信号与系统_第三章连续信号的正交分解_课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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,(t
7、0,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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、(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
13、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,
14、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
15、、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=
16、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
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