信号与系统课件ppt.ppt
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1、 信号与系统信号与系统Signals&System2nd Edition概论信号就是函数。离散时间与连续时间函数。(但不是所有的的函数都适合做信号,常见信号及其运算。)系统就是对信号的变换。(变换海洋中的一滴水,特别的一类:线性移不变系统LTI 系统)给定信号和系统求变换后的信号。给定变换前后的信号,确定系统。给定信号和系统直接求系统的响应时域分析。(在LTI前提下信号与系统的统一。)信号的变换分析:傅立叶级数、傅立叶变换、拉氏变换、z 变换。(送你一双看穿表象的慧眼。)抽样定理(风马牛不相及的两种信号之间的联系,数字化时代的基石。)信号与系统问题无处不在信号与系统问题无处不在什么是信号?什么
2、是信号?信号是消息的表现形式,消息则是信信号是消息的表现形式,消息则是信号的具体内容号的具体内容。什么是系统?什么是系统?系统是物理器件的集合,对给定的信系统是物理器件的集合,对给定的信号做出反应而产生出另外的信号。号做出反应而产生出另外的信号。系统其实就是一个信号转换器。系统其实就是一个信号转换器。信号的描述:信号的描述:数学上:信号表示为一个或多个数学上:信号表示为一个或多个变量的函数变量的函数 形态上:信号表现为一种波形形态上:信号表现为一种波形 自变量:自变量:时间、位移时间、位移 周期、频率、相位、幅度周期、频率、相位、幅度 信号的分类:信号的分类:函数自变量数目:一维信号和函数自变
3、量数目:一维信号和多维信号多维信号函数自变量取值的连续性和离函数自变量取值的连续性和离散性:连续时间信号和离散散性:连续时间信号和离散时间信号时间信号函数周期性与否:周期信号和函数周期性与否:周期信号和非周期信号非周期信号信号的描述信号的描述信号的自变量变换信号的自变量变换基本信号基本信号系统及其数学模型系统及其数学模型系统的性质系统的性质本章的基本内容本章的基本内容:1.1 连续时间与离散时间信号连续时间与离散时间信号(Continuous-Time and Discrete-Time Signals)一一.信号:信号:信号可以描述范围极其广泛的物理现象。信号可以描述范围极其广泛的物理现象。
4、信号可以分为确知信号与随机信号,也可以信号可以分为确知信号与随机信号,也可以分为连续时间信号与离散时间信号。分为连续时间信号与离散时间信号。确知信号可以表示成一个或几个自变量确知信号可以表示成一个或几个自变量的函数。作为信号分析的基础,本课程只研的函数。作为信号分析的基础,本课程只研究确知信号。究确知信号。连续时间信号的例子:连续时间信号的例子:离散时间信号的例子:离散时间信号的例子:连续时间信号在离散时刻连续时间信号在离散时刻点上的样本可以构成一个离散点上的样本可以构成一个离散时间信号。时间信号。二二.信号的能量与功率:信号的能量与功率:连续时间信号在连续时间信号在 区间的平均功区间的平均功
5、率定义为:率定义为:连续时间信号在连续时间信号在 区间的能量定义区间的能量定义为:为:离散时间信号在离散时间信号在 区间区间的能量定义为的能量定义为离散时间信号离散时间信号在在 区间的区间的平均功率为平均功率为在无限区间上也可以定义信号的总在无限区间上也可以定义信号的总能量:能量:连续时间情况下连续时间情况下:离散时间情况下离散时间情况下:在无限区间内的平均功率可定义为:在无限区间内的平均功率可定义为:1.2 自变量变换自变量变换Transformations of the Independent Variable)一一.由于信号可视为自变量的函数,当自由于信号可视为自变量的函数,当自变量改变
6、时,必然会使信号的特性相变量改变时,必然会使信号的特性相应地改变。应地改变。当当 时,信号向右平移时,信号向右平移时,信号向左平移时,信号向左平移当当 时,信号向右平移时,信号向右平移 时,信号向左平移时,信号向左平移1.时移变换:时移变换:Shift of Signals2.反转变换:反转变换:Reflection of Signals 信号以信号以 为轴呈镜像对称。为轴呈镜像对称。与连续时间的情况相同。与连续时间的情况相同。3.尺度变换:尺度变换:Scaling时时,是将是将 在时间上压缩在时间上压缩a倍倍时时,是将是将 在时间上扩展在时间上扩展1/a倍。倍。由于离散时间信号的自变量只能取
7、整由于离散时间信号的自变量只能取整数值,因而尺度变换只对连续时间信号数值,因而尺度变换只对连续时间信号而言。而言。0 01 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 62 21 11 12 23 32 22 22 22 20 01 12 23 3例如:例如:显然上例中,显然上例中,是从是从 中依次抽出自中依次抽出自变量取偶数时的各点而构成的。这一过变量取偶数时的各点而构成的。这一过程称为对信号程称为对信号 的的抽取(抽取(decimation)综合示例:综合示例:由由0 01 11 10 01 11/21/23/23/20 01 11/21/21/61/6做法一:做法一:可视为周期信号,但它的基
8、波周期可视为周期信号,但它的基波周期没有确定的定义。没有确定的定义。二二.周期信号与非周期信号:周期信号与非周期信号:周期信号:周期信号:满足此关系的正实数(正整数)中最小满足此关系的正实数(正整数)中最小的一个,称为信号的的一个,称为信号的基波周期基波周期 ()。)。可以视为周期信号,其基波周期可以视为周期信号,其基波周期 非周非周期信期信号号周期信号周期信号连续时间连续时间周期信号周期信号离散时间周离散时间周期信号期信号三三.奇信号与偶信号:奇信号与偶信号:odd Signals and even Signals如果有如果有 或或 则称该信号为则称该信号为奇信号奇信号(镜像奇对称)(镜像奇
9、对称)如果有如果有 或或 则则称该信号是称该信号是偶信号偶信号(镜像偶对称(镜像偶对称)任何信号都能分解成一个偶信号与任何信号都能分解成一个偶信号与一个奇信号之和。一个奇信号之和。对实信号有:对实信号有:其中其中其中其中0 0-1-1-2-21 12 21 12 2例例1:-2-22 21 10 0-1-11 11 1-1-1例例2.信号的奇偶分解:信号的奇偶分解:1.3 复指数信号与正弦信号复指数信号与正弦信号(Exponential and Sinusoidal Signals )一一.连续时间复指数信号连续时间复指数信号其中其中 C,a 为复数为复数1.实指数信号:实指数信号:C,a 为
10、实数为实数 呈单调指数上升。呈单调指数上升。呈单调指数下降。呈单调指数下降。是常数是常数。2.周期性复指数信号周期性复指数信号:,不失一般性取不失一般性取实部与虚部都是正弦信号。实部与虚部都是正弦信号。显然是周期的,其基波周期为:显然是周期的,其基波周期为:0 03、正弦信号、正弦信号其基波周期为其基波周期为 ,基波频率为基波频率为 ,当,当 时时 通常称为直流通常称为直流信号。信号。4.一般复指数信号一般复指数信号:其中其中 C,a 为复数为复数令令 则则 该信号可看成是振幅按实指数信号规律变该信号可看成是振幅按实指数信号规律变化的周期性复指数信号。它的实部与虚部都化的周期性复指数信号。它的
11、实部与虚部都是振幅呈实指数规律变化的正弦振荡。是振幅呈实指数规律变化的正弦振荡。当当 时,是指数增长的正弦振荡。时,是指数增长的正弦振荡。时,是指数衰减的正弦振荡。时,是指数衰减的正弦振荡。时,是等幅的正弦振荡时,是等幅的正弦振荡。二二.离散时间复指数信号与正弦信离散时间复指数信号与正弦信号号 一般为复数一般为复数1.实指数信号:实指数信号:均为实数均为实数当当 时,呈单调指数增长时,呈单调指数增长 时,呈单调指数衰减时,呈单调指数衰减 时,呈摆动指数衰减时,呈摆动指数衰减 时,呈摆动指数增长时,呈摆动指数增长正弦信号:正弦信号:离散时间正弦信号不一定是周期的离散时间正弦信号不一定是周期的,这
12、是,这是与连续时间正弦信号的重大区别。与连续时间正弦信号的重大区别。离散时间信号频率表示为离散时间信号频率表示为 ,量纲是弧度。,量纲是弧度。3.一般复指数信号:一般复指数信号:令令则则实部与虚部都是幅度按指数规律变化的正弦实部与虚部都是幅度按指数规律变化的正弦序列。序列。当当 时幅度呈指数增长,时幅度呈指数增长,时时幅度呈指数衰减。幅度呈指数衰减。离散时间复指数序列离散时间复指数序列 不一定是周期性的,要具有周期性,必须不一定是周期性的,要具有周期性,必须具备一定条件。具备一定条件。即即离散时间复指数序列的周期性离散时间复指数序列的周期性设设 则有则有:a)表明表明只有在只有在 与与 的比值
13、是一个有的比值是一个有理数时理数时,才具有周期性才具有周期性。对对 ,当,当 时,对应时,对应的信号振荡频率越来越高不会发生逆转。的信号振荡频率越来越高不会发生逆转。而对而对 ,当当 时,只要是时,只要是 变化的变化的范围,如范围,如 ,则由于,则由于 ,总是会有总是会有 。这表明:当这表明:当 变化时,并非所有的变化时,并非所有的 都是互相独立的。都是互相独立的。离散时间信号的有效频率范围只有离散时间信号的有效频率范围只有 区区间。间。其中其中 ,处都对应最低频率;处都对应最低频率;或或 处都对应最高频率。处都对应最高频率。在满足周期性要求的情况下,总能找到互在满足周期性要求的情况下,总能找
14、到互为质数的两个正整数为质数的两个正整数 m,N 使得:使得:(m与与N无公因子)无公因子)此时此时 即为该信号的周期即为该信号的周期,也称为也称为基波基波周期周期,因此该信号的基波频率为因此该信号的基波频率为:离散时间周期性复指数信号也可以构成一离散时间周期性复指数信号也可以构成一个成谐波关系的信号集。个成谐波关系的信号集。该信号集中的每一个信号都是以该信号集中的每一个信号都是以N为周期的为周期的,N是它们的基波周期。是它们的基波周期。称为直流分量,称为直流分量,称为基波分量。称为基波分量。称为二次谐波分量等等。称为二次谐波分量等等。每个谐波分量的频率都是每个谐波分量的频率都是 的整数倍。的
15、整数倍。称为直流分量,称为直流分量,称为基波分量称为基波分量称为二次谐波分量等等。称为二次谐波分量等等。每个谐波分量的频率都是每个谐波分量的频率都是 的整的整数倍。数倍。特别值得指出的是:特别值得指出的是:该信号集中的所有信该信号集中的所有信号并不是全部独立的。号并不是全部独立的。这表明:这表明:该信号集中只有该信号集中只有N个信号是独立个信号是独立的的。即当。即当k 取相连的取相连的N个整数时所对应的各个个整数时所对应的各个谐波是彼此独立的。因此,谐波是彼此独立的。因此,由由N个独立的谐个独立的谐波分量就能构成一个完备的正交函数集波分量就能构成一个完备的正交函数集。这这是与连续时间的情况有重
16、大区别的是与连续时间的情况有重大区别的 显然有:显然有:信号信号 和和 的比较的比较 不同,信号不不同,信号不同同对任何对任何 信号都信号都是周期的是周期的基波频率基波频率基波周期:基波周期:T0频差频差 的整数倍时,的整数倍时,信号相同信号相同仅当仅当 时,时,信号是周期的信号是周期的基波频率基波频率基波周期:基波周期:N一一.离散时间单位脉冲与单位阶跃离散时间单位脉冲与单位阶跃1.单位脉冲序列单位脉冲序列:1.4 单位冲激与单位阶跃单位冲激与单位阶跃(The Unit Impulse and Unit Step Functions)012.单位阶跃序列单位阶跃序列 :与与 之间的关系:之间
17、的关系:一次差分一次差分10具有提取信号具有提取信号 中某一点的样值的中某一点的样值的作用。作用。11.单位阶跃单位阶跃,10二二.连续时间单位阶跃与单位冲激连续时间单位阶跃与单位冲激定义:定义:2.单位冲激单位冲激 定义:定义:定义的不严密性,由于定义的不严密性,由于 在在 不连续,因而在该处不可导。不连续,因而在该处不可导。定义定义 如图如图所示所示:10显然当显然当 时时可认为可认为0即即 可视为一个面积始终为可视为一个面积始终为1的矩形,的矩形,当其宽度当其宽度趋于零时的趋于零时的极限极限。表示为表示为1001 矩形面积称为矩形面积称为冲激强度冲激强度。显然有:显然有:0也具有提取连续
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