信号与系统 第1章概要

1信号与系统理学院信号与线性系统分析主讲：刘怀强本课程资料网址：或者信号与系统理学院课程性质电子信息类专业重要的专业基础课；–教学对象的扩大(电子信息、自动控制、电子技术、电气工程、计算机技术、生物医学工程等)；3信号与系统理学院先修课后续课程《高等数学》《通信原理》《线性代数》《数字信号处理》《复变函数》《自动控制原理》《电路分析基础》……该课程是将学生从电路分析的知识领域引入信号处理与传输领域的关键性课程，在教学环节中起着承上启下的作用。4信号与系统理学院•与《电路分析》比较，更抽象，更一般化；•应用数学知识较多，用数学工具分析物理概念；(信号与系统课程的核心，是教会我们如何利用数学工具，解决实际工程问题)•主要工具：微分、积分、线性代数、复变函数、微分方程、差分方程；1、课程特点5信号与系统理学院2、主要内容信号与系统课程的知识结构，可以概括为一个任务，两种系统，两类方法，三大变换一个任务：分析系统对信号的响应两种系统：连续时间系统，离散时间系统两类方法：时域法，变换域法三大变换：傅里叶变换，拉斯变换，z变换6信号与系统理学院•注重物理概念与数学分析之间的对照，注意分析结果的物理解释；•在学习中要淡化数学背景，不要在繁琐的数学中过多纠缠，打破对课程的恐惧感；•同一问题可有多种解法，应寻找最简单、最合理的解法，比较各方法之优劣；•不要当成数学课程来学习；3、学习方法7信号与系统理学院要做到：理解概念、掌握方法、多做多练、融会贯通。8信号与系统理学院“十五”国家级规划教材信号与线性系统分析（第四版）吴大正主编高等教育出版社，2005.84、教材9信号与系统理学院(1)信号与系统（第二版）上、下册郑君里、应启珩、杨为理北京.高等教育出版社.2000年5月(2)《信号与线性系统分析习题全解》宋琪编配套信号与线性系统分析第4版吴大正主编(3)信号与系统___郑君里_习题全解5、参考书目10信号与系统理学院•作业要求---每章一次；不能只有答案；•成绩构成---平时成绩（出勤、作业）+实验成绩+考试成绩(30%)•考试方式---闭卷笔试(70%)•纪律6、其他问题11信号与系统理学院第一章信号与系统本章主要内容：1、掌握信号、系统的基本概念，信号的分类及其区别2、熟练掌握信号的基本运算（加减乘、反转、平移）3、熟练掌握阶跃函数和冲激函数的物理意义、运算及其性质4、熟练掌握系统框图和微分方程，差分方程的关系5、熟悉LTI系统的特性，了解LTI系统的分析方法重点和难点：对各类信号的区分及其运算，及其物理意义根据框图写出微分或者差分方程12信号与系统理学院什么是信号？什么是系统？为什么把这两个概念连在一起？一、信号的概念1.消息(message):人们常常把来自外界的各种报道统称为消息。2.信息(information):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。1.1绪论它是信息论中的一个术语。13信号与系统理学院3.信号(signal):信号是信息的载体。通过信号传递信息。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。14信号与系统理学院二、系统的概念一般而言，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。系统输入信号激励输出信号响应15信号与系统理学院1.2信号的描述和分类一、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。16信号与系统理学院二、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。17信号与系统理学院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。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。实际中也常称为模拟信号。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。tof1(t)=sin(πt)12to121-1-11f2(t)值域连续值域不连续（1）连续时间信号：18信号与系统理学院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。实际中也常称为数字信号。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，其余时间无定义。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。to2t11f(t)-1.521t2t3t4t-1离散时间信号：19信号与系统理学院上述离散信号可简画为ko211f(k)-1.521234-1用表达式可写为k0413,02,21,5.10,21,1)(其他，，kkkkkkkf或写为f(k)={…，0，1，2，-1.5，2，0，1，0，…}↑k=0通常将对应某序号m的序列值称为第m个样点的“样值”。20信号与系统理学院3.周期信号和非周期信号周期信号(periodsignal)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。21信号与系统理学院例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+sinπt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ω1=2rad/s，T1=2π/ω1=πscos3t是周期信号，其角频率和周期分别为ω2=3rad/s，T2=2π/ω2=(2π/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2π。（2）cos2t和sinπt的周期分别为T1=πs，T2=2s，由于T1/T2为无理数，故f2(t)为非周期信号。22信号与系统理学院例2判断正弦序列f(k)=sin(βk)是否为周期信号，若是，确定其周期。解f(k)=sin(βk)=sin(βk+2mπ)，m=0,±1,±2,…mN)]sin[β(kβ2πmkβsin式中β称为正弦序列的数字角频率，单位：rad。由上式可见：仅当2π/β为整数时，正弦序列才具有周期N=2π/β。当2π/β为有理数时，正弦序列仍为具有周期性，但其周期为N=M(2π/β)，M取使N为整数的最小整数。当2π/β为无理数时，正弦序列为非周期序列。23信号与系统理学院例3判断下列序列是否为周期信号，若是，确定其周期。（1）f1(k)=sin(1πk/4)+cos(0.5πk)（2）f2(k)=sin(2k)解（1）sin(1πk/4)和cos(0.5πk)的数字角频率分别为β1=1π/4rad，β2=0.5πrad由于2π/β1=8，2π/β2=4为有理数，故它们的周期分别为N1=8，N1=4，故f1(k)为周期序列，其周期为N1和N2的最小公倍数8。（2）sin(2k)的数字角频率为β1=2rad；由于2π/β1=π为无理数，故f2(k)=sin(2k)为非周期序列。由上面几例可看出：①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。②两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。24信号与系统理学院4．能量信号与功率信号将信号f(t)施加于1Ω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EtttttfEd)(lim2def（2）信号的功率P222defd)(1limTTTttfTP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=∞25信号与系统理学院相应地，对于离散信号，也有能量信号、功率信号之分。若满足的离散信号，称为能量信号。kkfE2|)(|若满足的离散信号，称为功率信号。2/2/2|)(|1limNNkNkfNP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)=et。26信号与系统理学院还有其他分类，如实信号与复信号；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。如其他kkkkkf101,,,,0632)(1其他kkkkkf210,,,,0423)(2其他kkkkkkfkf,02,41,80,61,2)()(21其他kkkkfkf10,,,0129)()(2127信号与系统理学院二、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f(t)to11反转t→-tf(-t)-11to28信号与系统理学院2.平移将f(t)→f(t–t0)，f(k)→f(t–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f(t)to11右移t→t–1f(t-1)to211左移t→t+1f(t+1)to1-129信号与系统理学院平移与反转相结合f(t)to11法一：①先平移f(t)→f(t+2)②再反转f(t+2)→f(–t+2)法二：①先反转f(t)→f(–t)画出f(2–t)。f(-t)-11to②再平移f(–t)→f(–t+2)f(t)to112to11f(-t+2)-1to1-2f(t+2)左移右移=f[–(t–2)]注意：是对t的变换！30信号与系统理学院3.尺度变换（横坐标展缩）将f(t)→f(at)，称为对信号f(t)的尺度变换。若a1，则波形沿横坐标压缩；若0a1，则展开。如tof(t)1-22t→2t压缩to1-1f(2t)1t→0.5t展开to1-4f(0.5t)4对于离散信号，由于f(ak