信号与系统教学.ppt

第一章 信号与系统,教材：信号与线性系统分析（吴大正）参考书：1、郑君里，杨为理，信号与系统，高等教育出版社，20002、陈生潭，郭宝龙，信号与系统（第二版），西安电子科技大学出版社3、奥本海姆 等，信号与系统（第二版），刘树棠译，西安交通大学出版社,本章内容,1.1 绪言1、信号的概念2、系统的概念1.2 信号的描述与分类1、信号的描述2、信号的分类1.3 信号的基本运算1、加法和乘法2、时间变换1.4 阶跃函数和冲激函数一、阶跃函数二、冲激函数,三、冲激函数的性质1.5 系统的描述一、系统的数学模型二、系统的框图表示1.6 系统的特性和分析方法,1.1 绪论,一、信号的概念1.消息人们常常把来自外界的各种报道统称为消息。（感觉、思想、意见等）2.信息通常把消息中有意义的内容称为信息。本课程中对“信息”和“消息”两词不加严格区分。,信号是信息的载体。通过信号传递信息。信号我们并不陌生，如铃声声信号，表示该上课了；十字路口的红绿灯光信号，指挥交通；电视机天线接受的电视信息电信号；广告牌上的文字、图象信号等等。为了有效地传播和利用信息，常常需要将信息转换成便于传输和处理的信号。,3.信号,一般而言，系统(system)是指若干相互关联的事物组合而成具有特定功能的整体。如手机、电视机、通信网、计算机网等都可以看成系统。它们所传送的语音、音乐、图象、文字等都可以看成信号。信号的概念与系统的概念常常紧密地联系在一起。信号的产生、传输和处理需要一定的物理装置，这样的物理装置常称为系统。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。,二、系统的概念,一、信号的描述信号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。信号按物理属性分：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，易于处理。本课程讨论电信号-简称“信号”。电信号的基本形式：随时间变化的电压或电流。描述信号的常用方法（1）表示为时间的函数（2）信号的图形表示-波形“信号”与“函数”两词常相互通用。,1.2 信号的描述和分类,二、信号的分类,1.确定信号和随机信号可以用确定时间函数表示的信号，称为确定信号或规则信号。如正弦信号。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，如在某时刻取某一数值的概率，这类信号称为随机信号或不确定信号。电子系统中的起伏热噪声、雷电干扰信号就是两种典型的随机信号。研究确定信号是研究随机信号的基础。本课程只讨论确定信号。,确定信号与随机信号波形,在连续的时间范围内(-t）有定义的信号称为连续时间信号，简称连续信号。这里的“连续”指函数的定义域时间是连续的，但可含间断点，至于值域可连续也可不连续。时间和幅值都为连续的信号称为模拟信号。,2.连续信号和离散信号根据信号定义域的特点可分为连续时间信号和离散时间信号。,离散时间信号,仅在一些离散的瞬间才有定义的信号称为离散时间信号，简称离散信号。若幅值也离散就为数字信号。这里的“离散”指信号的定义域时间是离散的，它只在某些规定的离散瞬间给出函数值，其余无定义。如右图的f(t)仅在一些离散时刻tk(k=0,1,2,)才有定义，其余时间无定义。,相邻离散点的间隔Tk=tk+1-tk可以相等也可不等。通常取等间隔T，离散信号可表示为f(kT)，简写为f(k)，这种等间隔的离散信号也常称为序列。其中k称为序号。,上述离散信号可简画为 用表达式可写为,或写为f(k)=，0，1，2，-1.5，2，0，1，0，,通常将对应某序号m的序列值称为第m个样点的“样值”。,3.周期信号和非周期信号,周期信号(period signal)是定义在(-，)区间，每隔一定时间T(或整数N），按相同规律重复变化的信号。连续周期信号f(t)满足f(t)=f(t+mT)，m=0,1,2,离散周期信号f(k)满足f(k)=f(k+mN)，m=0,1,2,满足上述关系的最小T(或整数N)称为该信号的周期。不具有周期性的信号称为非周期信号。,解：两个周期信号x(t)，y(t)的周期分别为T1和T2，若其周期之比T1/T2为有理数，则其和信号x(t)+y(t)仍然是周期信号，其周期为T1和T2的最小公倍数。（1）sin2t是周期信号，其角频率和周期分别为1=2 rad/s，T1=2/1=scos3t是周期信号，其角频率和周期分别为2=3 rad/s，T2=2/2=(2/3)s由于T1/T2=3/2为有理数，故f1(t)为周期信号，其周期为T1和T2的最小公倍数2。（2）cos2t 和sint的周期分别为T1=s，T2=2 s，由于T1/T2为无理数，故f2(t)为非周期信号。,例1 判断下列信号是否为周期信号，若是，确定其周期。（1）f1(t)=sin2t+cos3t（2）f2(t)=cos2t+sint,解：f(k)=sin(k)=sin(k+2m)，m=0,1,2,例2 判断正弦序列f(k)=sin(k)是否为周期信号，若是，确定其周期。,式中称为正弦序列的数字角频率，单位：rad。由上式可见：当2/为整数时，正弦序列周期N=2/。当2/为有理数时，正弦序列仍为具有周期性，但其周期为N=M(2/)，M取使N为整数的最小整数。如=3，问，M=?，N=?当2/为无理数时，正弦序列为非周期序列。,解（1）sin(2k)的数字角频率为1=2 rad；由于2/1=为无理数，故f2(k)=sin(2k)为非周期序列。（2）sin(3k/4)和cos(0.5k)的数字角频率分别为1=3/4 rad，2=0.5rad由于2/1=8/3，2/2=4为有理数，故它们的周期分别为N1=8，N2=4，故f1(k)为周期序列，其周期为N1和N2的最小公倍数8。由上面几例可看出：连续正弦信号一定是周期信号而正弦序列不一定是周期序列。两连续周期信号之和不一定是周期信号，而两周期序列之和一定是周期序列。,例3 判断下列序列是否为周期信号，若是，确定其周期。（1）f2(k)=sin(2k)（2）f1(k)=sin(3k/4)+cos(0.5k),4能量信号与功率信号,将信号f(t)施加于1电阻上，它所消耗的瞬时功率为|f(t)|2，在区间(,)的能量和平均功率定义为（1）信号的能量（2）信号的功率,若信号f(t)的能量有界，即E,则称其为能量有限信号，简称能量信号。此时P=0若信号f(t)的功率有界，即P,则称其为功率有限信号，简称功率信号。此时E=,相应地，对于离散信号，也有能量信号、功率信号之分。,时限信号(仅在有限时间区间不为零的信号)为能量信号;周期信号属于功率信号，而非周期信号可能是能量信号，也可能是功率信号。有些信号既不是属于能量信号也不属于功率信号，如 f(t)=e t。,问题,1、什么是信号？什么是系统？为什么把这两个概念连在一起？2、信号f(t)=e-2|t|是 信号（填“能量”或“功率”）。,从数学表达式来看，信号可以表示为一个或多个变量的函数，称为一维或多维函数。语音信号可表示为声压随时间变化的函数，这是一维信号。而一张黑白图像每个点(像素)具有不同的光强度，任一点又是二维平面坐标中两个变量的函数，这是二维信号。还有更多维变量的函数的信号。本课程只研究一维信号，且自变量多为时间。,5一维信号与多维信号,6因果信号与反因果信号,常将t=0时接入系统的信号f(t)即在t 0，f(t)=0称为因果信号或有始信号。而将t 0，f(t)=0的信号称为反因果信号。还有其他分类：如实信号与复信号（见P6）；左边信号与右边信号等等。,1.3 信号的基本运算,一、信号的、运算两信号f1()和f2()的相+、指同一时刻两信号之值对应相加、减、乘。如,通信系统,为传送消息而装设的全套技术设备（包括传输信道）。,信宿,信道,接收设备,噪声源,二、信号的时间变换运算,1.反转将f(t)f(t)，f(k)f(k)称为对信号f()的反转或反折。从图形上看是将f()以纵坐标为轴反转180o。如,2.平移,将f(t)f(t t0)，f(k)f(k k0)称为对信号f()的平移或移位。若t0(或k0)0，则将f()右移；否则左移。如,平移与反转相结合,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),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（横坐标展缩）,将f(t)f(a t)，称为对信号f(t)的尺度变换。若a 1，则波形沿横坐标压缩；若0 a 1，则展开。如,信号的尺度变换在实际生活中的例子,对于离散信号，由于f(a k)仅在为a k 为整数时才有意义，进行尺度变换时可能会使部分信号丢失。因此一般不作波形的尺度变换。,见p10,三种运算的次序可任意。但一定要注意始终对时间t 进行。例：已知f(t)，画出f(4 2t)。,平移、反转、尺度变换相结合,也可以先压缩、再平移、最后反转。,1.4 阶跃函数和冲激函数,阶跃函数和冲激函数不同于普通函数，称为奇异函数。研究奇异函数的性质要用到广义函数（或分配函数）的理论。这节课首先直观地引出阶跃函数和冲激函数。一、阶跃函数下面采用求函数序列极限 的方法定义阶跃函数。选定一个函数序列n(t)如图所示。,阶跃函数性质：,（1）可以方便地表示某些信号,r(t)=t(t),斜升函数,f(t)=2(t)-3(t-1)+(t-2)（2）用阶跃函数表示信号的作用区间,问：如何用阶跃函数表示如下信号,二、冲激函数,单位冲激函数是个奇异函数，它是对强度极大，作用时间极短一种物理量的理想化模型。它由如下特殊的方式定义（由狄拉克最早提出）,也可采用下列直观定义：对如下图所示的矩形脉冲pn(t)。,高度无穷大，宽度无穷小，面积为1的对称窄脉冲。,冲激函数与阶跃函数关系,可见，引入冲激函数之后，间断点的导数也存在。如,f(t)=2(t+1)-2(t-1)f(t)=2(t+1)-2(t-1),三、冲激函数的性质（1）,1.与普通函数f(t)的乘积取样性质若f(t)在t=0、t=a处存在，则,？,冲激偶信号,对冲激信号(t)求时间导数，得到一个新的奇异信号，即冲激偶信号，其表示式为,见书p14,门函数,下图所示矩形脉冲g(t)常称为门函数。,特点:宽度为，幅度为1。,利用移位阶跃函数，门函数可表示为：,二、冲激函数的广义函数定义,广义函数 选择一类性能良好的函数(t)(检验函数)，一个广义函数g(t)作用在(t)，得到一个数值Ng(t),(t)。广义函数g(t)可以写成,冲激函数的广义函数定义,移位,冲激函数的导数(t),(t)也称冲激偶(t)的定义：,移位,0,的定义：,例题,?,(t)的尺度变换,？,复合函数形式的冲激函数,实际中有时会遇到形如f(t)的冲激函数，其中f(t)是普通函数。并且f(t)=0有n个互不相等的实根ti(i=1，2，n)；,见书p22,f(t)可以展开成泰勒级数,若f(t)=0的n个根t=ti都是单根，即在t=ti处f(ti)0，则在t=ti附近有：,意义：是位于各ti处，n个冲激函数构成的冲击函数序列。,例：若f(t)=4t2-1,则有,1.4 系统的描述,系统分类：按数学模型的不同,系统可分为:即时系统与动态系统;连续系统与离散系统;线性系统与非线性系统;时变系统与时不变(非时变)系统等等.1、即时系统指的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。2、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。,系统的数学模型,系统的框图表示,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。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。5、连续系统与离散系统常组合使用,可称为混合系统,一、系统的数学模型,数学模型:系统基本特性的数学抽象,是以数学表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,而描述离散系统的数学模型是差分方程。,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。通常表现为描述输入输出关系的方程。,2.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。,解：根据KVL有,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,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微分器的好。,1、表示系统功能的常用基本单元有:积分器：,见书p25,系统模拟：,实际系统方程模拟框图实验室实现指导实际系统设计例1：已知y”(t)+ay(t)+by(t)=f(t)，画框图。解：将方程写为y”(t)=f(t)ay(t)by(t),例二（见书p25）已知某连续系统如下图所示，写出该系统的微分方程。,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,为了得到系统的微分方程，要消去x(t)及其导数。,右方加法器的输出为,以上三式相加并整理得：,即：,二、离散系统,设第k个月初的款数为y(k),这个月初的存款为f(k),上个月初的款数为y(k-1)，利息为y(k-1),则y(k)=y(k-1)+y(k-1)+f(k)即y(k)-(1+)y(k-1)=f(k)若设开始存款月为k=0，则有y(0)=f(0)。上述方程就称为y(k)与f(k)之间所满足的差分方程。所谓差分方程是指由未知输出序列项与输入序列项构成的方程。未知序列项变量最高序号与最低序号的差数，称为差分方程的阶数。上述为一阶差分方程。,1.解析描述建立差分方程例：某人每月初在银行存入一定数量的款，月息为元/元，求第k个月初存折上的款数。,由n阶差分方程描述的系统称为n阶系统。2.差分方程的模拟框图基本部件单元有：数乘器，加法器，迟延单元（移位器）,例：已知框图，写出系统的差分方程。,解：设辅助变量x(k)如图x(k)=f(k)2x(k-1)3x(k-2)即x(k)+2x(k-1)+3x(k-2)=f(k)y(k)=4x(k-1)+5x(k-2)消去x(k)，得y(k)+2y(k-1)+3y(k-2)=4f(k-1)+5f(k-2)方程框图用变换域方法和梅森公式简单，第7章讨论。,根据框图求解微分或差分方程的一般步骤：,(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);对于离散系统，设其最左端延迟单元的输入为x(k)；,（2）写出各加法器输出信号的方程；,（3）消去中间变量x(),二、离散系统,设第k个月初的款数为y(k),这个月初的存款为f(k),上个月初的款数为y(k-1)，利息为y(k-1),则y(k)=y(k-1)+y(k-1)+f(k)即y(k)-(1+)y(k-1)=f(k)若设开始存款月为k=0，则有y(0)=f(0)。上述方程就称为y(k)与f(k)之间所满足的差分方程。差分方程是指由未知输出序列项与输入序列项构成的方程。未知序列项变量最高序号与最低序号的差数，称为差分方程的阶数。上述为一阶差分方程。,1.解析描述建立差分方程例：某人每月初在银行存入一定数量的款，月息为元/月，求第k个月初存折上的款数。,由n阶差分方程描述的系统称为n阶系统。2.差分方程的模拟框图 基本部件单元有：数乘器，加法器，迟延单元（移位器),例：已知离散系统框图，写出系统的差分方程。,解：设辅助变量x(k)如图x(k)=f(k)2x(k-1)3x(k-2)，即x(k)+2x(k-1)+3x(k-2)=f(k)y(k)=4x(k-1)+5x(k-2)消去x(k)，得2y(k-1)=2*4x(k-2)+2*5x(k-3)3y(k-2)=3*4x(k-3)+3*5x(k-4)y(k)+2y(k-1)+3y(k-2),得:y(k)+2y(k-1)+3y(k-2)=4f(k-1)+5f(k-2)方程框图用变换域方法和梅森公式比较简单，后面讨论。,解：设辅助变量x(t)如图所示。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。,x(t),x(t),x(t),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。由（2）式得,由右端加法器得,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);对于离散系统，设其最左端延迟单元的输入为x(k)；,（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,一、系统特性二、系统分析方法,一、系统特性,连续的或离散的系统可分为：1、线性的和非线性的；2、时变的和时不变（非时变）的；3、因果的和非因果的；4、稳定的和非稳定的。本书主要讨论线性时不变系统,（1）线性性质系统的激励f()所引起的响应y()可简记为y()=T f()。线性性质包括两方面：齐次性和可加性。若系统的激励f()增大a倍时，其响应y()也增大a倍，即T af()=a T f()则称该系统是齐次的。若系统对于激励f1()与f2()之和的响应等于各个激励所引起的响应之和，即T f1()+f2()=T f1()+T f2()则称该系统是可加的。,1、线性系统：满足线性性质的系统。,若系统既是齐次的又是可加的，则称该系统是线性的，即Ta 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 f()有关，而且与系统的初始状态x(0)有关。初始状态也称“内部激励”。完全响应可写为y()=T f(),x(0),当动态系统满足下列三个条件时该系统为线性系统：可分解性：y()=yzs()+yzi()=T f(),0+T 0，x(0)零状态线性：Ta f(),0=a T f(),0(齐次性)Tf1(t)+f2(t),0=T f1(),0+T f2(),0(可加性)或Taf1(t)+bf2(t),0=aT f1(),0+bT f2(),0,零状态响应为yzs()=T f(),0零输入响应为yzi()=T 0，x(0),T0,ax(0)=aT 0,x(0)(齐次性)T0,x1(0)+x2(0)=T0,x1(0)+T0,x2(0)(可加性)或T0,ax1(0)+bx2(0)=aT0,x1(0)+bT0,x2(0),零输入线性：,注：三个条件缺一不可,例题,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，故为非线性。（2）yzs(t)=|f(t)|，yzi(t)=2 x(0)y(t)=yzs(t)+yzi(t)满足可分解性；由于Ta f(t),0=|af(t)|a yzs(t)不满足零状态线性。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),（3）yzs(t)=2 f(t),yzi(t)=x2(0)，显然满足可分解性；由于T 0,a x(0)=a x(0)2 a yzi(t)不满足零输入线性。故为非线性系统。,（3）y(t)=x2(0)+2 f(t),y(t)=yzs(t)+yzi(t)，满足可分解性；Ta 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；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；所以，该系统为线性系统。,2、时不变系统与时变系统,满足时不变性质的系统称为时不变系统。（1）时不变性质若系统满足输入延迟多少时间，其零状态响应也延迟多少时间，即若T0，f(t)=yzs(t)则有T0，f(t-td)=yzs(t-td)系统的这种性质称为时不变性或移位不变性）,解(1)令g(k)=f(k kd)T0，g(k)=g(k)g(k 1)=f(k kd)f(kkd 1)而y(k kd)=f(k kd)f(kkd 1)显然T0，f(k kd)=y(k kd)故该系统是时不变的.(2)令g(t)=f(t td)T0，g(t)=t g(t)=t f(t td)而y(t td)=(t td)f(t td)显然T0，f(t td)y(t td)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)（3）y(t)=f(t),(3)令g(t)=f(t td),T0，g(t)=g(t)=f(t td)而y(t td)=f(t td)，显然T0，f(t td)y(t td)故该系统为时变系统。直观判断方法：若f()前出现变系数，或有反转、展缩变换，则系统为时变系统。,（3）y(t)=f(t),（2）LTI连续系统的微分特性和积分特性微分特性：若f(t)yzs(t)，则f(t)y zs(t)积分特性：若f(t)yzs(t)，则,本课程重点讨论线性时不变系统(Linear Time-Invariant)，简称LTI系统。,3、因果系统与非因果系统,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。如下列系统均为因果系统：yzs(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t 0.5 t0。,4、稳定系统与不稳定系统,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。即若f(.)，其yzs(.)则称系统是稳定的。如yzs(k)=f(k)+f(k-1)是稳定系统；而,因为，当f(t)=(t)有界，,是不稳定系统,二、LTI系统分析概述,系统分析的主要问题：对给定的具体系统，求出它对给定激励的响应。具体地说：系统分析就是建立表征系统的数学方程并求出解答。,求解系统数学模型的基本思路：,（1）把零输入响应和零状态响应分开求。（2）把复杂信号分解为众多基本信号之和，根据 性系统的可加性：多个基本信号作用于线性系统 所引起的响应等于各个基本信号所引起的响应之 和。采用的数学工具：（1）卷积积分与卷积和（2）傅里叶变换（3）拉普拉斯变换（4）Z变换,小结,1、系统框图和数学模型间的关系2、系统特性3、系统分析方法概述,