信号与线性系统分析第一章.ppt

信号与线性系统信号与线性系统Bn教材：信号与线性系统分析（第四版）n授课教师：李 淑 静nTel：13576147477n办公室：逸夫楼113 先修课先修课 后续课程后续课程高等数学高等数学 数字信号处理数字信号处理 线性代数线性代数 通信原理通信原理复变函数复变函数 电路分析基础电路分析基础 课程性质课程性质 该课程是将学生从电路分析的知识领域引入信号该课程是将学生从电路分析的知识领域引入信号处理与传输领域的关键性课程，在教学环节中起着承处理与传输领域的关键性课程，在教学环节中起着承上启下的作用上启下的作用。与与电路分析电路分析比较，更抽象，更一般化；比较，更抽象，更一般化；应用数学知识较多，用数学工具分析物理概应用数学知识较多，用数学工具分析物理概念；念；(信号与系统课程的核心，是教会我们如何信号与系统课程的核心，是教会我们如何利用数学工具，解决实际工程问题利用数学工具，解决实际工程问题)主要工具：主要工具：微分、积分、线性代数、复变函数、微分微分、积分、线性代数、复变函数、微分方程方程 、差分方程；、差分方程；课程特点课程特点主要内容主要内容信号与系统课程的知识结构，可以概括为一信号与系统课程的知识结构，可以概括为一个任务，两种系统，两类方法，三大变换个任务，两种系统，两类方法，三大变换q一个任务：分析系统对信号的响应一个任务：分析系统对信号的响应q两种系统：连续时间系统，离散时间系统两种系统：连续时间系统，离散时间系统q两类方法：时域法，变换域法两类方法：时域法，变换域法q三大变换：傅里叶变换，拉斯变换，三大变换：傅里叶变换，拉斯变换，z z变换变换 注重物理概念与数学分析之间的对照，注注重物理概念与数学分析之间的对照，注意分析结果的物理解释；意分析结果的物理解释；在学习中要淡化数学背景，不要在繁琐的数在学习中要淡化数学背景，不要在繁琐的数学中过多纠缠，打破对课程的恐惧感；学中过多纠缠，打破对课程的恐惧感；同一问题可有多种解法，应寻找最简单、同一问题可有多种解法，应寻找最简单、最合理的解法，比较各方法之优劣；最合理的解法，比较各方法之优劣；不要当成数学课程来学习；不要当成数学课程来学习；学习方法学习方法要做到：要做到：理解概念、掌握方法、多做多练、理解概念、掌握方法、多做多练、融会贯通。融会贯通。(1)信号与系统（第二版）信号与系统（第二版）上、下册上、下册 郑君里、应启珩郑君里、应启珩 、杨为理杨为理 北京北京.高等教育出版社高等教育出版社.20002000年年5 5月月(2)Signals and systems（信号与系统）（信号与系统）ALANV.OPPENHEIM（刘树棠译）刘树棠译）西安西安.西安交通大学出版社西安交通大学出版社,1997(3)信号与线性系统信号与线性系统 管致中等管致中等 北京北京.高等教育出版高等教育出版 社社,1992等等等等参考书目参考书目 作业要求作业要求-每章一次每章一次,作业布置后一周后作业布置后一周后 交；独立完成交；独立完成,要有过程，不要有过程，不 能只有答案；能只有答案；成绩构成成绩构成-平时成绩（出勤、作业）平时成绩（出勤、作业）+考考试成绩试成绩 考试方式考试方式-闭卷笔试闭卷笔试其他问题其他问题章节与学时分配章节与学时分配第第1章章 信号与系统信号与系统（6学时）学时）第第2章章 连续系统的时域分析连续系统的时域分析（6学时）学时）第第3章章 离散系统的时域分析离散系统的时域分析（6学时）学时）第第4章章 傅里叶变换和系统的频域分析傅里叶变换和系统的频域分析（16学时）学时）第第5章章 连续系统的连续系统的S域分析域分析（6学时）学时）本章内容本章内容n1.1 绪言n1、信号的概念n2、系统的概念n1.2 信号的描述与分类n1、信号的描述n2、信号的分类n1.3 信号的基本运算n1、加法和乘法n2、时间变换n1.4 阶跃函数和冲激函数n一、阶跃函数n二、冲激函数n三、冲激函数的性质n1.5 系统的描述n一、系统的数学模型n二、系统的框图表示n1.6 系统的特性和分析方法1.1 绪言n一、概念一、概念1 1、信号：信息的表现形式，承载信息的工具。、信号：信息的表现形式，承载信息的工具。光、电、声音、图像光、电、声音、图像.信号处理：对信号进行某种加工或变换。信号处理：对信号进行某种加工或变换。2 2、系统：产生、传输或处理信号的客观实体。、系统：产生、传输或处理信号的客观实体。由若干相互作用相互依赖的事物组合而由若干相互作用相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。成的具有特定功能的整体。如：通信系统、控制系统、计算机系统如：通信系统、控制系统、计算机系统n信号与系统常常紧密地联系在一起。信号与系统常常紧密地联系在一起。n没有信号的系统没有任何意义。没有信号的系统没有任何意义。n系统的基本作用是对输入信号进行加工和处理，系统的基本作用是对输入信号进行加工和处理，将其转换为所需要的输出信号。将其转换为所需要的输出信号。二、信号和系统的联系二、信号和系统的联系系统的研究方法包括：系统的研究方法包括：系统分析：系统分析：研究系统对于输入激励信号所产生研究系统对于输入激励信号所产生的输出响应；的输出响应；系统综合系统综合：按某种需要提出对于给定激励信号：按某种需要提出对于给定激励信号 的响应，再据此设计具体的系统；的响应，再据此设计具体的系统；本课程的研究方法本课程的研究方法 本课程的讨论范围着重系统分析，以通信本课程的讨论范围着重系统分析，以通信系统和控制系统的基本问题为主要背景，研究系统和控制系统的基本问题为主要背景，研究信号进过系统传输或处理的信号进过系统传输或处理的一般规律一般规律。n一、信号的描述一、信号的描述n信号信号是信息的一种物理体现。它一般是随时间或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。位置变化的物理量。n描述信号的常用方法描述信号的常用方法:表示为时间的函数表示为时间的函数/序列；序列；信号的图形表示信号的图形表示-波形波形n“信号信号”与与“函数函数”两词常相互通用。两词常相互通用。n信号信号按物理属性分：电信号和非电信号。它们可按物理属性分：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，易于以相互转换。电信号容易产生，便于控制，易于处理。处理。n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1.2 信号的描述和分类二、信号的分类n1.确定信号（规则信号）确定信号（规则信号）不确定信号（随机信号）不确定信号（随机信号）n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则信号规则信号。如正弦信号。如正弦信号。n若信号不能用确切的函数描述，它在任意时刻的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，取值都具有不确定性，只可能知道它的统计特性，如在某时刻取某一数值的概率，这类信号称为如在某时刻取某一数值的概率，这类信号称为随随机信号机信号或或不确定信号不确定信号。n研究确定信号是研究随机信号的基础。n本课程只讨论确定信号。本课程只讨论确定信号。确定信号与随机信号波形确定信号与随机信号波形 n连续时间信号：连续时间信号：n在连续的时间范围内在连续的时间范围内(-t(-t0)0，则将则将f f()()右移；否则左右移；否则左移。如：移。如：平移与反转相结合n已知f(t)如下图所示，请画出f(2-t)法一：先平移f(t)f(t+2),再反转f(t+2)f(t+2)n法二：先反转 f(t)f(t)再平移f(t)f(t+2)=f (t 2)3.尺度变换尺度变换(横坐标展缩横坐标展缩):):f(t)f(a t)若若a a 1 1，则波形沿则波形沿横坐标压缩横坐标压缩；若若0 0 a a 1 1，则展开。如则展开。如:n三种运算的次序可任意。但一定要注意始终对时三种运算的次序可任意。但一定要注意始终对时间间t t 进行。进行。n例：已知例：已知f(t)，画出画出f(4 2t)。平移、反转、尺度变换相结合平移、反转、尺度变换相结合也可以先压缩、再平移、最后反转。也可以先压缩、再平移、最后反转。练习：-20442求：求：三、信号的微数和积分n微分微分/求导：求导：突出变化突出变化n积分：积分：平滑平滑1.4 阶跃函数和冲激函数n普通函数：普通函数：自变量与因变量之间的数值对应关系；n奇异函数：奇异函数：不同于普通函数，物理量在时间或空间上集中于一点或突然变化的物理现象。研究奇异函数的性质要用到广义函数（或分配函数）的理论。如：阶跃函数和冲激函数。阶跃函数和冲激函数。即本身、其导数或其积分有不连续点的函数；n一、一、阶跃函数阶跃函数 定义：定义：t01用阶跃表示门函数门函数/矩形脉冲用阶跃表示符号函数符号函数10tt1-1tsgn阶跃函数性质：阶跃函数性质：n(1）可以方便地表示某些信号 r(t)=t(t),斜升函斜升函数数 f(t)=2(t)-3(t-1)+(t-2)（2）用阶跃函数表示信号的作用区间n问：如何用阶跃函数表示如下信号问：如何用阶跃函数表示如下信号1 1 背景背景0t(1)宽度为宽度为 ，高度为高度为1/，面积为，面积为1矩形脉冲信号矩形脉冲信号冲激信号冲激信号2 定义定义t0(1)二、冲激函数n单位冲激函数：对强度极大，作用时间极短一种物理量的理想化模型。（由狄拉克最早提出）冲激函数性质冲激函数性质 筛选特性筛选特性(t)乘以普通函数乘以普通函数x(t)t0(1)t0相乘相乘t0(x(0)时移性质时移性质t0(1)t0第二种定义：第二种定义：广义函数定义广义函数定义 取样特性取样特性积分限必须包含发生冲激的时刻积分限必须包含发生冲激的时刻.一个函数一个函数x(t)与冲激函数与冲激函数(t)乘积下的面积等于乘积下的面积等于x(t)在冲激所在时刻的值。在冲激所在时刻的值。(t)的尺度变换 冲激偶信号：取极限 取极限求导冲激偶的性质n面积面积n“筛选筛选”和互为微分和积分，单位冲激函数和单位阶跃函数的关系单位冲激函数和单位阶跃函数的关系：利用单位冲激函数和单位阶跃函数表示任意信号利用单位冲激函数和单位阶跃函数表示任意信号函数：函数：p20，例，例1.4-6常用信号常用信号门信号或称矩形脉冲：门信号或称矩形脉冲：三角形脉冲：三角形脉冲：采样函数采样函数：钟形信号(高斯函数)指数函数、e指数函数等1.4 1.4 系统的描述系统的描述n系统分类：系统分类：n按数学模型的不同,系统可分为:即时系统与动态系统;连续系统连续系统与离散系统;线性系统线性系统与非线性系统;时变系统与时不变时不变(非时变非时变)系统等等.n1 1、即时系统、即时系统指的是是在任意时刻的响应(输出信号)仅决定与该时刻的激励(输入信号),而与它过去的历史状况无关的系统。n2、如果系统在任意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,就称之为动态系统动态系统。系统的数学模型系统的框图表示系统的描述系统的描述3、当系统的激励是连续信号时,若响应也是连续信号,则称其为连续系统连续系统。4、当系统的激励是离散信号时,若其响应也是离散信号,则称其为离散系统。离散系统。5、连续系统与离散系统常组合使用,可称为混合混合系统系统一、系统的数学模型一、系统的数学模型数学模型数学模型:系统基本特性的数学抽象系统基本特性的数学抽象,是以数学表是以数学表达式来表征系统的特性达式来表征系统的特性.描述连续系统的数学模型是微分方程微分方程,而描述离散系统的数学模型是差分方程。差分方程。系统分析的基本思想：系统分析的基本思想：1.根据工程实际应用，对系统建立数学模型。根据工程实际应用，对系统建立数学模型。通常表现为通常表现为描述描述输入输出关系的方程。输入输出关系的方程。2.建立求解这些数学模型的方法。建立求解这些数学模型的方法。例：写出右图示电路的微分方程。例：写出右图示电路的微分方程。Us（t）LR+-+-Uc（t）C解：根据解：根据KVL有有利用以上各元件端电压与电流的关系可得：利用以上各元件端电压与电流的关系可得：二、系统的框图表示二、系统的框图表示 系统的数学模型所包括基本运算：相乘、微分、相加运算。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关系，这样画出的图称为模拟框图，简称框图。积分器的抗干扰特性比积分器的抗干扰特性比微分器的好。微分器的好。1 1、表示系统功能的常用基本单元有、表示系统功能的常用基本单元有:积分器：积分器：系统模拟：n实际系统实际系统方程方程模拟框图模拟框图n实验室实现实验室实现指导实际系统设计指导实际系统设计n例1：已知y”(t)+ay(t)+by(t)=f(t)，画框图。n解：将方程写为y”(t)=f(t)ay(t)by(t)n例二（见例二（见书书p25）已知某连续系统如下图所示，写出已知某连续系统如下图所示，写出该系统的微分方程。该系统的微分方程。y(t)+f(t)-x(t)x(t)x(t)a0 b0 b2 b1解：解：图中有两个积分器，因而系统为二阶系统。设右端积分器的输出为x(t)，那么各积分器的输入分别是 x(t),x(t)。左方加法器的输出为n为了得到系统的微分方程，要消去为了得到系统的微分方程，要消去x(t)及其及其导数。导数。右方加法器的输出为右方加法器的输出为以上三式相加并整理得：以上三式相加并整理得：即：即：系统模拟：n实际系统实际系统方程方程模拟框图模拟框图n实验室实现实验室实现指导实际系统设计指导实际系统设计n例1：已知y”(t)+ay(t)+by(t)=f(t)，画框图。n解：将方程写为y”(t)=f(t)ay(t)by(t)n例二（见例二（见书书p25）已知某连续系统如下图所示，写出已知某连续系统如下图所示，写出该系统的微分方程。该系统的微分方程。y(t)+f(t)-x(t)x(t)x(t)a0 b0 b2 b1解：解：图中有两个积分器，因而系统为二阶系统。设右端积分器的输出为x(t)，那么各积分器的输入分别是 x(t),x(t)。左方加法器的输出为n为了得到系统的微分方程，要消去为了得到系统的微分方程，要消去x(t)及其及其导数。导数。右方加法器的输出为右方加法器的输出为以上三式相加并整理得：以上三式相加并整理得：即：即：根据框图求解微分的一般步骤：根据框图求解微分的一般步骤：(1)选中间变量x()。对于连续系统对于连续系统,设其最右端积分器的输出x(t);（2）写出各加法器输出信号的方程；（3）消去中间变量x()n解：解：设辅助变量x(t)如图所示。n由左端加法器得例：已知框图如下图所示，写出系统的微分方程。例：已知框图如下图所示，写出系统的微分方程。x(t)x(t)x(t)y(t)+f(t)-3 2 4 5n由（2）式可知，响应y(t)是x(t)及其各阶导数的线性组合，因而以y(t)为未知变量的微分方程左端的系数应与式（1）相同。n由（2）式得由右端加法器得由右端加法器得根据框图求系统数学模型的一般步骤：根据框图求系统数学模型的一般步骤：(1)选中间变量x()。对于连续系统,设其最右端积分器的输出x(t);（2）写出各加法器输出信号的方程；（3）消去中间变量x()1.6 系统的特性和分析方法系统的特性和分析方法n一、系统特性一、系统特性n二、系统分析方法二、系统分析方法一、系统特性一、系统特性n连续的连续的或离散的系统可分为：或离散的系统可分为：n1、线性的线性的和非线性的；n2、时变的和时不变（非时变时不变（非时变）的；n3、因果的因果的和非因果的；n4、稳定的稳定的和非稳定的。n本书主要讨论线性时不变系统本书主要讨论线性时不变系统n（1）线性性质n系统的激励系统的激励f f()()所引起的响应所引起的响应y y():():y y()()=T T f f()()。n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。n若系统的激励若系统的激励f f()()增大增大a a倍时，其响应倍时，其响应y y()()也增大也增大a a倍倍:T T a af f ()=a T ()=a T f f()()(齐次性齐次性)n若系统对于激励若系统对于激励f f1()1()与与f f2()2()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的响应之和引起的响应之和:T T f f1 1()+()+f f2 2()=T()=T f f1 1()+T()+T f f2 2()()(可加可加性性)1 1、线性系统：、线性系统：满足线性性质的系统。n若系统既是齐次的又是可加的，则称该系统是线性的，即nTa f1()+bf2()=a T f1()+bT f2()（2）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 f()有关，而且与有关，而且与系统的初始状态系统的初始状态 x x(0)(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”。完全响应可写为完全响应可写为:y y()=)=T T x x(0),(0),f f()零状态响应为零状态响应为:yzs()=T 0,f()零输入响应为零输入响应为:yzi()=T x(0),0n当动态系统满足下列三个条件时该系统为线性系统：n可分解性可分解性：ny()=yzs()+yzi()=T f(),0+T 0，x(0)n零输入线性零输入线性：nTa f(),0=a T f(),0 (齐次性齐次性)nTf1(t)+f2(t),0=T f1(),0+T f2(),0 (可加性可加性)n或或nTaf1(t)+bf2(t),0=aT f1(),0+bTf2(),0nT0,ax(0)=aT 0,x(0)(齐次性)nT0,x1(0)+x2(0)=T0,x1(0)+T0,x2(0)n(可加性可加性)n或或nT0,ax1(0)+bx2(0)=aT0,x1(0)+bT0,x2(0)零状态线性：零状态线性：注：三个条件缺一不可注：三个条件缺一不可例题例题n解：（1）yzs(t)=2 f(t)+1，yzi(t)=3 x(0)+1显然，y(t)yzs(t)yzi(t)不满足可分解性，可分解性，故为非线性。n（2）yzs(t)=|f(t)|，yzi(t)=2 x(0)ny(t)=yzs(t)+yzi(t)满足可分解性；n由于Ta f(t),0=|af(t)|a yzs(t)不满足零输入线性。n故为非线性系统。例1：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)n（3）yzs(t)=2 f(t),yzi(t)=x2(0)，显然满足可分解性；n由于T 0,a x(0)=a x(0)2 a yzi(t)不满足零状态线性。n故为非线性系统。（3）y(t)=x2(0)+2 f(t)n（2）LTI连续系统的微分特性和积分特性n微分特性：n若f(t)yzs(t)，则f(t)y zs(t)n积分特性：n若f(t)yzs(t)，则ny(t)=yzs(t)+yzi(t)，满足可分解性；nTa f1(t)+b f2(t),0例2：判断下列系统是否为线性系统？=aTf1(t),0+bT f2(t),0，满足零状态线性满足零状态线性；T0,ax1(0)+bx2(0)=e-tax1(0)+bx2(0)=ae-t x1(0)+be-t x2(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。2、时不变系统与时变系统n满足时不变性质的系统称为时不变系统。n（1）时不变性质n若系统满足输入延迟多少时间，其零状态响应零状态响应也也延迟多少时间，延迟多少时间，n即若T0，f(t)=yzs(t)n则有nT0，f(t-td)=yzs(t-td)n系统的这种性质称为n时不变性或移位不变性）n解(1)令g(k)=f(k kd)nT0，g(k)=g(k)g(k 1)=f(k kd)f(kkd 1)n而y(k kd)=f(k kd)f(kkd 1)n显然显然T0，f(k kd)=y(k kd)故该系统是时不变的故该系统是时不变的.n(2)令g(t)=f(t td)nT0，g(t)=t g(t)=t f(t td)n而y(t td)=(t td)f(t td)n显然显然T0，f(t td)y(t td)故该系统为时变系统。故该系统为时变系统。例：判断下列系统是否为时不变系统？（1）y(k)=f(k)f(k 1)（2）y(t)=t f(t)本课程重点讨论本课程重点讨论线性时不变线性时不变系统系统(Linear Time-Invariant)，简称简称LTI系统。系统。3、因果系统与非因果系统n零状态响应不会零状态响应不会出现在激励之前的系统，称为因果系统。即对因果系统，当t t0，f(t)=0时，有t t0，yzs(t)=0。n如下列系统均为因果系统：nyzs(t)=3f(t 1)而下列系统为非因果系统：(1)yzs(t)=2f(t+1)(2)yzs(t)=f(2t)(1)因为，令t=0时，有yzs(0)=2f(1)(2)因为，若t t0,f(t)=0,而若yzs(t)=f(2t)=0,有有t 0.5 t0。4、稳定系统与不稳定系统n一个系统，若对有界的激励f(.)所产生的零状态响应yzs(.)也是有界时，则称该系统为有界输入有界输出稳定，简称稳定。n即若f(.)，其yzs(.)则称系统是稳定的。n如yzs(k)=f(k)+f(k-1)是稳定系统；而因为，当因为，当f(t)=(t)有界，有界，是是不稳定系统不稳定系统作业n1.6 （2）（5）n1.9n1.20 （b）n1.23 （1）n1.24 （1）（3）