信号与系统郑君里ppt.ppt

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1、 1.1 信号与系统1.2 信号的描述和分类1.3 信号的运算1.4 阶跃信号与冲激信号,第一章 绪论,青岛大学信息工程学院,1.5 信号的分解1.6 系统模型及其分类1.7线性时不变系统1.8系统分析方法,青岛大学信息工程学院,第一章 绪论,本章学习要点,初步认识本学科领域的一些名词术语；学习信号运算规律，熟悉表达式与波形的对应关系；在先修课程的基础上，进一步理解冲激信号的特性与应用背景；初步了解系统的方框图表示方法；了解一些在本课程研究过程中将要采用的主要方法和手段。,1.1 信号与系统,信号(signal)系统（system）信号理论与系统理论,信号(Signal),消息（Message

2、）：在通信系统中，一般将语言、文字、图像或数据统称为消息。信息（Information）：一般指消息中赋予人们的新知识、新概念，定义方法复杂，将在后续课程中研究。信号（Signal）：指消息的表现形式与传送载体。信号是消息的表现形式与传送载体，消息是信号的传送内容。例如电信号传送声音、图像、文字等。电信号是应用最广泛的物理量，如电压、电流、电荷、磁通等。,信号实例,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。,信号我们并不陌生。如 刚才铃声声信号，表示该上课了;,系统(System),系统（system）：由若干相互作用和相互依赖的事物组合而

3、成的，具有特定功能的整体。如太阳系、通信系统、控制系统、经济系统、生态系统、计算机系统等。信号、电路、系统之间有着密切关系。系统可以看作是变换器、处理器。电系统具有特殊的重要地位，某个电路的输入、输出是完成某种功能，如微分、积分、放大，也可以称系统。在电子技术领域中，“系统”、“电路”、“网络”三个名词在一般情况下可以通用。,1、信号必定是由系统产生、发送、传输与接收，离开系统没有孤立存在的信号；2、系统的重要功能就是对信号进行加工、变换与处理，没有信号，系统的存在就没有意义。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。,信号与系统的关系,信号与系统问题无处不在,通信

4、方面古老通信方式：烽火、旗语、信号灯近代通信方式：电报、电话、无线通讯 现代通信方式：计算机网络通讯、视频电视传播、卫星传输、移动通讯,信号作用于系统产生响应举例：心电图机,心电图机,心脏跳动,心电图波形,信号作用于系统产生响应举例：汽车系统&照相机系统,汽车,脚压力,汽车制动,照相机,光信号,像片,信号理论与系统理论,信号理论,系统理论,信号分析：研究信号的基本性能，如信号 的描述、性质等。信号传输（包含信号交换）信号处理,系统分析：给定系统，研究系统对于输入 激励所产生的输出响应。系统综合：按照给定的需求设计（综合）系统。,本课程重点讨论信号的分析、系统的分析，分析是综合的基础。,1.2

5、信号的描述和分类,信号的描述信号的分类典型确定性信号介绍,青岛大学信息工程学院,一信号的描述,描述信号的基本方法：数学表达式，波形。其他方法：频谱分析、正交变换等。,二信号的分类,信号的分类方法很多，可以从不同的角度对信号进行分类。按实际用途划分：电视信号雷达信号控制信号通信信号广播信号按所具有的时间特性划分,1确定性信号和随机信号,表示为一确定的时间函数，对于指定的某一时刻t，可确定一相应的函数值f(t)。若干不连续点除外。,根据信号随时间的变化规律分为：确定性信号,随机信号,伪随机信号,貌似随机而遵循严格规律产生的信号（伪随机码）。,无法用明确的数学关系式表达的信号，具有未知预测的不确定性

6、，只能用概率统计方法由过去估计未来或找出某些统计特征量。,2周期信号和非周期信号,瞬态信号：除准周期信号外的一切可以用时间函数描述的非周期信号。,确定性信号又可分为周期信号和非周期信号：,两个正弦信号的叠加(有公共周期),两个正弦信号的叠加(无公共周期),3连续信号和离散信号,连续时间信号：信号存在的时间范围内，任意时刻都有定义（即都可以给出确定的函数值，可以有有限个间断点）。用t表示连续时间变量。,离散时间信号：在时间上是离散的，只在某些不连续的规定瞬时给出函数值，其他时间没有定义。用n表示离散时间变量。,4模拟信号，抽样信号，数字信号,数字信号：时间和幅值均为离散 的信号。,主要讨论确定性

7、信号。先连续，后离散；先周期，后非周期。,模拟信号：时间和幅值均为连续 的信号。,抽样信号：时间离散的，幅值 连续的信号。,量化,抽样,判断信号性质,判断下列波形是连续时间信号还是离散时间信号，若是离散时间信号是否为数字信号？,连续信号,离散信号,离散信号数字信号,5一维信号和多维信号,一维信号：只由一个自变量描述的信号，如语音信号。多维信号：由多个自变量描述的信号，如图像信号。,三几种典型确定性信号,5.钟形脉冲函数(高斯函数),1.指数信号,2.正弦信号,3.复指数信号(表达具有普遍意义),3.抽样信号(Sampling Signal),信号的表示,函数表达式,波形,重要特性：其对时间的微

8、分和积分仍然是指数形式。,1指数信号,单边衰减指数信号,通常把 称为指数信号的时间常数，记作,代表信号增长或衰减速度，越大，指数信号增长或衰减的速度越慢。,l 指数衰减,l 指数增长,l 直流(常数),2正弦信号,振幅：K 周期：频率：f 角频率：初相：,衰减正弦信号：,欧拉(Euler)公式,重要特性：其对时间的微分和积分仍然是同频率的正弦信号。,3复指数信号,讨论,4抽样信号(Sampling Signal),5钟形脉冲函数(高斯函数),在随机信号分析中占有重要地位。,1.3 信号的运算,信号的自变量的变换平移反褶尺度一般情况微分和积分两信号相加或相乘,青岛大学信息工程学院,一信号的自变量

9、的变换（波形变换）,1.信号的移位2.信号的反褶3.信号的展缩（尺度变换）4.一般情况,1信号的移位,例：,0，右移(滞后),0，左移(超前),宗量相同，函数值相同，求新坐标,f(t+1)的波形？,2反褶,例：,以纵轴为轴折叠，把信号的过去与未来对调。,3信号的展缩(Scale Changing),波形的压缩与扩展，标度变换,时间尺度压缩：,波形扩展,f(t)f(2t),t2t，时间尺度增加，波形压缩。,比较,三个波形相似，都是t 的一次函数。但由于自变量t 的系数不同，则达到同样函数值2的时间不同。时间变量乘以一个系数等于改变观察时间的标度。,4一般情况,注意！,先展缩：,a1，压缩a倍；a

10、1，扩展1/a倍,后平移：,+，左移b/a单位；，右移b/a单位,一切变换都是相对t 而言最好用先展缩后平移的顺序,加上倒置：,例题,解:,验证：,已知f(t)，求f(3t+5)。,计算特殊点,X,时移,尺度变换,尺度变换,时移,二微分和积分,冲激信号,三两信号相加和相乘,同一瞬时两信号对应值相加（相乘）。,信号运算的三种类型：,（1）信号自变量的改换：移位、反褶与尺度变换；（2）信号自身整体的运算：幅度比例、微分和积分；（3）两信号之间的运算：相加、相乘、卷积和相关。,1.4 阶跃信号和冲激信号,青岛大学信息工程学院,函数本身有不连续点(跳变点)或其导数与积分有不连续点的一类函数统称为奇异信

11、号或奇异函数。,主要内容：单位斜变信号单位阶跃信号单位冲激信号冲激偶信号,本节介绍,一单位斜变信号,1定义,3三角形脉冲,由宗量t-t0=0 可知起始点为,2有延迟的单位斜变信号,二单位阶跃信号,1.定义,宗量0 函数值为0,由宗量，函数有断点，跳变点,宗量0 函数值为1,2.有延迟的单位阶跃信号,3用单位阶跃信号描述其他信号,其他函数只要用门函数处理(乘以门函数)，就只剩下门内的部分。,符号函数：(Signum),门函数：也称窗函数,4单位阶跃信号性质,单位斜边信号的导数是单位阶跃信号单位阶跃信号表现出信号的单边特性,三单位冲激（难点）,概念引出定义1定义2冲激函数的性质,定义1：狄拉克(D

12、irac)函数,函数值只在t=0时不为零；,积分面积为1；,t=0 时，为无界函数。,定义2,面积1；,脉宽；,脉冲高度；,则窄脉冲集中于 t=0 处。,面积为1,宽度为0,若面积为k，则强度为k。,三角形脉冲、双边指数脉冲、钟形脉冲、抽样函数取0极限，都可以认为是冲激函数。,描述,时移的冲激函数,冲激函数的性质,1抽样性2奇偶性3冲激偶4标度变换,抽样性(筛选性),对于移位情况：,如果f(t)在t=0处连续，且处处有界，则有,2.奇偶性,偶函数,3.冲激偶,冲激偶的性质,时移，则：,X,4.对(t)的标度变换,冲激偶的标度变换,例1-4-1,X,例1-4-2,四.总结：R(t)，u(t)，(

13、t)之间的关系,R(t)求 积(-t)u(t)导 分(t),冲激函数的性质总结,（1）抽样性,（2）奇偶性,（3）比例性,（4）微积分性质,（5）冲激偶,（6）卷积性质,1.5 信号的分解,青岛大学信息工程学院,序言,为了便于研究信号的传输和处理问题，往往将信号分解为一些简单(基本)的信号之和，分解角度不同，可以分解为不同的分量。,直流分量与交流分量偶分量与奇分量脉冲分量实部分量与虚部分量正交函数分量利用分形理论描述信号,一直流分量与交流分量,信号的平均功率=信号的直流功率+交流功率,二偶分量与奇分量,对任何实信号而言：,信号的平均功率=偶分量功率+奇分量功率,例1-5-1 求f(t)的奇分量

14、和偶分量,三脉冲分量,1矩形窄脉冲序列,此窄脉冲可表示为,出现在不同时刻的，不同强度的冲激函数的和。,2连续阶跃信号之和,将信号分解为冲激信号叠加的方法应用很广，后面的卷积积分中将用到，可利用卷积积分求系统的零状态响应。,四实部分量与虚部分量,瞬时值为复数的信号可分解为实虚部两部分之和。,即,实际中产生的信号为实信号，可以借助于复信号来研究实信号。,共轭复函数,五正交函数分量,如果用正交函数集来表示一个信号，那么，组成信号的各分量就是相互正交的。把信号分解为正交函数分量的研究方法在信号与系统理论中占有重要地位，这将是本课程讨论的主要课题。我们将在第三章中开始学习。,六利用分形（fractal）

15、理论描述信号,分形几何理论简称分形理论或分数维理论；创始人为;分形是“其部分与整体有形似性的体系”；在信号传输与处理领域应用分形技术的实例表现在以下几个方面：图像数据压缩、语音合成、地震信号或石油探井信号分析、声纳或雷达信号检测、通信网业务流量描述等。这些信号的共同特点都是具有一定的自相似性，借助分性理论可提取信号特征，并利用一定的数学迭代方法大大简化信号的描述，或自动生成某些具有自相似特征的信号。,可浏览网站：,示例,1.6 系统模型及其分类,描述系统的基本单元方框图系统的定义和表示系统的分类,青岛大学信息工程学院,一信号的时域运算（基本元件）,1.加法器2.乘法器3.标量乘法器（数乘器，比

16、例器）4.微分器5.积分器6.延时器,基本元件1,3.标量乘法器（数乘器，比例器）,2.乘法器,1.加法器,注意:与公式中的卷积符号相区别，没有卷积器。,4.微分器,5.积分器,6.延时器,基本元件2,请用积分器画出如下微分方程所代表的系统的系统框图。,例1-6-1,方程左端只保留输出的最高阶导数项,积分 n=2 次，使方程左端只剩下r(t)项,系统框图,系统框图,二系统的定义和表示,系统：由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成 的具有特定功能的总体，可以看作信号的变 换器、处理器。,系统模型：系统物理特性的数学抽象。,系统的表示：数学表达式：系统物理特性的数学抽象。系统图：形象地表示其功能。

17、,三系统的分类,重点研究:确定性信号作用下的集总参数线性时不变系统。,若系统在不同的激励信号作用下产生不同的响应，则称此系统为可逆系统。,若系统在t0时刻的响应只与t=t0和t t0时刻的输入有关，为因果系统，否则，即为非因果系统。,1.7线性时不变系统,线性系统与非线性系统时变系统与时不变系统线性时不变系统的微分特性因果系统与非因果系统,青岛大学信息工程学院,一线性系统与非线性系统,线性:指均匀性，叠加性。,1.定义,线性特性,先线性运算，再经系统先经系统，再线性运算,2.判断方法,若,注意：外加激励与系统非零状态单独处理。,则系统 是线性系统,否则是非线性系统。,例1-7-1,判断下述微分

18、方程所对应的系统是否为线性系统?,分析：根据线性系统的定义，证明此系统是否具有均匀性和叠加性。可以证明：,所以此系统为非线性系统。请看下面证明过程,系统不满足均匀性,系统不具有叠加性,证明均匀性,设信号e(t)作用于系统，响应为r(t),原方程两端乘A：,(1),(2)两式矛盾。故此系统不满足均匀性,当Ae(t)作用于系统时，若此系统具有线性，则,证明叠加性,(5)、(6)式矛盾，该系统为不具有叠加性,假设有两个输入信号 分别激励系统，则由所给微分方程式分别有：,当 同时作用于系统时，若该系统为线性系统，应有,(3)+(4)得,二时变系统与时不变系统,一个系统，在零初始条件下，其输出响应与输入

19、信号施加于系统的时间起点无关，称为非时变系统，否则称为时变系统。,认识:,电路分析上看:元件的参数值是否随时间而变从方程看:系数是否随时间而变从输入输出关系看:,1.定义,时不变性,先时移，再经系统先经系统，再时移,2.判断方法,若则系统 是非时变系统,否则是时变系统。,例1-7-2,判断下列两个系统是否为非时变系统。,1.系统的作用是对输入信号作余弦运算。,所以此系统为时不变系统。,系统1：,系统2：,此系统为时变系统。,系统作用:输入信号乘cost,系统2：,例1-7-3,判断系统是否为线性非时变系统。,是否为线性系统？,可见,先线性运算，再经系统先经系统，再线性运算,所以此系统是线性系统

20、。,可见，时移、再经系统 经系统、再时移，所以此系统是时变系统。,是否为时不变系统？,三线性时不变系统的微分特性,线性时不变系统满足微分特性、积分特性,利用线性证明，可推广至高阶。,四.因果系统与非因果系统,1.定义,因果系统是指当且仅当输入信号激励系统时，才会出现输出（响应）的系统。也就是说，因果系统的输出（响应）不会出现在输入信号激励系统以前的时刻。,系统的这种特性称为因果特性。,符合因果性的系统称为因果系统(非超前系统)。,输出不超前于输入,2.判断方法,现在的响应=现在的激励+以前的激励,所以该系统为因果系统。,未来的激励,所以该系统为非因果系统。,例1-7-4,3.实际的物理可实现系

21、统均为因果系统,4.因果信号,表示为：,非因果系统的概念与特性也有实际的意义，如信号的压缩、扩展，语音信号处理等。若信号的自变量不是时间，如位移、距离、亮度等为变量的物理系统中研究因果性显得不很重要。,t=0接入系统的信号称为因果信号。,1.8系统分析方法,青岛大学信息工程学院,着眼于激励与响应的关系，而不考虑系统内部变量情况；单输入/单输出系统；列写一元 n 阶微分方程。,输入输出描述法：,状态变量分析法：,一.建立系统模型的两种方法,不仅可以给出系统的响应，还可以描述内部变量，如电容电压 或电感电流 的变化情况。研究多输入/多输出系统；列写多个一阶微分方程。,二.数学模型的求解方法,1.时域分析,2.变换域分析,傅里叶变换FT拉普拉斯变换LTz 变换ZT离散傅里叶变换DFT离散沃尔什变换DWT,l,卷积积分（或卷积和）法,作业,1-1、1-3、1-4、1-14、1-18、1-19、1-20、1-23、1-24,