扰信号就是两种典型的随机信号。机信号。研究确定信号是研究随机信号的基础。本课程只讨论确研究确定信号是研究随机信号的基础。本课程只讨论确定信号。定信号。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-7页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类2.连续信号和离散信号连续信号和离散信号 根据信号定义域的特点可分根据信号定义域的特点可分为为连续时间信号和离散时间信号连续时间信号和离散时间信号。在连续的时间范围内在连续的时间范围内(-t(-t）有）有定义的信号定义的信号称为称为连续时间信号连续时间信号，简称，简称连续信号连续信号。实际中也常称。实际中也常称为为模拟信号模拟信号。这里的这里的“连续连续”指函数的定义域指函数的定义域时间是连续时间是连续的，但可含间断点，至于值域可连续也可不连续。的，但可含间断点，至于值域可连续也可不连续。值域连续值域连续值域不值域不连续连续（1 1）连续时间信号：）连续时间信号：安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-8页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类 仅在一些离散的瞬间才有定义的信号称为仅在一些离散的瞬间才有定义的信号称为离散时间信号离散时间信号，简，简称称离散信号离散信号。实际中也常称为。实际中也常称为数字信号数字信号。这里的这里的“离散离散”指信号的定义域指信号的定义域时间是离散的，它只在某些时间是离散的，它只在某些规定的离散瞬间给出函数值，其余时间无定义。规定的离散瞬间给出函数值，其余时间无定义。如右图的如右图的f(t)仅在一些离散时刻仅在一些离散时刻tk(k=0,1,2,)才有定义，其余时间无定义。才有定义，其余时间无定义。相邻离散点的间隔相邻离散点的间隔Tk=tk+1-tk可以相等也可以相等也可不等。通常取等间隔可不等。通常取等间隔T，离散信号可离散信号可表示为表示为f(kT)，简写为简写为f(k)，这种等间隔的这种等间隔的离散信号也常称为离散信号也常称为序列序列。其中。其中k称为称为序号序号。离散时间信号：离散时间信号：安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-9页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类上述离散信号可简画为上述离散信号可简画为用表达式可写为用表达式可写为或写为或写为f(k)=，0，1，2，-1.5，2，0，1，0，k=0k=0通常将对应某序号通常将对应某序号m的序列值称为第的序列值称为第m个样点的个样点的“样值样值”。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-10页连续信号连续信号离散信号离散信号安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-11页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类3.周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号 周期信号周期信号(period signal)是定义在是定义在(-(-，)区区间，每隔一定时间间，每隔一定时间T T(或整数或整数N N），），按相同规律重复按相同规律重复变化的信号。变化的信号。连续周期信号连续周期信号f(t)满足满足 f(t)=f(t+mT)，m=0,1,2,离散周期信号离散周期信号f(k)满足满足 f(k)=f(k+mN)，m=0,1,2,满足上述关系的最小满足上述关系的最小T T(或整数或整数N N)称为该信号的称为该信号的周期周期。不不具有周期性的信号称为具有周期性的信号称为非周期信号非周期信号。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-12页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类例例1 1 判断下列信号是否为周期信号，若是，确定其周期。判断下列信号是否为周期信号，若是，确定其周期。（1 1）f1(t)=sin2t+cos3t （2）f2(t)=cos2t+sint解：解：两个周期信号两个周期信号x(t)，y(t)的周期分别为的周期分别为T1和和T2，若其周期之比若其周期之比T1/T2为有理数，则其和信号为有理数，则其和信号x(t)+y(t)仍然是周期信号，其周期为仍然是周期信号，其周期为T1和和T2的最小公倍数。的最小公倍数。（1）sin2t是周期信号，其角频率和周期分别为是周期信号，其角频率和周期分别为 1=2 rad/s ，T1=2/1=s cos3t是周期信号，其角频率和周期分别为是周期信号，其角频率和周期分别为 2=3 rad/s ，T2=2/2=(2/3)s由于由于T1/T2=3/2为有理数，故为有理数，故f1(t)为周期信号，其周期为为周期信号，其周期为T1和和T2的的最小公倍数最小公倍数2。（2）cos2t 和和sint的的周期分别为周期分别为T1=s，T2=2 s，由于由于T1/T2为无为无理数，故理数，故f2(t)为非周期信号。为非周期信号。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-13页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类例例2 2 判断正弦序列判断正弦序列f(k)=sin(k)是否为周期信号，是否为周期信号，若是，确定其周期。若是，确定其周期。解解 f(k)=sin(k)=sin(k+2m)，m=0,1,2,式中式中称为正弦序列的数字角频率，单位：称为正弦序列的数字角频率，单位：rad。由上式可见：由上式可见：仅当仅当2/为为整数时整数时，正弦序列才具有周期，正弦序列才具有周期N=2/。当当2/为为有理数时有理数时，正弦序列仍为具有周期性，但其，正弦序列仍为具有周期性，但其 周期为周期为N=M(2/)，M取使取使N为整数的最小整数。为整数的最小整数。当当2/为无理数时为无理数时，正弦序列为非周期序列。，正弦序列为非周期序列。=sin(k+m2/)=sin(k+N)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-14页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类例例3 3 判断下列序列是否为周期信号，若是，确定其周期。判断下列序列是否为周期信号，若是，确定其周期。（1 1）f1(k)=sin(3k/4)+cos(0.5k)（2）f2(k)=sin(2k)解解（1）sin(3k/4)和和cos(0.5k)的数字角频率分别为的数字角频率分别为 1=3/4 rad，2=0.5 rad由于由于2/1=8/3，2/2=4为为有理数，故它们的周期分别为有理数，故它们的周期分别为N1=8，N1=4，故，故f1(k)为为周期序列，其周期为周期序列，其周期为N1和和N2的的最小公倍数最小公倍数8。（2）sin(2k)的数字角频率为的数字角频率为 1=2 rad；由于由于2/1=为无理数，为无理数，故故f2(k)=sin(2k)为非为非周期序列周期序列。由上面几例可看出由上面几例可看出：连续正弦信号一定是周期信号，而正弦连续正弦信号一定是周期信号，而正弦序列序列不一定是周期序列。不一定是周期序列。两连续周期信号之和不一定是周期信号，而两连续周期信号之和不一定是周期信号，而两周期序列之和一定是周期序列。两周期序列之和一定是周期序列。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-15页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类4能量信号与功率信号能量信号与功率信号 将信号将信号f(t)施加于施加于1电阻上，它所消耗的瞬时功电阻上，它所消耗的瞬时功率为率为|f(t)|2，在区间在区间(,)的的能量能量和和平均功率平均功率定义定义为为（1）信号的能量）信号的能量E（2）信号的功率）信号的功率P若信号若信号f(t)的能量有界，即的能量有界，即 E ,则称其为则称其为能量有限能量有限信号信号，简称，简称能量信号能量信号。此时。此时 P=0 若信号若信号f(t)的功率有界，即的功率有界，即 P ,则称其为则称其为功率有限功率有限信号信号，简称，简称功率信号功率信号。此时。此时 E=安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-16页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类相应地相应地，对于，对于离散信号离散信号，也有能量信号、功率信号之分。，也有能量信号、功率信号之分。若满足若满足 的的离散信号离散信号，称为能量信号。，称为能量信号。若满足若满足 的的离散信号离散信号，称为功率信号。，称为功率信号。时限信号时限信号(仅在有限时间区间不为零的信号仅在有限时间区间不为零的信号)为能量为能量信号信号;周期信号周期信号属于功率信号，而属于功率信号，而非周期信号非周期信号可能是可能是能量信号，也可能是功率信号。能量信号，也可能是功率信号。有些信号既不是属于能量信号也不属于功率信号，有些信号既不是属于能量信号也不属于功率信号，如如 f(t)=e t。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-17页1.2 信号的描述和分类信号的描述和分类5一维信号与多维信号一维信号与多维信号 从数学表达式来看，信号可以表示为一个或多个变量的函从数学表达式来看，信号可以表示为一个或多个变量的函数，称为数，称为一维一维或或多维函数多维函数。语音信号语音信号可表示为声压随时间变化的函数，这是可表示为声压随时间变化的函数，这是一维信号一维信号。而一张而一张黑白图像黑白图像每个点每个点(像素像素)具有不同的光强度，任一点又是具有不同的光强度，任一点又是二维平面坐标中两个变量的函数，这是二维平面坐标中两个变量的函数，这是二维信号二维信号。还有更多维。还有更多维变量的函数的信号。变量的函数的信号。本课程只研究本课程只研究一维信号一维信号，且自变量多为时间。，且自变量多为时间。6因果信号与反因果信号因果信号与反因果信号 常将常将 t=0时接入系统的信号时接入系统的信号f(t)即在即在t 0，则将则将f()右移；右移；否则左移否则左移。如如右移右移t t 1左移左移t t+1安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-22页1.3 信号的基本运算信号的基本运算平移与反转相结合平移与反转相结合法一：法一：先平移先平移f(t)f(t+2)再反转再反转 f(t+2)f(t+2)法二：法二：先反转先反转 f(t)f(t)画出画出 f(2 t)。再平移再平移 f(t)f(t+2)=f (t 2)左移左移右移右移注意：是对注意：是对t 的变换！的变换！安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-23页1.3 信号的基本运算信号的基本运算 3.3.尺度变换（横坐标展缩）尺度变换（横坐标展缩）将将 f(t)f(a t)，称为对信号称为对信号f(t)的的尺度变换尺度变换。若若a 1，则波形沿横坐标压缩；若则波形沿横坐标压缩；若0 a 1，则，则展开展开。如。如t 2t 压缩压缩t 0.5t 展开展开u对于离散信号，由于对于离散信号，由于 f(a k)仅在为仅在为a k 为整数时才有意义，为整数时才有意义，进行进行尺度变换时可能会使部分信号丢失。因此一般不作波形的尺度变换。尺度变换时可能会使部分信号丢失。因此一般不作波形的尺度变换。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-24页1.3 信号的基本运算信号的基本运算平移、反转、尺度变换相结合平移、反转、尺度变换相结合已知已知f(t)，画出画出 f(4 2t)。l三种运算的次序可任意。但三种运算的次序可任意。但一定要注意始终对时间一定要注意始终对时间t进行。进行。压缩，得压缩，得f(2t 4)反转，得反转，得f(2t 4)右移右移4，得，得f(t 4)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-25页1.3 信号的基本运算信号的基本运算压缩，得压缩，得f(2t)右移右移2，得，得f(2t 4)反转，得反转，得f(2t 4)也也可以先压缩、再平移、最后反转。可以先压缩、再平移、最后反转。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-26页1.3 信号的基本运算信号的基本运算若若已知已知f(4 2t)，画出画出 f(t)呢？呢？反转，得反转，得f(2t 4)展开，得展开，得f(t 4)左移左移4，得，得f(t)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-27页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数 阶跃函数阶跃函数和和冲激函数冲激函数不同于普通函数，称为不同于普通函数，称为奇异函数奇异函数。研。研究奇异函数的性质要用到广义函数（或分布函数）的理论。这究奇异函数的性质要用到广义函数（或分布函数）的理论。这里将直观地引出阶跃函数和冲激函数定义。里将直观地引出阶跃函数和冲激函数定义。1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数一、阶跃函数一、阶跃函数下面采用求下面采用求函数序列极限函数序列极限的方法定义阶跃函数。的方法定义阶跃函数。选定一个函数序列选定一个函数序列n(t)如图所示。如图所示。n安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-28页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数阶跃函数性质：阶跃函数性质：（1）可以方便地表示某些信号）可以方便地表示某些信号 f(t)=2(t)-(t-1)-(t-1)-(t-2)=2(t)-3(t-1)+(t-2)（2）用阶跃函数表示信号的作用区间）用阶跃函数表示信号的作用区间（3）积分）积分 安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-29页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数二、冲激函数二、冲激函数 单位冲激函数单位冲激函数是个奇异函数，它是对强度极大、作用时是个奇异函数，它是对强度极大、作用时间极短一种物理量的理想化模型。定义为（狄拉克最早提出）间极短一种物理量的理想化模型。定义为（狄拉克最早提出）也可采用下列也可采用下列直观定义直观定义：如图所示的矩形：如图所示的矩形脉冲脉冲pn(t)（即即：对对n(t)求导得到）求导得到）。高度无穷大，宽度无穷小，面积为高度无穷大，宽度无穷小，面积为1 1的对称的对称窄脉冲。窄脉冲。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-30页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数冲激函数与阶跃函数关系：冲激函数与阶跃函数关系：可见，引入冲激函数之后，可见，引入冲激函数之后，间断点的导数也存在。如间断点的导数也存在。如f(t)=2(t+1)-2(t-1)f(t)=2(t+1)-2(t-1)求导求导nn安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-31页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数三、冲激函数的性质三、冲激函数的性质 1.1.与普通函数与普通函数 f(t)的乘积的乘积取样性质取样性质若若f(t)在在 t=0、t=a处存在，则处存在，则 0(t)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-32页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数 2.冲激函数的导数冲激函数的导数(t)（也称也称冲激偶冲激偶）f(t)(t)=f(0)(t)f(0)(t)证明：证明：f(t)(t)=f(t)(t)+f(t)(t)f(t)(t)=f(t)(t)f(t)(t)=f(0)(t)f(0)(t)(t)的的定义：定义：(n)(t)的的定义：定义：安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-33页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数 3.(t)的的尺度变换尺度变换推论推论:(1)(2t)=(t)*(1/2)(2)当当a=1时时 所以，所以，(t)=(t)为为偶函数，偶函数，(t)=(t)为奇函数为奇函数.安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-34页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数例：已知例：已知f(t)，画出画出g(t)=f(t)和和 g(2t)求导，得求导，得g(t)压缩，得压缩，得g(2t)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-35页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数4.4.复合函数形式的冲激函数复合函数形式的冲激函数 实际中有时会遇到形，如实际中有时会遇到形，如f(t)的冲激函数，其中的冲激函数，其中f(t)是普通是普通函数。并且函数。并且f(t)=0有有n个互不相等的实根个互不相等的实根 ti(i=1，2，n)f(t)图示说明：图示说明：例例 f(t)=t2 4(t2 4)=1(t+2)+(t 2)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-36页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数(t 2 4)=1(t+2)+(t 2)一般地，一般地，这表明，这表明，f(t)是位于各是位于各ti处，强度为处，强度为 的的n个冲激个冲激函数构成的冲激函数序列。函数构成的冲激函数序列。注意：如果注意：如果f(t)=0有重根，有重根，f(t)无意义。无意义。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-37页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数这两个序列是普通序列。这两个序列是普通序列。（1）单位）单位(样值样值)序列序列(k)的的定义定义取样性质：取样性质：f(k)(k)=f(0)(k)f(k)(k k0)=f(k0)(k k0)例例三、序列三、序列(k)和和(k)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-38页1.4 阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数（2）单位阶跃序列）单位阶跃序列(k)的的定义定义（3）(k)与与(k)的的关系关系(k)=(k)(k 1)或或即：即：(k)=(k)+(k 1)+安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-39页*利用冲激信号序列对连续信号进行抽样利用冲激信号序列对连续信号进行抽样:连连续续离离散散的的转转化化tn安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-40页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类一、系统的定义一、系统的定义 若干相互作用、相互联系的事物按一定规律组成若干相互作用、相互联系的事物按一定规律组成具有特定功能的整体称为系统。具有特定功能的整体称为系统。电系统是电子元器件的集合体。电路侧重于局部，电系统是电子元器件的集合体。电路侧重于局部，系统侧重于全部。电路、系统两词通用。系统侧重于全部。电路、系统两词通用。二、系统的分类及性质二、系统的分类及性质 可以从多种角度来观察、分析、研究系统的特可以从多种角度来观察、分析、研究系统的特征，提出对系统进行分类的方法。征，提出对系统进行分类的方法。下面讨论几种常用的分类法。下面讨论几种常用的分类法。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-41页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类1.1.连续系统与离散系统连续系统与离散系统 若系统的输入信号是连续信号，系统的输出信号若系统的输入信号是连续信号，系统的输出信号也是连续信号，则称该系统为也是连续信号，则称该系统为连续时间系统连续时间系统，简称为，简称为连续系统连续系统。若系统的输入信号和输出信号均是离散信号，若系统的输入信号和输出信号均是离散信号，则称该系统为则称该系统为离散时间系统离散时间系统，简称为，简称为离散系离散系统统。2.2.动态系统与即时系统动态系统与即时系统 若系统在任一时刻的响应不仅与该时刻的激励有关，若系统在任一时刻的响应不仅与该时刻的激励有关，而且与它过去的历史状况有关，则称为而且与它过去的历史状况有关，则称为动态系统动态系统 或或记忆系统记忆系统。含有记忆元件。含有记忆元件(电容、电感等电容、电感等)的系统是动的系统是动态系统。否则称态系统。否则称即时系统即时系统或或无记忆系统无记忆系统。3.3.单输入单输出系统与多输入多输出系统单输入单输出系统与多输入多输出系统安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-42页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类4.4.线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统满足线性性质的系统称为满足线性性质的系统称为线性系统线性系统。（1 1）线性性质）线性性质系统的激励系统的激励f()所引起的响应所引起的响应y()可简记为可简记为 y()=T f()线性性质包括两方面：线性性质包括两方面：齐次性齐次性和和可加性可加性。(a).若系统的激励若系统的激励f()增大增大a倍时，其响应倍时，其响应y()也增大也增大a倍，即倍，即 T af()=a T f(),则称该系统是则称该系统是齐次的齐次的。(b).若系统对于激励若系统对于激励f1()与与f2()之和的响应等于各个激励所之和的响应等于各个激励所引起引起 的响应之和，即的响应之和，即 T f1()+f2()=T f1()+T f2()则称该系统是则称该系统是可可加的加的。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-43页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类若系统既是齐次的又是可加的，则称该系统是若系统既是齐次的又是可加的，则称该系统是线性的线性的，即，即 Ta f1()+bf2()=a T f1()+bT f2()（2 2）动态系统是线性系统的条件）动态系统是线性系统的条件 动态系统不仅与激励动态系统不仅与激励 f()有关，而且与系统的初始有关，而且与系统的初始状态状态x(0)有关。有关。初始状态也称初始状态也称“内部激励内部激励”。完全响应完全响应可写为可写为 y()=T f(),x(0)零状态响应零状态响应为为 yf()=T f(),0零输入响应零输入响应为为 yx()=T 0，x(0)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-44页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类当动态系统满足下列三个条件时该系统为线性系统当动态系统满足下列三个条件时该系统为线性系统：零零状态线性状态线性：Ta f(),0=a T f(),0 Tf1(t)+f2(t),0=T f1(),0+T f2(),0或或 Taf1(t)+bf2(t),0=aT f1(),0+bT f2(),0零零输入线性输入线性：T0,ax(0)=aT 0,x(0)T0,x1(0)+x2(0)=T0,x1(0)+T0,x2(0)或或 T0,ax1(0)+bx2(0)=aT0,x1(0)+bT0,x2(0)可分解性可分解性：y()=yf()+yx()=T f(),0+T 0，x(0)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-45页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类例例1：判断下列系统是否为线性系统？：判断下列系统是否为线性系统？（1）y(t)=3 x(0)+2 f(t)+x(0)f(t)+1 （2）y(t)=2 x(0)+|f(t)|（3）y(t)=x2(0)+2 f(t)解解（1）yf(t)=2 f(t)+1，yx(t)=3 x(0)+1 显然，显然，y(t)yf(t)yx(t)不满足可分解性，故为非线性系统不满足可分解性，故为非线性系统.（2）yf(t)=|f(t)|，yx(t)=2 x(0)y(t)=yf(t)+yx(t)满足可分解性满足可分解性;由于由于 Ta f(t),0=|af(t)|a yf(t)不满足零状态线性。不满足零状态线性。故为非线性系统故为非线性系统.（3）yf(t)=2 f(t),yx(t)=x2(0)，显然满足可分解性；显然满足可分解性；由于由于T 0,a x(0)=a x(0)2 a yx(t)不满足零输入线性不满足零输入线性;故为非线性系统。故为非线性系统。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-46页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类例例2：判断下列系统是否为线性系统？判断下列系统是否为线性系统？解：解：y(t)=yf(t)+yx(t)，满足可分解性；满足可分解性；(2).Ta f1(t)+b f2(t),0=aTf1(t),0+bT f2(t),0，满足零状态线性满足零状态线性；(3).T0,ax1(0)+bx2(0)=e-tax1(0)+bx2(0)=ae-tx1(0)+be-tx2(0)=aT0,x1(0)+bT0,x2(0),满足零输入线性满足零输入线性；所以，该系统为线性系统所以，该系统为线性系统。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-47页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类5.5.时不变系统与时变系统时不变系统与时变系统满足时不变性质的系统称为满足时不变性质的系统称为时不变系统时不变系统。（1 1）时不变性质）时不变性质 若系统满足输入延迟多少时间，其零若系统满足输入延迟多少时间，其零状态响应也延迟多少时间，即若状态响应也延迟多少时间，即若 T0，f(t)=yf(t)则有则有 T0，f(t-td)=yf(t-td)系统的这种性质称为系统的这种性质称为时不变性时不变性（或（或移位不变性移位不变性）。）。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-48页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类例例：判断下列系统是否为时不变系统？：判断下列系统是否为时不变系统？（a）yf(k)=f(k)f(k 1)（b）yf(t)=t f(t)（c）y f(t)=f(t)解解:(a)令令g(k)=f(k kd)T0，g(k)=g(k)g(k 1)=f(k kd)f(kkd 1)而而 yf(k kd)=f(k kd)f(kkd 1)显然显然 T0，f(k kd)=yf(k kd)故该系统是时不变的。故该系统是时不变的。(b)令令g(t)=f(t td)T0，g(t)=t g(t)=t f(t td)而而 yf(t td)=(t td)f(t td)显然显然T0，f(t td)yf(t td)故该系统为时变系统。故该系统为时变系统。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-49页(c)令令g(t)=f(t td),T0，g(t)=g(t)=f(t td)而而 yf(t td)=f(t td)，显然显然 T0，f(t td)yf(t td)故该系统为时变系统。故该系统为时变系统。直观判断方法：直观判断方法：若若f()前出现变系数，或有反转、展缩变换，前出现变系数，或有反转、展缩变换，则系统为时变系统。则系统为时变系统。1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-50页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类（2 2）LTILTI连续系统的微分特性和积分特性连续系统的微分特性和积分特性本课程重点讨论线性时不变系统本课程重点讨论线性时不变系统 (Linear Time-Invariant)，简称简称LTI系统。系统。微分特性：微分特性：若若 g(t)yf(t),则则 g(t)yf(t)积分特性：积分特性：若若 g(t)yf(t)，则，则安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-51页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类6.6.因果系统与非因果系统因果系统与非因果系统零零状态响应不会出现在激励之前的系统，称为状态响应不会出现在激励之前的系统，称为因果系统因果系统。即对因果系统，当即对因果系统，当t t0，f(t)=0时，有时，有t t0，yf(t)=0。如如下列系统均为下列系统均为因果系统因果系统：yf(t)=3f(t 1)而下列系统为而下列系统为非因果系统非因果系统：(1)yf(t)=2f(t+1)(2)yf(t)=f(2t)因为，令因为，令t=1时，有时，有yf(1)=2f(2)因为，若因为，若f(t)=0，t t0，有，有yf(t)=f(2t)=0,t 0；当当x(0-)=2，输入信号输入信号f2(t)=3f1(t)时，全响应时，全响应 y2(t)=2e t+3 cos(t)，t0；求输入求输入f3(t)=+2f1(t-1)时，系统的零状态响应时，系统的零状态响应y3f(t)。解解:设当设当x(0)=1，输入因果信号输入因果信号f1(t)时，系统的零时，系统的零输入响应和零状态响应分别为输入响应和零状态响应分别为y1x(t)、y1f(t)。当。当x(0-)=2，输入信号输入信号f2(t)=3f1(t)时，系统的零输入响应时，系统的零输入响应和零状态响应分别为和零状态响应分别为y2x(t)、y2f(t)。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-53页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类由题中条件，有由题中条件，有 y1(t)=y1x(t)+y1f(t)=e t+cos(t)，t0 （1）y2(t)=y2x(t)+y2f(t)=2e t+3 cos(t)，t0 （2）根据线性系统的齐次性根据线性系统的齐次性:y2x(t)=2y1x(t)，y2f(t)=3y1f(t),代入式代入式（2）得）得 y2(t)=2y1x(t)+3 y1f(t)=2e t+3 cos(t)，t0 （3）式式(3)2式式(1)，得，得 y1f(t)=4e-t+cos(t)，t0由于由于y1f(t)是因果系统对因果输入信号是因果系统对因果输入信号f1(t)的零状态响应，故当的零状态响应，故当t0，y1f(t)=0；因此因此y1f(t)可改写成可改写成 y1f(t)=4e-t+cos(t)(t)(4)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-54页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类f1(t)y1f(t)=4e-t+cos(t)(t)根据根据LTI系统的微分特性系统的微分特性=3(t)+4 sin(t)(t)根据根据LTI系统的时不变特性系统的时不变特性f1(t1)y1f(t 1)=4+cos(t1)(t1)由线性性质，得：当输入由线性性质，得：当输入f3(t)=+2f1(t1)时，时，y3f(t)=+2y1(t1)=3(t)+4sin(t)(t)+24+cos(t1)(t1)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-55页1.5 系统的性质及分类系统的性质及分类7.7.稳定系统与不稳定系统稳定系统与不稳定系统 一个系统，若对有界的激励一个系统，若对有界的激励f(.)所产生的零状态所产生的零状态响应响应yf(.)也是有界时，则称该系统为也是有界时，则称该系统为有界输入有界输有界输入有界输出稳定出稳定，简称，简称稳定稳定。即。即 若若f(.)，其，其yf(.)则称系统是则称系统是稳定稳定的。的。例如例如:yf(k)=f(k)+f(k-1)是是稳定系统；而稳定系统；而是不稳定系统。是不稳定系统。(因为，当因为，当f(t)=(t)有界，有界，当当t 时，它也时，它也，无，无界。界。)安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-56页1.6 系统的描述系统的描述1.6 系统的描述系统的描述 描述连续动态系统的数学模型是描述连续动态系统的数学模型是微分方程微分方程，描，描述离散动态系统的数学模型是述离散动态系统的数学模型是差分方程差分方程。一、连续系统一、连续系统1.1.解析描述解析描述建立数学模型建立数学模型 图示图示RLC电路，以电路，以uS(t)作激励，以作激励，以uC(t)作为作为响应，由响应，由KVL和和VAR列方程，并整理得列方程，并整理得二阶常系数线性微分方程。二阶常系数线性微分方程。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-57页1.6 系统的描述系统的描述抽去具有的物理含义，微分方程写成抽去具有的物理含义，微分方程写成这个方程也可以描述下面的一个二阶机械减振系统。这个方程也可以描述下面的一个二阶机械减振系统。其中，其中，k为弹簧常数，为弹簧常数，M为物体质为物体质量，量，C为减振液体的阻尼系数，为减振液体的阻尼系数，x为物体偏离其平衡位置的位移，为物体偏离其平衡位置的位移，f(t)为初始外力。其运动方程为为初始外力。其运动方程为能用相同方程描述的系统称能用相同方程描述的系统称相似系统相似系统。安徽建工学院信号与线性系统讲义第1-58页1.6 系统的描述系统的描述2.2.系统的框图描述系统的框图描述上述方程从上述方程从数学角度数学角度来说代表了某些运算关系：来说代表了某些运算关系：相相乘、微分、相加运算乘、微分、相加运算。将这些基本运算用一些理想。将这些基本运算用一些理想部件符号表示出来并相互联接表征上述方程的运算部件符号表示出来并相互联接表征上述方程的运算关系，这样画出的图称为关系，这样画出的图称为模拟框图模拟框图，简