通信原理 第2章 确知信号课件.ppt

42-1,通信原理,第2章 确知信号,63-2,通信原理,第1章 绪论第2章 确知信号第3章 随机信号第4章 信道第5章 模拟调制系统第6章 数字基带传输系统第7章 数字带通传输系统第8章 新型数字带通调制技术第9章 模拟信号的数字传输第10章 数字信号的最佳接收第11章 差错控制编码第12章 正交编码与伪随机序列第13章 同步原理,42-3,第2章 确知信号,2.1 确知信号的类型2.2 确知信号的频域性质 2.2.1 功率信号的频谱 2.2.2 能量信号的频谱密度 2.2.3 能量信号的能量谱密度 2.2.4 功率信号的功率谱密度2.3 确知信号的时域性质 2.3.1 能量信号的自相关函数 2.3.2 功率信号的自相关函数 2.3.3 能量信号的互相关函数 2.3.4 功率信号的互相关函数,42-4,第2章 确知信号,2.1 确知信号的类型按照周期性区分：周期信号： T0 信号的周期， T0 0 非周期信号按照能量区分：能量信号：能量有限， (2.1-4)功率信号：归一化功率：平均功率P为有限正值： (2.1-5)能量信号的功率趋于0，功率信号的能量趋于,数字信号的一个码元就是一个能量信号广播信号可看成是功率信号(很长持续时间),42-5,能量信号？功率信号？,如何理解能量信号的总平均功率为零？而功率信号的能量无限大？两者如何区分？ 基本上讲，能量信号是有限可积的，故可以用信号能量来描述，从其定义就可看出来；对于一些能量不可积的无限信号而言，无法用其能量来描述，故用其功率来描述，功率就是指该信号在整个时间域内的能量累计对时间的平均。,42-6,为何周期信号和随机信号是功率信号？非周期信号的能量信号？周期信号和随机信号的功率为有限值，而其能量是无限的，故为功率信号；而非周期信号，在有限时间域内是能量信号，当然也有非能量信号的情况。举个例子，假设u(t)是功率信号，但是t*u(t)却既非功率信号也非能量信号。,42-7,第2章 确知信号,2.2 确知信号的频域性质2.2.1 功率信号的频谱周期性功率信号频谱（函数）的定义 式中，f0 1/T0，n为整数，- n +。 双边谱，复振幅(2.2 4) |Cn| 振幅， n 相位,42-8,第2章 确知信号,周期性功率信号频谱的性质对于物理可实现的实信号，由式(2.21)有正频率部分和负频率部分间存在复数共轭关系，即 Cn的模 偶对称Cn的相位 奇对称,42-9,第2章 确知信号,将式(2.25)代入式(2.22)，得到 式中式(2.28)表明：1. 实信号可以表示成包含直流分量C0、基波(n = 1时)和各次谐波(n = 1, 2, 3, )。2. 实信号s(t)的各次谐波的振幅等于3. 实信号s(t)的各次谐波的相位等于4. 频谱函数Cn又称为双边谱， |Cn|的值是单边谱的振幅之半。,42-10,第2章 确知信号,若s(t)是实偶信号，则 Cn为实函数。 因为而所以Cn为实函数。,42-11,第2章 确知信号,【例2.1】 试求图2-2(a)所示周期性方波的频谱。由式(2.2-1)：,42-12,第2章 确知信号,【例2.2】试求图2-3所示周期性方波的频谱。由式(2.2-1) ：因为此信号不是偶函数，其频谱Cn是复函数。,42-13,第2章 确知信号,图2-2与图2-3所示周期性方波的频谱比较,因为此信号不是偶函数，其频谱Cn是复函数。,42-14,第2章 确知信号,【例2.3】试求图2-4中周期波形的频谱。由式(2.2-1)： 由于此波形为偶函数，故其频谱为实函数。,42-15,第2章 确知信号,2.2.2 能量信号的频谱密度 频谱密度的定义： 能量信号s(t) 的傅里叶变换： S(f)的逆傅里叶变换为原信号： S(f)和Cn的主要区别：S(f)是连续谱，Cn是离散谱； S(f)的单位是V/Hz，而Cn的单位是V。注意：在针对能量信号讨论问题时，也常把频谱密度简称为频谱。实能量信号：负频谱和正频谱的模偶对称，相位奇对称，即复数共轭，因,42-16,【例2.4】试求一个矩形脉冲的频谱密度。 设 它的傅里叶变换为,第2章 确知信号, 单位门函数,矩形脉冲的带宽等于其脉冲持续时间的倒数，在这里它等于(1/) Hz。,42-17,第2章 确知信号,【例2.5】试求单位冲激函数(函数)的频谱密度。函数的定义： 函数的频谱密度：函数的物理意义： 一个高度为无穷大、宽度为无穷小、面积为1的脉冲。,42-18,抽样函数？ sampling function; sample function,抽样函数定义：sin(x)/x=Sa(x)抽样函数是一个偶函数，在正负两个方向上，函数值都逐渐衰减。,42-19,第2章 确知信号,函数的性质1： 函数可以用抽样函数的极限表示：因为，可以证明式中k越大、振幅越大、波形零点的间隔越小、波形振荡的衰减越快，但积分等于1。 （见左图）和下式比较：(2.2-26) 可见(2.2-28)即抽样函数的极限就是函数。,42-20,第2章 确知信号,函数的性质2：单位冲激函数(t)的频谱密度,42-21,第2章 确知信号,函数的性质3：(2.2-30)【证】因为物理意义：可以看作是用函数在t = t0时刻对f(t)抽样。由于单位冲激函数是偶函数，即有(t) = (-t)，所以式(2.2-30)可以改写成：(2.2-31),42-22,函数的性质4： 函数也可以看作是单位阶跃函数 的导数。单位阶跃函数的定义：即u(t) = (t)用函数可以表示功率信号的频谱密度，见下例。,第2章 确知信号,42-23,第2章 确知信号,【例2.6】试求无限长余弦波的频谱密度。 设一个余弦波的表示式为s(t)=cos2f0t，则其频谱密度S(f)按式(2.2-21)计算，可以写为 参照式(2.2-28)，上式可以改写为引用了冲激函数就能把频谱密度的概念推广到功率信号上。,42-24,第2章 确知信号,2.2.3 能量信号的能量谱密度定义：由巴塞伐尔(Parseval)定理 (2.2-37)将|S(f)|2定义为能量谱密度。 式(2.2-37)可以改写为 (2.2-38)式中 G(f) = |S(f)|2 能量谱密度由于信号s(t)是一个实函数，所以|S(f)|是一个偶函数, 因此上式可以改写成 (2.2-40),42-25,第2章 确知信号,【例2.7】试求例2.4中矩形脉冲的能量谱密度 在例2.4中，已经求出其频谱密度：故由式(2.2-39)得出,42-26,第2章 确知信号,2.2.4 功率信号的功率谱密度定义：首先将信号s(t)截短为sT(t)，-T/2 t T/2 sT(t)是一个能量信号，可以用傅里叶变换求出其能量谱密度 |ST(t)|2，由巴塞伐尔定理有(2.2-41)将定义为信号的功率谱密度P(f) ，即,42-27,第2章 确知信号,周期信号的功率谱密度：令T 等于信号的周期T0 ，于是有(2.2-45)由周期函数的巴塞伐尔(Parseval)定理:(2.2-46)式中 |Cn|2 第n次谐波的功率 利用函数可将上式表示为(2.2-47)式中上式中的被积因子就是此信号的功率谱密度P(f)，即 (2.2-48),42-28,第2章 确知信号,【例2.8】试求例2.1中周期性信号的功率谱密度。 该例中信号的频谱已经求出，它等于式(2.2-14)：所以由式(2.2-48)： 得出(2.2-50),42-29,自相关函数? 互相关函数?,自相关函数，将一个有序的随机变量系列与其自身相比较，这就是自相关函数在统计学中的定义。反映了同一序列在不同时刻的取值之间的相关程度。互相关函数，表示的是两个时间序列之间和同一个时间序列在任意两个不同时刻的取值之间的相关程度.信号处理、时间序列分析中常用的数学工具.,42-30,第2章 确知信号,2.3 确知信号的时域性质2.3.1 能量信号的自相关函数定义：(2.3-1)性质：自相关函数R()和时间t 无关，只和时间差 有关。当 = 0时，R(0)等于信号的能量：(2.3-2)R()是 的偶函数 (2.3-3)自相关函数R()和其能量谱密度|S(f)|2是一对傅里叶变换：,42-31,第2章 确知信号,2.3.2 功率信号的自相关函数定义：(2.3-10) 性质：当 = 0时，自相关函数R(0)等于信号的平均功率：(2.3-11)功率信号的自相关函数也是偶函数。 周期性功率信号：自相关函数定义： (2.3-12) R()和功率谱密度P(f)之间是傅里叶变换关系：,42-32,第2章 确知信号,【例2.9】试求周期性信号s(t) = Acos(t+)的自相关函数。【解】先求功率谱密度，然后对功率谱密度作傅里叶变换，即可求出其自相关函数。求功率谱密度：结果为求自相关函数：,42-33,第2章 确知信号,2.3.3 能量信号的互相关函数定义：性质：R12()和时间 t 无关，只和时间差 有关。R12()和两个信号相乘的前后次序有关：【证】令x = t + ，则 互相关函数R12()和互能量谱密度S12(f)是一对傅里叶变换 互能量谱密度的定义为：,(2.3-23),42-34,第2章 确知信号,2.3.4 功率信号的互相关函数定义：性质：R12()和时间t 无关，只和时间差 有关。R12()和两个信号相乘的前后次序有关： R21() = R12(-)若两个周期性功率信号的周期相同，则其互相关函数的定义可以写为 式中 T0 信号的周期R12()和其互功率谱C12之间也有傅里叶变换关系：互功率谱定义：,42-35,第2章 确知信号,2.1 确知信号的类型2.2 确知信号的频域性质 2.2.1 功率信号的频谱 2.2.2 能量信号的频谱密度 2.2.3 能量信号的能量谱密度 2.2.4 功率信号的功率谱密度2.3 确知信号的时域性质 2.3.1 能量信号的自相关函数 2.3.2 功率信号的自相关函数 2.3.3 能量信号的互相关函数 2.3.4 功率信号的互相关函数,42-36,第2章 确知信号,确知信号在频域中的性质有四种： 频谱、频谱密度、能量谱密度、功率谱密度,42-37,确知信号在频域中的性质有四种：频谱、频谱密度、能量谱密度、功率谱密度,42-38,确知信号在时域中的特性主要有两种：自相关函数和互相关函数,自相关函数反映一个信号在不同时间上取值的关联程度。能量信号的自相关函数R(0)等于信号的能量；功率信号的自相关函数R(0)等于信号的平均功率；互相关函数反映两个信号的相关程度；能量信号的自相关函数和其能量谱密度构成一对傅里叶变换能量信号的互相关函数和其互能量谱密度构成一对傅里叶变换周期性功率信号的自相关函数和其功率谱密度构成一对傅里叶变换周期性功率信号的互相关函数和其互功率谱构成一对傅里叶变换,42-39,第2章 确知信号,42-40,第2章 确知信号,作业：复习有关内容习题：2-3, 5, 7, 9MATLAB,42-41,老照片（1）,42-42,老照片（2）,42-43,42-44,42-45,42-46,第2章 确知信号 （重点、考点）,1.概念信号的分类与特征；频谱的概念；周期信号频谱 的特点和意义；傅里叶变换特性的物理内涵；相关函数的定义和性质； 函数。2. 计算 常用信号（ 、方波、三角波、冲激函数序列）的傅里叶变换； 傅里叶变换的尺度变换特性、频移特性、卷积定理的应用； 能量和功率的计算； 相关函数与谱密度的互求。本章的内容一般不会单独出题考试，主要是在后面章节的应用,42-47,第2章 确知信号 学习目标,信号的分类及其特征；信号的频域分析法和频谱的概念；傅里叶级数的物理意义；傅里叶变换及其基本性质； 函数及其常用性质；信号的能量谱和功率谱；相关函数的定义和性质；相关函数与谱密度的关系。,