信号与系统_第三章连续信号的正交分解_课件.ppt

信号与系统,第三章 连续信号的正交分解,学习内容及要求,内容：信号的分量与分解、正交函数集的概念，信号的傅立叶级数分解周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析，常用典型信号的傅立叶变换，掌握傅立叶变换的技巧傅立叶变换的性质，帕塞瓦尔定理与能量频谱,学习内容及要求,要求：基本概念：函数的正交、正交函数集、完备正交函数集信号的频谱。重点掌握周期信号的频谱分析和傅立叶变换熟记并灵活运用Fouier变换的性质,3.1 引言,1、信号分析与系统分析,系统分析：就是研究一给定系统对各种输入信号会产生何种输出信号。（时域分析方法）信号分析：-就是要研究信号如何表示成各分量（或单元函数）的迭加;-并从各分量的组成情况去考虑信号的特性。,本章线索：,从信号分量组成情况讨论信号特性,找分量表示为各分量的叠加,找原则分解误差最小，简便；可以证明完备的正交函数集可表示任何的复杂信号;找到-信号如何分解，如何将信号分解或表示为该函数集中单元函数的组合(付里叶级数（三角付里叶级数，指数付里叶级数）),信号时域特性与频域特性的关系,周期信号频谱；非周期信号频谱；,在 中除有垂直投影外，还有其它投影，但垂直投影有一个特性，即用垂直投影去代替原矢量所造成的误差向量的模或模的平方比用其它投影的小。亦即其误差矢量 的模或模平方在垂直投影时最小，影响垂直与否的量只有C12，所以应选择C12使得误差矢量最小。,3.2 正交函数集与信号分解,3.2 正交函数集与信号分解,3.2 正交函数集与信号分解,矢量的分量和矢量的分解,3.2 正交函数集与信号分解,其中单位正交矢量 具有如下关系：,推广到n维空间，则n维正交矢量集的单位矢量关系如下：,矢量集 组成一n维的正交空间。,第r个分量的模：,3.2 正交函数集与信号分解,二、信号的分量与信号的分解1、信号的分量（类比矢量的分量）定义：函数f1(t)，f2(t)，在区间t1,t2上f1(t)在f2(t)上的分量为C12f2(t)，其中C12称为分量系数，为常数。如何求C12=？,2、引入函数正交概念函数f1(t)，f2(t)，在区间t1,t2上f1(t)在f2(t)上的分量为C12f2(t)，若C12=0，称函数f1(t)，f2(t)在区间t1,t2上f1(t)与f2(t)正交。说明使用C12表示f1(t)，f2(t)相似程度不合适,若f1(t)=f2(t)+f3(t)，且f2(t)与f3(t)正交，C12=？,为了更好地说明两个信号间相似的程度，从功率的角度，引入了相关系数的概念：,3、相关系数,3.2 正交函数集与信号分解,3.2 正交函数集与信号分解,3.2 正交函数集与信号分解,4、引入正交函数集、正交信号空间（类比矢量的正交空间）,3.2 正交函数集与信号分解,5、信号分解（类比正交矢量空间的分解）,3.2 正交函数集与信号分解,在使该近似式的方均误差最小的条件下，可推得其中分量系数Cr应满足：,3.2 正交函数集与信号分解,如果一正交信号空间可以精确（无误差）地表示任一函数，则称该正交空间为完备的正交信号空间或正交函数集。一般说，完备正交函数集中将包含有无限多个相互正交的函数。此时，函数f(t)可以精确地而不是近似地表示为一个包含无限多个相互正交的函数的无穷级数。,3.2 正交函数集与信号分解,正交和完备是两个独立的概念。,说一个正交函数完备，即是说在该正交集之外不存在任何一个函数x(t)使得：,3.2 正交函数集与信号分解,3、复变函数的分解,复变函数即指函数的自变量及函数值都是复数的函数。复变函数的分解与实函数的分解相似，只有以下几点不同：1）函数f1(t)、f2(t)、都是复变函数2)正交函数集g1(t)，gr(t)，都是复变函数。3)分量系数C1，Cr，是复数。,3.2 正交函数集与信号分解,2）方均误差式变为：,3.2 正交函数集与信号分解,3）分量系数变为：,4）正交函数集的正交条件：,3.2 正交函数集与信号分解,5）复正交函数集g1(t),g2(t),gr(t),是完备的，则任意函数f(t)(实或复)可以分解为:,3.2 正交函数集与信号分解,广义地讲，实变函数是复变函数的复数虚部为0的特殊情况，因此讨论复变函数的分析更有意义。,3.2 正交函数集与信号分解,1、三角正交函数集,4、常用完备正交函数集,(t0，t0+T),2、指数函数集,(t0，t0+T),3、抽样函数集,4、Walsh函数集,(-，),(0，1),矢量：坐标变换函数：正交变换 工程技术中的正交函数集：傅立叶级数、沃尔什函数、乐让德函数、切比雪夫函数等。,傅里叶生平,1768年生于法国1807年提出“任何周期信号都可用正弦函数级数表示”1829年狄里赫利第一个给出收敛条件拉格朗日反对发表1822年首次发表在“热的分析理论”一书中,傅立叶的两个最主要的贡献,“周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和”傅里叶的第一个主要论点“非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示”傅里叶的第二个主要论点,3.3 信号表示为傅立叶级数,1、三角傅立叶级数,是一个正交函数集当n=时，是一完备的正交函数集,注意：n=0，sin0=0不属于正交函数集。,3.3 信号表示为傅立叶级数,3.3 信号表示为傅立叶级数,a0/2,an,bn都是分量系数a0/2是函数 f(t)在该区间内的平均值,称为直流分量。n=1时，即a1cost+b1sint合成一个角频率为=2/T的正弦分量，称为基波分量；N1时，ancost+bnsint合成一个角频率为n的正弦分量，称为f(t)的n次谐波分量;称为基波频率，n称为谐波频率。,3.3 信号表示为傅立叶级数,3.3 信号表示为傅立叶级数,3.3 信号表示为傅立叶级数,3.3 信号表示为傅立叶级数,要将一周期信号分解为谐波分量，则该信号应满足狄利克雷条件,即：（1）在一周期内，如果有间断点存在，则间断点的数目应是有限个；（2）在一周期内，极大值和极小值的数目应是有限个；（3）在一周期内，信号满足绝对可积。,3.3 信号表示为傅立叶级数,电子技术中的周期信号大都能满足该条件，因此以后除非有需要，一般不做特别说明。,求下图所示周期锯齿波的傅里叶级数展开式。,解：,傅里叶级数展开式为：,基波,直流,谐波,3.3 信号表示为傅立叶级数,回顾,正交信号空间,回顾,回顾,三角傅立叶级数,求下图所示信号的三角傅里叶级数展开式。,傅里叶级数展开式为：,在实际应用中，不可能取无限多次谐波，只能取有限项来近似表示，不可避免的带来一误差。,近似函数与原信号差别：,误差函数：,3.3 信号表示为傅立叶级数,2、复指数傅立叶级数,3.3 信号表示为傅立叶级数,指数傅里叶级数虽然和三角傅里叶级数的形式不同，但都是将一信号表示为直流分量和谐波分量之和；三角傅里叶级数谐波概念较为直观，但指数级数更为方便，只需求出复数振幅，信号分解任务就完成。,3.3 信号表示为傅立叶级数,注意：,Fourier级数展开式都是在（t1，t1T）区间上进行，即该展开式仅在（t1，t1T）内有意义；在区间之外，也可用此展开式，但f(t)必须是原函数在（t1，t1T）内向两边做周期T的延拓函数。否则，则仅适合于在区间（t1，t1T）。用正交函数集表示信号时，应当注意这信号是否为周期性的，以及傅立叶级数表示式的适用范围。,在指数Fourier级数中出现-n，并不表示出现负频率，只是将n次谐波表示（或分成）两个指数项后的一种数学表示形式。指数正交集中包含有ejn和e-jn，它们符合正交条件；但三角正交集中则不包含cos(-nt)和 sin(-nt)，因为cos(nt)和cos(-nt)或sin(nt)和sin(-nt)不符合正交条件。,3.3 信号表示为傅立叶级数,函数的对称性质与谐波分量的关系,四种对称：偶函数：f(t)=f(-t)奇函数：f(t)=-f(-t)偶谐函数：半周期重叠对称f(t)=f(tT/2)奇谐函数：半周期镜像对称f(t)=-f(tT/2)任意周期函数有：,只含直流和余弦谐波项,周期三角波是偶函数,只含正弦项,周期锯齿波是奇函数,半周期重叠对称(偶谐函数),半周期对称平移半个周期与原波形完全重合 波形不变,实际周期为T/2，实际角频率为20，基波和谐波频率均为0的偶数倍，只有偶次谐波分量和直流分量。,偶谐函数,奇谐函数,波形移动T/2，与原波形横轴对称,傅立叶级数展开式不包含直流分量和偶次谐波，只包含奇次谐波。,利用傅立叶级数的对称性判断所含有的频率分量,周期偶函数，奇谐函数,只含基波和奇次次谐波的正弦分量,只含基波和奇次谐波的余弦分量,周期奇函数，奇谐函数,只含有正弦分量,含有直流分量和余弦分量,利用傅立叶级数的对称性判断所含有的频率分量,3.4 周期信号的频谱,1、信号的频谱与频谱图 信号可以在（t1,t1+T）区间内分解为三角傅立叶级数和指数傅立叶级数的形式。,可见，信号与其分解式中的谐波频率、谐波振幅、相位分布之间存在一一对应关系。因此，可以用信号各次谐波的振幅、相位分布情况来描述。频谱：振幅、相位随频率的分布关系。,若将各次谐波（包括基波和直流分量）的振幅大小 按照其频率的高低画在同一频率轴上，就可以得到一幅反映振幅值与频率间关系的图，该图称为信号的振幅频谱图，简称振幅谱。类似地可以得到信号的相位频谱图，简称相位谱。一般情况下称信号的频谱，常指信号的振幅谱。,3.4 周期信号的频谱,请画出信号f（t）的幅度谱和相位谱。,余弦形式：,三角形式傅里叶级数系数：,指数形式：,如图所示的周期性方波信号，由于它是偶函数，所以Fourier级数中仅含有余弦谐波;又由于该函数为奇谐函数，即 f(t+T/2)=-f(t)，所以仅有奇次谐波，也不含直流分量。综合考虑，f(t)的Fourier级数中，仅有奇次的余弦谐波，即：f(t)=a1cos(t)+a3cos(3t)+,3.4 周期信号的频谱,3.4 周期信号的频谱,3.4 周期信号的频谱,可以解得：,振幅谱,相位谱,于是可以画出该分波信号的振幅谱，相位谱分别见图。,3.4 周期信号的频谱,对于指数Fourier级数展开，复振幅度，可将幅、相综合画于同一图上，组成幅相图。,3.4 周期信号的频谱,下面我们举一例来说明周期性信号的频谱分析过程，并由此得出一些有普遍意义的结论，以周期性矩形脉冲信号为例，该信号在数字信号处理等方面具有十分重要的典型意义。,频谱分析过程：,1）写出信号的Fourier级数分解式求分量系数,写出信号在一个周期内的函数式,确定分量系数bn=0,分析函数特点（奇、偶性，奇偶谐性）确定其Fourier级数并含有哪些谐波分量。F(t)为偶函数，仅含有直流分量与余弦谐波。,写出Fourier分解式-级数,三角分解形式,指数分解形式,振幅谱：,2）画出频谱图,由此可见振幅与/T有关：n=0,A0=2A/T 当/2=k，即=2k/时，An=An是按2/的周期归零的。而且随着，|Sa(/2)|，故振幅的值也减小。在一个周期中：基波频率=2/T；=n=2n/T，故在第一个An归零周期里，谱线条数为：,0,T/,3.4 周期信号的频谱,在一个An归零周期里，谱线条数为：T/设T=5，可得：A0=2A/T=2A/5，包含5条谱线。,3.4 周期信号的频谱,相谱图：,由An可以看出，当Sa(n/2)的n/2取一，二象限角时，An为正实数，相位为0，而当n/2取三，四象限角时，An为负实数，n=-，于是有：,有时为简便起见，将相位谱画在振幅谱上。,复振幅：按An的大小，振幅与相位同时画在图上：该图可将振幅大小及与相位的关系明确地表示出来。注意：这里出现负值并不表示负振幅，只表示相位为负。,3.4 周期信号的频谱,3、根据频谱图进行信号分析,（1）周期信号的频谱是离散频谱；（2）周期信号的频谱的谱线仅出现在的整数倍频率上；（3）周期信号的谱线高度总趋势是随频主增高而衰减；（本例是按Sa(t)正函数律衰减）,离散性,谐波性,收敛性,若T不变，在改变的情况,讨论波形变化对频谱结构的影响：,若不变，在改变T时的情况,讨论波形变化对频谱结构的影响：,A、脉冲越窄，振幅减小，收敛速度变慢（过零周期延长）B、频谱分布向高频方向移动；即脉冲越窄，信号中高频分量越多。这与我们日常经验相符合的，冲激信号脉宽很窄但其含有许多高频分量。C、信号占有时间宽度与频谱占有宽度成反比。,结论1：,A、谱线密度与信号周期成正比，这一结论在数字信号处理中用处很大，如在一频谱中只有5Hz频谱，为了观看2.5Hz的谱线，则只需将信号周期加大一倍即可。B、T时，变成非周期信号，此时离散谱变成连续谱。,结论2：,3.4 周期信号的频谱,尽管以上结论是从一特殊例子得出的，但具有普遍意义：即对任意周期信号，其频谱都具有离散性、谐波性与收敛性;而且在一个周期内，信号所占空间与频谱占有空间成反比;信号的变化率越大，频谱收敛越快，如方波的收敛速度是1/n，三角波为1/n2。,3.4 周期信号的频谱,因为谐波振幅具有收敛性，信号能量的主要部分集中在低频分量中，所以谐波次数过高的那些分量实际上可以忽略不计。对一个信号，从零频率开始到需要考虑的最主分量的频率间的这一频率范围是信号所占有的频带宽度，简称频宽、带宽。,3、频带宽度的概念与定义,3.4 周期信号的频谱,一般讲，时间函数变化较快的信号必定具有较宽的频带。,实际上：1）对于包络线为Sample函数的频谱，常包络线第一个过零点的分量定义为最高频率分量，这时频宽为：2/；2）对于一般频谱，常将振幅降为最大值的1/10为最高频率分量。,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,1、频谱函数,当周期信号的周期T时，信号变成非周期信号，基波频率=2/T0，频谱由离散波变成连续频谱。同时对一般函数f(t)：,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,虽然各频率分量的振幅都是无穷小量，但各个复振幅n0的速度是不一样的;各n间还是有相对大小的,为了体现这种相对差别，我们给n乘以一个较大的分量T/2，即：,对上式T取极限，令=n，则:,将该极限记为F（jw）,即:,称为原函数的频谱密度函数，简称频谱函数，它们是一个复函数，记为：,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,F(jw)模量|F(jw)|是频率的函数，代表信号中各频率分量的相对大小，其实际振幅：,与n的模An、相角n一样，|F(jw)|为的偶函数，()为的奇函数。,2、非周期函数的Fourier积分表示式,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,周期函数的指数Fourier级数为：,其中：,则上式得：,当T-时，,故：,这就是非周期信号的Fourier积分表示式，相当于周期信号的Fourier级数。,傅里叶正变换,傅里叶反变换,对应关系记为,f(t)F(j),傅里叶变换：,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,f(t)的三角傅立叶积分形式为：,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,4、非周期信号与周期信号频谱的比较,周期信号在T一定时，其基波频率一定；非周期信号基波频率为无穷小量。周期信号的频谱是离散谱，非周期称为连续谱。周期信号的频谱包含一些离散频率分量，非周期频谱包含0的所有频率分量。周期信号的振幅频谱一定，而非周期信号的振幅频谱只能用它的密度函数来做出。密度函数的模量对频率做出的连续曲线代表信号的振幅频谱，密度函数的相角对频率做出的连续曲线代表信号的相位频谱；,周期函数与非周期函数对比：,时域非周期 频域连续谱（时域周期 频域离散谱）收敛性（能量有限才存在傅里叶变换）但不具有离散性与谐波性；包络一致性：F(j)与 包络一致,共轭对称性，即：,例：见P115。,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,单脉冲信号与脉冲信号有一些共同的特点：频谱具有收敛性；减小时，频谱第一零点 2/增大，收敛速度减慢，频带加宽。亦即：信号占空与频带占空成反比。,3.5 傅立叶变换与非周期信号的频谱,3.6 常用信号的傅立叶变换,一般周期性信号频谱的几种特性：离散性，谐波性，收敛性；信号的时间域空间与频率域空间成反比；信号周期与频线密度成正比；信号变化率与谱线收敛率成反比等。,当信号的周期无限增大时，周期信号变成为非周期信号，离散频谱变成连续频谱;这时，描述周期信号的振幅为无穷小量，只能用频谱函数来表示;在推导频率函数的同时，引入了Fourier变换对的定义。,3.6 常用信号的傅立叶变换,在实际应用上，最常见的是非周期信号，应当用频谱函数即Fourier变换来描述它们。下面举几个最常见的例子说明频谱函数的确定方法。学习本节有两个目的：熟悉一些典型函数的频谱；掌握Fourier Trans的技巧。,3.6 常用信号的傅立叶变换,例1:单脉冲信号f(t)=(t+/2)-(t-/2),3.6 常用信号的傅立叶变换,3.6 常用信号的傅立叶变换,因此,例3：求单边指数函数的频谱。,3.6 常用信号的傅立叶变换,3.6 常用信号的傅立叶变换,例4：偶双边指数信号,3.6 常用信号的傅立叶变换,3.6 常用信号的傅立叶变换,例5:奇双边指数函数,3.6 常用信号的傅立叶变换,3.6 常用信号的傅立叶变换,由例4和例5可以看出:原函数和傅立叶变换之间的关系f(t)实偶F(j)实偶f(t)实奇F(j)虚奇,3.6 常用信号的傅立叶变换,例2：f(t)=(t)求F（j）,3.6 常用信号的傅立叶变换,F（j）=1,求f(t)=,3.6 常用信号的傅立叶变换,3.6 常用信号的傅立叶变换,3.8 傅立叶变换的性质,由于FT的唯一性，所以信号的特性可以由f(t)也可能用F(jw)完整地表示出来，只要知道其中之一就以准确地确定出另一个。FT给出了信号时域特性与频域特性间的一般关系。本节研究其特定关系，即一个域内信号的特定运算在另一域内会有什么样的反映。,线性性质延时特性移频特性尺度变换特性奇偶特性对称特性微分特性积分特性频域的微分积分特性卷积定理,3.8 傅立叶变换的性质,相加信号的频谱等于各个单独信号的频谱之和。,3.8 傅立叶变换的性质,信号在时域中的延时对应于频域中的移相。与大家熟悉的正余弦信号起点不同，相位不同是一致的。,2延时特性:,线性性质:,Example,移频特性 要实现频谱提前/滞后0，只需在时域中将信号乘以 或。在实用上，常用f(t)与余弦函数cos(0t)之乘积实现频谱搬移。,3.8 傅立叶变换的性质,3.8 傅立叶变换的性质,在时域里将f(t)调制一余弦信号，在频域内频谱左右各移0相位，这就是调幅过程。,尺度变换特性,a1时，f(at)表示将f(t)压缩a倍。这时其频谱高度降低a倍，宽度展宽a倍。a1时，f(at)表将f(t)展宽a倍，频谱变高a倍，宽度压缩a倍;说明：信号占空与频谱占宽成反比。,3.8 傅立叶变换的性质,例：,解：,奇偶特性,3.8 傅立叶变换的性质,频谱函数的实部与模量是频率的偶函数 虚部和相位是频率的奇函数,5、奇偶特性,对称特性,3.8 傅立叶变换的性质,例1：,例2：,解：,解：,令=2，,微分特性,3.8 傅立叶变换的性质,积分特性,3.8 傅立叶变换的性质,解：,例3,由积分性：,频域的微分与积分特性,例：,解：,3.8 傅立叶变换的性质,线性性质,4、傅立叶变换的基本性质,折叠性,时频展缩性,时移性,4、傅立叶变换的基本性质,对称性,频移性,时域微分性,频域微分性,时域积分性,频域积分性,10、卷积特性,时域卷积：时域卷积，频域乘积频域卷积：时域乘积的2倍，频域卷积。,3.8 傅立叶变换的性质,证：,卷积性质,微分性质,解：,例1,例2 利用频域卷积定理求F(j)。,例3,解：,1）利用傅立叶变换微积分性求,2）利用频域卷积定理求解,其中,3）利用傅立叶变换定义求,3.8 傅立叶变换的性质,例4：求原信号,对称性质,回顾,3.9 Parserval定理与能量频谱,本节从能量与功率角度来考虑信号的时域与频域特性间的关系，在我们讲解信号分类时有一种分法：、能量信号：、功率信号：所以对能量信号，我们从能量角度来考察信号能量，时域与频域中的表示式以及信号能量在各频率分量中的分布。对功率信号，我们从功率角度考察信号在时域和频域中的表示式。,时域,1、功率有限的信号称为功率信号，定义为1电阻消耗的 平均功率，即：,2、能量有限的信号称为能量信号，定义为1电阻消耗的能量。,例：周期信号、部分非周期信号(t)、Sgn(t)等、随机信号,例：G(t)、单个三角信号、指数衰减信号等,非功率非能量信号，如t(t)，et(t)。,是功率信号，即非能量信号；是能量信号，即非功率信号。,3.9 Parserval定理与能量频谱,一、功率信号的功率谱在电路理论中我们讨论过，非正弦周期信号的电流或电压的有效值等于该信号所含各谐波分量的平方和的平方根;换言之，一个周期信号的方均值等于该信号在完备正交函数集中各分量的方均值之和;或者说周期信号的功率等于信号在完备正交函数集中的各分量功率之和。这就是著名的Parseval定理。,3.9 Parserval定理与能量频谱,Parseval定理：周期信号的功率等 于该信号在完备正交函数集中各分量功率之和。,3.9 Parserval定理与能量频谱,设g1(t)，g2(t),，gn(t)，为完备正交函数集。f(t)=c1g1(t)+c2g2(t)+cngn(t)+t1tt1+T则信号功率(方均值),3.9 Parserval定理与能量频谱,对于三角Fourier来说，其总功率为:,总功率等于各角频率分量的功率之和。,3.9 Parserval定理与能量频谱,对于非周期的单脉冲信号，由于该信号在整个区间的平均功率为0，而能量有限，信号的总能量为：,3.9 Parserval定理与能量频谱,雷利（Rayleigh）定理：对于能量信号，在时域中的信号能量等于在频域中求得的能量。,对能量信号来讲，信号总能量为：,雷利（Rayleigh）定理：对于能量信号，在时域中的信号能量等于在频域中求得的能量。,信号能量可以时域积分也可以通过频域积分得到。,3.9 Parserval定理与能量频谱,信号在整个频率范围内的全部能量为：,能量密度谱G()：描述能量信号的频率特性，它只与信号频谱的模频特性有关，而与相频特性无关。,非周期的单脉冲信号是无限多个振幅为无限小的频率分量组成；各频率分量的能量是无穷小量，对于无穷小量是不能讨论其意义的；为了表示能量在频率上的分布，仿照FT的引用，定义一个能量（密度）频谱函数：,例1：,解：,由Parserval定理：,解：,例2：,结论：,（1）时域内信号平均功率等于频域平均功率；（2）时域内信号的能量等于频域的能量；（3）在信号有效频谱宽度B内，集中信号90%以上的能量。(信号占有频宽B)（4）在信号有效持续时间内，集中信号90%以上的能量。(信号有效持续时间)（5）信号有效频谱宽度B 与有效持续时间成反比。,本章要点：,1、信号的分解；2、周期信号频域分析：傅立叶级数形式、性质、频谱特点；3、非周期信号频域分析：傅立叶变换与反变换；,常用信号的频谱函数；,线性性质,4、傅立叶变换的基本性质,折叠性,对称性,时频展缩性,时移性,频移性,时域微分性,时域积分性,频域微分性,频域积分性,时域卷积定理,频域卷积定理,5、功率信号和能量信号及频谱的概念。,