2023年信号与系统精品讲义,第三章周期信号的傅里叶级数表示1.pdf
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1、学习必备 欢迎下载 东北电力大学 教 案 封 皮 开课单位 课程名称 授课教师 授课对象 选用教材 信号与系统 西安交通大学出版社 总学时 72 课次 12 第 3 章 周期信号的傅里叶级数表示 3.0 引言 3.1 历史回顾 3.2 LTI 系统对复指数信号的响应 3.3 连续时间周期信号的傅里叶级数表示 教学目的 及要求 了解傅里叶分析方法的历史,掌握 LTI 系统对复指数信号的响应以及连续时间周期信号的傅里叶级数表示。教学重点、难点及处理安排 1.LTI 系统对复指数信号的响应;2.连续时间周期信号的傅里叶级数表示。教学方式、方法 讲授法 教学 内容 及时 间分 配 3.0 引言 5mi
2、n 3.1 历史回顾 10min 3.2 LTI 系统对复指数信号的响应 30min 3.3 连续时间周期信号的傅里叶级数表示 45min 例题、练习题 详见下文 作业、思考题 学习必备 欢迎下载 教 案 内 容 备 注 3.0 引言 在这一章及其后的两章,将讨论信号与 LTI 系统的另一种表示。和第 2 章一样,讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合,不过这时所用的基本信号是复指数,所得到的表示就是连续时间和离散时间傅里叶级数和傅里叶变换。这一章集中讨论连续时间和离散时间周期信号的傅里叶级数表示,到第 4 章和第 5 章再把这种分析推广到非周期的有限能量信号的傅里叶变换表示中去。
3、这两者合在一起就为分析、设计和理解信号与 LTI 系统提供了一种最有力和最重要的方法。3.1 历史回顾(略)3.2 LTI 系统对复指数信号的响应 在研究 LTI 系统时,将信号表示成基本信号的线性组合是很有利的,但这些基本信号应该具有以下两个性质:1.由这些基本信号能够构成相当广泛的一类有用信号;2.LTI 系统对每一个基本信号的响应应该十分简单,以使得系统对任意输人信号的响应有一个很方便的表示式。在研究 LTT 系统时,复指数信号的重要性在于这样一个事实,即:一个 LTI 系统对复指数信号的响应也是同样一个复指数信号,不同的只是在幅度上的变化;也就是说:连续时间:ststesHe)(3.1
4、)离散时间:nnzzHz)(3.2)这里)(sH或)(zH是一个复振幅因子,一般来说是复变量s或z的函数。一个信号,若系统对该信号的输出响应仅是一个常数(可能是复数)乘以输人,则称该信号为系统的特征函数,而幅度因子称为系统的特征值。证明复指数是 LTI 系统的特征函数:详见教材 128 页 证明复指数序列也是离散时间 LTI 系统的特征函数:详见教材128 页 一般地说,在连续时间情况下,(3.1)式与叠加性质结合在一起就意味着:将信号表示成复指数的线性组合就会导致一个 LTI 系统响应 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指
5、数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 的方便表达式。(证明略)换句话说,对于连续时间和离散时间来说,如果一个 LTI 系统的输入能够表示成复指数的线性组合,那么系统的输出也能够表示成相同复指数信号的线性组合;并且在输出表示式中的每一个系数可以用输人中相应的系数ka分别与特征函数有关的系统特征值相乘来求得。3.3 连续时间周期信号的傅里叶级数表示 3.3.1 成谐波关系的复指数信号的线性组合 周期复指数信号:tjetx0)(与之有关的成谐波关系的复指数信号集就是:tTjktjkkeet)/2(0)(,,2,1,0k 于是,一个由成谐波
6、关系的复指数线性组合形成的信号 ktTjkkktjkkeaeatx)/2(0)(3.25)0k这一项就是一个常数,1k和1k这两项都有基波频率等于0,两者合在一起称之为基波分量或称一次谐波分量。2k和2k这两项也是周期的,其周期是基波分量周期2/1(或者说频率是基波频率的两倍),称为二次谐波分量。一般来说,Nk和Nk的分量称为第N次谐波分量。一个周期信号表示成(3.25)式的形式,就称为傅里叶级数表示。例 3.2 详见教材 131 页。若)(tx是一个实信号,而且能表示成(3.25)式的形式,那么就有 kkaa*继续可以推导一个信号为实信号时的另一种表示方式:(具体见教材)ka极坐标形式,10
7、0)cos(2)(kkktkAatx (3.31)叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 ka直角坐标形式,sincos2)(0100tkCtkBatxkkk (3.32)由此可见,对实周期函数来说,按(3.25)式所给出的复指数形式的傅里叶级数,数学上就等效为(3.31 式和(3.32)式这两种形式之一,即都是三角函数的表示式。3.3.2 连续时间周期信号傅里叶级数表示的确定 ktTjkkktjkkeaeatx)/2(0)(3.
8、38)dtetxTdtetxTatTjkTtjkTk)/2()(1)(10 (3.39)式中分别给出了用基波频率0和基波周期T所表示的傅里叶级数的等效表示式。(3.38)式称为综合公式,而(3.39)式则称为分析公式。系数ka往往称为)(tx的傅里叶数级系数或称为)(tx的频谱系数。dttxTaT)(10 先举几个例子来说明傅里叶级数的展开:例 3.3 例 3.4 例 3.5 详见教材 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 东北
9、电力大学 教 案 封 皮 开课单位 课程名称 授课教师 授课对象 选用教材 信号与系统 西安交通大学出版社 总学时 72 课次 13 第 3 章 周期信号的傅里叶级数表示 3.4 傅里叶级数的收敛 3.5 连续时间傅里叶级数性质 教学目的 及要求 了解狄里赫利条件、吉伯斯现象,掌握连续时间傅里叶级数的性质,能够利用傅里叶级数分析式和性质计算信号的傅里叶级数表达式。教学重点、难点及处理安排 连续时间傅里叶级数的性质 教学方式、方法 讲授法 教学 内容 及时 间分 配 3.4 傅里叶级数的收敛 35min 3.5 连续时间傅里叶级数性质 55min 例题、练习题 详见下文 作业、思考题 叶级数表示
10、教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 教 案 内 容 备 注 3.4 傅里叶级数的收敛 由于要研究的大多数周期信号在一个周期内的能量都是有限的,因此它们都有傅里叶级数的表示。然后,狄里赫利得到了另一组条件,这组条件对于我们所关注的信号也基本上都能满足。这组条件除了在某些对)(tx不连续的孤立的t值外,保证)(tx等于它的傅里叶级数表示;而在那些)(tx不连续的点上,(3.55)式的无穷级数收敛于不连续点两边值的平均值。狄里赫利条件是:条件
11、 1 任何周期内,)(tx必须绝对可积,即 dttxT)(条件 2 在任意有限区间内,)(tx具有有限个起伏变化;也就是说,在任何单个周期内)(tx的最大值和最小值的数目有限。条件 3 在)(tx的任何有限区间内,只有有限个不连续点,而且在这些不连续点上,函数是有限值。吉伯斯现象:一个不连续信号)(tx的傅里叶级数的截断近似)(txN,一般说来,在接近不连续点处将呈现高频起伏和超量,而且,若在实际情况下利用这样一个近似式的话,就应该选择足够大的N,以保证这些起伏拥有的总能量可以忽略。3.5 连续时间傅里叶级数性质 假设)(tx是一周期信号,周期为T,基波频率T20,那 么,若)(tx的傅里叶级
12、数系数记作ka,则用 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 来表示一个周期信号及其傅里叶级数系数的一对关系。3.5.1 线性 则 3.5.2 时移性质 若 则 3.5.3 时间反转 若 则 3.5.4 时域尺度变换 时域尺度变换是一种运算。一般来说,这种运算是会改变受到变换的信号周期的。如果)(tx是周期的,周期为T,基波频率T20,那么,)(tx,为一正实数,就是一个周期为T和基波频率为0的周期信号。因为时间尺度运算是直接加在
13、)(tx的每一次谐波分量上的,所以能很容易得出,对于这些谐波分量中每一个的傅里叶系数仍然是相同的。要强调的是,虽然傅里叶系数没有改变,但由于基波频率变化了,傅里叶级数表示却改变了。3.5.5 相乘 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 3.5.6 共轭及共轭对称性 若,则。3.5.7 连续时间周期信号的帕斯瓦尔定理 3.5.8 连续时间傅里叶级数性质列表 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容
14、及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 3.5.9 举例 例 3.6-例 3.9 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 东北电力大学 教 案 封 皮 开课单位 课程名称 授课教师 授课对象 选用教材 信号与系统 西安交通大学出版社 总学时 72 课次 14 第 3 章 周期信号的傅里叶级数表示 3.6 离散时间周期信号的表示 3.7 离散
15、时间傅里叶级数性质 教学目的 及要求 掌握离散时间周期信号的傅里叶级数表示方法,能够计算离散时间周期信号的傅里叶级数;掌握离散时间傅里叶级数的性质。教学重点、难点及处理安排 教学方式、方法 讲授法 教学 内容 及时 间分 配 3.6 离散时间周期信号的表示 3.7 离散时间傅里叶级数性质 例题、练习题 详见下文 作业、思考题 习题 3.9 3.11 叶级数表示教学目的及要求了解傅里叶分析方法的历史掌握系统对复指授法教学内容及时间分配引言历史回顾系统对复指数信号的响应连续时章一样讨论的出发点仍是将信号表示成一组基本信号的线性组合不过这学习必备 欢迎下载 教 案 内 容 备 注 3.6 离散时间周
16、期信号的傅里叶级数表示 3.6.1 成谐波关系的复指数信号的线性组合 一个离散时间信号nx,若有 nxNnx 就是一个周期为 N 的周期信号。基波周期就是使之成立的最小正整数N,而N/20就是基波频率。nk中的全部信号,其基波频率都是N/20的整数倍,因此他们是成谐波关系的。由上式给出的信号集中只有 N 个信号是不相同的,这是由于离散时间复指数信号在频率上相差2的整倍数都是一样的缘故。现在我们希望利用序列nk的线性组合来表示更为一般的周期序列,这样一个线性组合就有如下形式:(3.87)因为序列人nk只在k的N个相继值的区间上是不同的。因此,(3.87)的求和仅仅需要包括N项。于是,(3.87)
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