信号与系统-陈后金-北京交通大学-全

信号与系统SignalsandSystems参考教材：北京市精品立项教材《信号与系统》.主编：陈后金,胡健,薛健,清华大学出版社,2003年.陈后金，胡健，薛健北京交通大学国家电工电子教学基地[e-mail]信号与系统分析导论•信号的描述及分类•系统的描述及分类•信号与系统分析概述信号的描述与分类•信号的基本概念•信号的分类•确定信号与随机信号•连续信号和离散信号•周期信号与非周期信号•能量信号与功率信号一、信号的基本概念•1.定义•广义:信号是随时间变化的某种物理量。•严格:信号是消息的表现形式与传送载体。•电信号通常是随时间变化的电压或电流。•2.表示数学解析式或图形语音信号：空气压力随时间变化的函数00.10.20.30.4语音信号“你好”的波形静止的单色图象：亮度随空间位置变化的信号f(x,y)。静止的彩色图象：三基色红(R)、绿(G)、蓝(B)随空间位置变化的信号。),(),(),(),(yxIyxIyxIyxIBGR二、信号的分类•1确定信号与随机信号确定信号是指能够以确定的时间函数表示的信号。随机信号也称为不确定信号，不是时间的确定函数。确定信号t随机信号的一个样本t连续信号：在观测过程的连续时间范围内信号有确定的值。允许在其时间定义域上存在有限个间断点。通常以f(t)表示。2.连续信号和离散信号模拟信号：取值是连续的连续信号。离散信号：信号仅在规定的离散时刻有定义。通常以f[k]表示。数字信号：取值为离散的离散信号。连续时间信号与离散时间信号波形连续时间信号离散时间信号离散信号的产生1)对连续信号抽样f[k]=f(kT)2)信号本身是离散的3)计算机产生tf(t)1130f(t)t201-11k-22223f[k]3周期信号与非周期信号*连续时间周期信号定义:,存在非零T，使得Rt*周期信号每一周期内信号完全一样故只需研究信号在一个周期内的状况。)()(tfTtf成立，则f(t)为周期信号。*离散时间周期信号定义:kI,存在非零N，使得成立，则f[k]为周期信号。满足上述条件的最小的正T、正N称为信号的基本周期。][][kfNkf*不满足周期信号定义的信号称为非周期信号。4能量信号与功率信号•能量信号:0E，P=0。•功率信号:E，0P。直流信号与周期信号都是功率信号。归一化能量E与归一化功率P的计算T/2T/22T)(limEdttfT/2T/22T)(T1limPdttfNN2N][limEkfNN2N][N21limPkf注意:一个信号，不可能既是能量信号又是功率信号。连续信号离散信号系统的描述及其分类•系统的描述•系统的数学模型•系统的方框图表示•系统的分类•连续时间系统与离散时间系统•线性系统与非线性系统•时不变系统与时变系统•因果系统与非因果系统•稳定系统与不稳定系统系统是指由相互作用和依赖的若干事物组成的、具有特定功能的整体。防混迭滤波器A/D数字处理系统D/A平滑滤波器输出输入f(t)信号处理系统传感器发送设备信道接收设备传感器信息源输入信号输出信号有用信息电视广播通信系统框图一、系统的描述•输入输出描述：N阶微分方程或N阶差分方程•状态空间描述：N个一阶微分方程组或N个一阶差分方程组RL串联电路LR+-f(t)i(t))()(d)(dtftRittiLf(t)R/Li(t)i'(t)-1/L1.数学模型2.方框图表示描述系统的基本单元方框图f1(t)f2(t)y(t)=f1(t)+f2(t)tftyd)()(f(t)Af(t)y(t)=Af(t)y[k]=f1[k]+f2[k]f1[k]f2[k]连续时间系统Df[k]y[k]=f[k-1]y[k]=Af[k]f[k]A离散时间系统二、系统的分类•连续时间系统：•系统的输入激励与输出响应都必须为连续时间信号•离散时间系统：•系统的输入激励与输出响应都必须为离散时间信号•连续时间系统的数学模型是微分方程式。•离散时间系统的数学模型是差分方程式。1．连续时间系统与离散时间系统离散系统y[k]f[k]连续系统f(t)y(t)2．线性系统与非线性系统•线性系统：具有线性特性的系统。线性特性包括均匀特性与叠加特性。)()(11tytf若)()(11tKytKf则)()(),()(2211tytftytf若)()()()(2121tytytftf则(1)均匀特性：(2)叠加特性：同时具有均匀特性与叠加特性方为线性特性，线性特性可表示为•其中，为任意常数)()(),()(2211tytftytf)()()()(2121tytytftf)(1tf)(1ty连续系统)(2tf)(2ty连续系统)()(21tftf)()(21tyty连续系统][][],[][2211kykfkykf][][][][2121kykykfkf具有线性特性的离散时间系统可表示为其中，为任意常数•非线性系统：不具有线性特性的系统。•线性系统的数学模型是线性微分方程式或线性差分方程式。•含有初始状态线性系统的定义)0()()(111xtfTty)0()()(222xtfTty)()()0()()0()(212211tybtyaxtfbxtfaT]0[][][111xkfTky]0[][][222xkfTky][][]0[][]0[][212211kybkyaxkfbxkfaT连续时间系统若则若则离散时间系统结论:具有初始状态的线性系统，输出响应等于零输入响应与零状态响应之和。3．时不变系统与时变系统•系统的输出响应与输入激励的关系不随输入激励作用于系统的时间起点而改变，就称为时不变系统。否则，就称为时变系统。)(ty)(tf时不变系统)(0tty0t)(0ttf0t时不变系统时不变特性)()(tytff)()(00ttyttff][][kykff][][nkynkff时不变的离散时间系统表示为线性时不变系统可由定常系数的线性微分方程式或差分方程式描述。时不变的连续系统表示为4．因果系统与非因果系统•因果系统：当且仅当输入信号激励系统时才产生系统输出响应的系统。5.稳定系统与不稳定系统•稳定系统：指有界输入产生有界输出的系统•不稳定系统：系统输入有界而输出无界•非因果系统：不具有因果特性的系统称为非因果系统。[例1]判断下列输出响应所对应的系统是否为线性系统？（其中y(0)为系统的初始状态，f(t)为系统的输入激励，y(t)为系统的输出响应）。)(4)0(5)()1(tfyty)(6)0(2)()2(2tfyty)(3)()0(4)()3(tftfytydttdftfyty)(2)(3)0(4)()4(线性系统非线性系统非线性系统线性系统分析注意2、零输入线性，系统的零输入响应必须对所有的初始状态呈现线性特性。)()()(tytytyfx)()()(tytytyfx[解]：分析任意线性系统的输出响应都可分解为零输入响应与零状态响应两部分之和,即。因此，判断一个系统是否为线性系统，应从三个方面来判断：1、具有可分解性3、零状态线性，系统的零状态响应必须对所有的输入信号呈现线性特性。判断系统是否线性注意问题•1．在判断可分解性时，应考察系统的完全响应y(t)是否可以表示为两部分之和，其中一部分只与系统的初始状态有关，而另一部分只与系统的输入激励有关。•2．在判断系统的零输入响应yx(t)是否具有线性时，应以系统的初始状态为自变量（如上述例题中y(0))，而不能以其它的变量（如t等）作为自变量。•3．在判断系统的零状态响应yf(t)是否具有线性时，应以系统的输入激励为自变量（如上述例题中f(t)），而不能以其它的变量（如t等）作为自变量。(1)y(t)=sin[f(t)](2)y(t)=cost·f(t)(3)y(t)=4f2(t)+3f(t)(4)y(t)=2t·f(t)[例2]试判断下列系统是否为时不变系统时不变系统时变系统时不变系统时变系统分析：判断系统是否为时不变系统，只需判断当输入激励f(t)变为f(t-t0)时，相应的输出响应y(t)是否变为y(t-t0)。注意：时不变特性只考虑系统的零状态响应，因此在判断系统的时不变特性时，不涉及系统的初始状态。信号与系统分析概述•信号分析的主要内容•系统分析的主要内容•信号与系统之间的关系•系统与电路之间的关系•信号与系统的应用领域•信号与系统课程的学习方法•参考书信号分析连续信号离散信号取样时域：信号分解为冲击信号的线性组合频域：信号分解为不同频率正弦信号的线性组合复频域：信号分解为不同频率复指数的线性组合时域：信号分解为冲击序列的线性组合频域：信号分解为不同频率正弦序列的线性组合复频域：信号分解为不同频率复指数的线性组合系统分析连续系统离散系统系统的描述输入输出描述法：N阶微分方程系统响应的求解系统的描述系统响应的求解状态空间描述：N个一阶微分方程组时域：频域：复频域：输入输出描述法：N阶差分方程状态空间描述：N个一阶差分方程组时域：频域：Z域：)(*)()(thtftyf][*][][khkfkyf)()()(jHjFjYf)()()(sHsFsYf)()()(jjjfeHeFeY)()()(zHzFzYf–信号与系统是相互依存的整体。信号与系统之间的关系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，没有信号的系统就没有存在的意义。信号与系统的应用领域通信控制计算机等信号处理信号检测非电类:社科领域：电类机械、热力、光学等股市分析、人口统计等防混迭滤波器A/D数字处理系统D/A平滑滤波器输出输入f(t)信号处理系统传感器发送设备信道接收设备传感器信息源输入信号输出信号有用信息电视广播通信系统框图系统与电路的关系1.通常把系统看成比电路更为复杂、规模更大的组合2.处理问题的观点不同：电路：着重在电路中各支路或回路的电流及各节点的电压上系统：着重在输入输出之间的关系上，即系统能实现何种功能。信号与系统课程的学习方法3.加强实践环节(学会用MATLAB进行信号分析)，通过实验加深对理论与概念的理解。1.着重掌握信号与系统分析的物理含义，将数学概念、物理概念及其工程概念相结合。2.注意提出问题，分析问题与解决问题的方法。4.通过多练，复习和加深所学的基本概念，掌握解决问题的方法。主要参考书[1]EdwardW.K.,BonnieS.H.FundamentalsofSignalsandSystemsUsingMATLAB,Prentice-HallInternational,Inc.1997.[2]SimonH.,BarryV.V.SignalsandSystems,JohnWiley&Sons,Inc.1999.[3]A.V.Oppenheim.SignalsandSystems或中译本（第二版）,西安交通大学出版社.[4]刘树棠译，信号与系统计算机练习—利用MATLAB，西安交通大学出版社，2000.主要参考书[5]郑君里，应启珩等.信号与系统,第二版.高等教育出版社，2000.[6]吴大正.信号与线性系统分析,第三版，高等教育出版社，2000.[7]朱钟霖等.信号与系统.中国铁道出版社,1996.[8]吴湘淇.信