周期信号的连续时间傅里叶级数.ppt
傅里叶生平,1768年生于法国1807年提出“任何周期信号都可以用正弦函数的级数来表示”拉格朗日反对发表1822年首次发表“热的分析理论”1829年狄里赫利第一个给出收敛条件,17681830,4.2 三角形式傅里叶级数,Gibbs现象!,4.2 三角形式傅里叶级数,傅里叶的两个最重要的贡献,“周期信号都可以表示为成谐波关系的正弦信号 的加权和”傅里叶的第一个主要论点“非周期信号都可以用正弦信号的加权积分来表示”傅里叶的第二个主要论点,4.2 三角形式傅里叶级数,4.2 三角形式傅里叶级数,将任意周期信号在三角函数或复指数函数组成的完备正交函数集 或 内分解而得到的级数统称为傅里叶级数（FS）,将信号表示为不同频率正弦分量的线性组合意义:,1.从信号分析的角度 将信号表示为不同频率正弦分量的线性组合,为不同信号之间进行比较提供了途径。,2.从系统分析角度 已知单频正弦信号激励下的响应，利用叠加特性可求得多个不同频率正弦信号同时激励下的总响应；而且每个正弦分量通过系统后，是衰减还是增强一目了然。,将任意一个周期信号表示成傅立叶级数具有如下一些显著优点：三角函数和复指数函数是自然界中最常见，最基本的函数；三角函数和复指数函数是简谐函数，用它们表示时间信号，自然地建立起了时间和频率这两个基本物理量间的联系；,简谐信号较其他信号更容易产生和处理；三角信号或复指数信号通过线性时不变系统后，仍为三角函数和复指数函数，其频率不变，只是幅度和相位产生变化，同时，线性时不变系统对三角函数或复指数函数的响应求解非常方便；,4.2 三角形式傅里叶级数,许多系统的特性主要由其频域特性来描述，因此常常需要关心的并不是这些系统的冲激响应，而是其冲激响应所对应的频率特性；时域中的卷积运算在频域中会转化为乘积运算，从而找到了计算卷积的一种新方法，使时域中难于实现的卷积求解便于实现。,4.2 三角形式傅里叶级数,如何将任意一个周期信号在三角函数或复指数函数组成的完备正交函数集分解得到傅立叶级数？,正交区间为（t0,t0+T），,完备正交函数集：,傅里叶系数,1.将一个周期为 T 的函数 表示为这个正交函数集中各函数的线性组合：,基波角频率,4.2 三角形式傅里叶级数,2.傅立叶系数：,直流系数,余弦分量系数,正弦分量系数,a0/2:直流分量,是 n 的偶函数,是 n 的奇函数,4.2 三角形式傅里叶级数,3.周期信号的另一种三角级数表示：,直流分量,基波分量（n=1的项）,谐波分量（n1）,是 n 的偶函数,是 n 的奇函数,4.2 三角形式傅里叶级数,f(t)为偶函数时的傅立叶级数,f(t)=f(t),偶函数的傅立叶级数只有直流分量和余弦分量，无正弦分量。,4.2 三角形式傅里叶级数,f(t)为奇函数时的傅立叶级数,f(t)=f(t),奇函数的傅立叶级数只有正弦分量，无直流分量和余弦分量。,4.2 三角形式傅里叶级数,例：,求周期矩形脉冲的三角形式傅里叶级数展开式。,解：,4.2 三角形式傅里叶级数,正交区间为（t0,t0+T），,完备正交函数集：,系数：,复振幅,引入了负频率,4.3 指数形式的傅里叶级数,f(t)为实函数,4.3 指数形式的傅里叶级数,两种展开式的系数间的关系:一个周期信号既可展成三角形式傅立叶级数，同时也可展成复指数形式的傅立叶级数，二者之间存在着明确的关系（欧拉公式）,负频率的理解：,4.3 指数形式的傅里叶级数,例:已知正弦信号，求其傅里叶级数表示式。解：直接利用欧拉公式得到傅里叶级数表示式：可以看出，上式中：,4.3 指数形式的傅里叶级数,例：,求周期方波的复指数展开式。,解：信号的基波周期是T，基波频率是,当 时,4.3 指数形式的傅里叶级数,例:求周期冲激信号的指数形式傅立叶级数表示式,n=0,1,2,.,T(t),解：求系数：,4.3 指数形式的傅里叶级数,4.3.4 周期信号的频谱及其特点,周期信号的两种展开式：,均为 的函数，,分别组成 f(t)的第 n 次谐波分量的振幅和相位,频谱图,以振幅为纵坐标所画出的谱线图,以相位为纵坐标所得到的谱线图,以为横坐标,复振幅,4.3 指数形式的傅里叶级数,例:,试画出 f(t)的振幅谱和相位谱。,解：为周期信号，题中所给的 表达式可视 的傅里叶级数展开式。根据,可知，其基波频率：(rad/s)，基本周期T=2s，=2、3、6 分别为二、三、六次谐波频率。,4.3 指数形式的傅里叶级数,其余,单边频谱,4.3 指数形式的傅里叶级数,双边频谱,4.3 指数形式的傅里叶级数,例:,试画如下周期信号的振幅谱和相位谱。,解：其基波频率，,分别有一、三、五奇次谐波分量,其余,振幅频谱,相位频谱,4.3 指数形式的傅里叶级数,例：周期矩形脉冲信号,o,t,T,2,T,2,T,T,2,2,2,T,E,f,(,t,),复系数:,4.3 指数形式的傅里叶级数,取样函数定义为：,偶函数,x0时，Sa(x)=1,当x=k时，Sa(k)=0,4.3 指数形式的傅里叶级数,因此：,可将周期矩形脉冲信号的复振幅写成取样函数的形式，即,由复振幅的表达式可知，频谱谱线顶点的连线所构成的包络是 的形式,4.3 指数形式的傅里叶级数,画周期矩形脉冲的频谱：,1.找出谐波次数为零的点（即包络与横轴的交点）,包络线方程为:,与横轴的交点由下式决定：,4.3 指数形式的傅里叶级数,2.确定各谐波分量的幅度,当,即,为最大值,基波分量的幅度：,二次谐波分量的幅度：,4.3 指数形式的傅里叶级数,3.相位的确定,当 时：,当 时：,是 的实函数,4.3 指数形式的傅里叶级数,是 的偶函数,是 的奇函数,4.3 指数形式的傅里叶级数,周期信号频谱的特点：,离散性：,收敛性：,谐波性：,由不连续的谱线组成，每一条谱线代表一个正弦分量，所以此频谱称为不连续谱或离散谱；每条谱线间的距离为,每一条谱线只能出现在基波频率 的整数倍频率上，即含有 的各次谐波分量，而决不含有其他频率分量。,各次谐波分量的振幅虽然随 的变化有起伏变化，但总的趋势是随着 的增大而逐渐减小。当 时，|Fn|0。,4.3 指数形式的傅里叶级数,T相同，不同值时周期矩形信号的频谱,4.3 指数形式的傅里叶级数,相同，不同T值时周期矩形信号的频谱,4.3 指数形式的傅里叶级数,T 不变，不变：,即谱线的疏密不变,若：则 收敛速度变慢，,幅度减小，,包络零点间隔增大。,不变：,即谱线变密，,包络零点间隔不变。,若：,幅度减小，,当 时：,谱线无限密集，,幅度趋于无穷小，,周期信号趋于非周期信号,连续谱,4.3 指数形式的傅里叶级数,信号的频带宽度与信号的持续时间成反比！,周期矩形脉冲信号含有无穷多条谱线，,即：周期矩形脉冲信号可表示为无穷多个正弦分量之和。,实际工作中，要求传输系统将信号中的主要频率分量传输过去,周期矩形脉冲信号的主要能量集中在第一个零点之内，,因而，常常将 这段频率范围称为矩形脉冲信号的频带宽度。记为,或,4.3 指数形式的傅里叶级数,周期信号的能量是无限的，平均功率有界，,属于功率信号。,将 f(t)(实函数）表示成傅里叶级数并代入上式可得：,4.3.5 周期信号的功率谱,周期信号的功率等于其傅里叶级数展开式中各分量功率之和,4.3 指数形式的傅里叶级数,Dirichlet条件：，在任何周期内信号绝对可积。在任何有限区间内，只有有限个极值点，且极值为有限值。在任何有限区间内，只有有限个第一类间断点。,4.2 三角形式傅里叶级数,
