信号与系统教案第3章(吴大正)

信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-1页■电子教案第三章离散系统的时域分析3.1LTI离散系统的响应一、差分与差分方程二、差分方程的经典解三、零输入响应和零状态响应3.2单位序列响应和阶跃响应一、单位序列响应二、阶跃响应3.3卷积和一、序列分解与卷积和二、卷积的图解三、不进位乘法四、卷积和的性质点击目录，进入相关章节信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-2页■电子教案第三章离散系统的时域分析3.1LTI离散系统的响应一、差分与差分方程设有序列f(k)，则…，f(k+2)，f(k+1)，…，f(k-1)，f(k-2)…等称为f(k)的移位序列。仿照连续信号的微分运算，定义离散信号的差分运算。1.差分运算tttftfttfttfttfttfttt)()(lim)()(lim)(limd)(d000离散信号的变化率有两种表示形式：kkkfkfkkf)1()()1()()1()1()()(kkkfkfkkf信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-3页■电子教案3.1LTI离散系统的响应（1）一阶前向差分定义：f(k)=f(k+1)–f(k)（2）一阶后向差分定义：f(k)=f(k)–f(k–1)式中，和称为差分算子，无原则区别。本书主要用后向差分，简称为差分。（3）差分的线性性质：[af1(k)+bf2(k)]=af1(k)+bf2(k)（4）二阶差分定义：2f(k)=[f(k)]=[f(k)–f(k-1)]=f(k)–f(k-1)=f(k)–f(k-1)–[f(k-1)–f(k-2)]=f(k)–2f(k-1)+f(k-2)（5）m阶差分:mf(k)=f(k)+b1f(k-1)+…+bmf(k-m)因此，可定义：信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-4页■电子教案3.1LTI离散系统的响应2.差分方程包含未知序列y(k)及其各阶差分的方程式称为差分方程。将差分展开为移位序列，得一般形式y(k)+an-1y(k-1)+…+a0y(k-n)=bmf(k)+…+b0f(k-m)差分方程本质上是递推的代数方程，若已知初始条件和激励，利用迭代法可求得其数值解。例：若描述某系统的差分方程为y(k)+3y(k–1)+2y(k–2)=f(k)已知初始条件y(0)=0,y(1)=2,激励f(k)=2kε(k),求y(k)。解：y(k)=–3y(k–1)–2y(k–2)+f(k)y(2)=–3y(1)–2y(0)+f(2)=–2y(3)=–3y(2)–2y(1)+f(3)=10……一般不易得到解析形式的(闭合)解。信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-5页■电子教案3.1LTI离散系统的响应二、差分方程的经典解y(k)+an-1y(k-1)+…+a0y(k-n)=bmf(k)+…+b0f(k-m)与微分方程经典解类似，y(k)=yh(k)+yp(k)1.齐次解yh(k)齐次方程y(k)+an-1y(k-1)+…+a0y(k-n)=0其特征方程为1+an-1λ–1+…+a0λ–n=0，即λn+an-1λn–1+…+a0=0其根λi(i=1，2，…，n)称为差分方程的特征根。齐次解的形式取决于特征根。当特征根λ为单根时，齐次解yn(k)形式为：Cλk当特征根λ为r重根时，齐次解yn(k)形式为：(Cr-1kr-1+Cr-2kr-2+…+C1k+C0)λk信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-6页■电子教案3.1LTI离散系统的响应2.特解yp(k):特解的形式与激励的形式雷同(r≥1）。（1）激励f(k)=km(m≥0）①所有特征根均不等于1时;yp(k)=Pmkm+…+P1k+P0②有r重等于1的特征根时;yp(k)=kr[Pmkm+…+P1k+P0]（2）激励f(k)=ak①当a不等于特征根时;yp(k)=Pak②当a是r重特征根时;yp(k)=（Prkr+Pr-1kr-1+…+P1k+P0)ak（3）激励f(k)=cos(βk)或sin(βk)且所有特征根均不等于e±jβ；yp(k)=Pcos(βk)+Qsin(βk)信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-7页■电子教案例：若描述某系统的差分方程为y(k)+4y(k–1)+4y(k–2)=f(k)已知初始条件y(0)=0，y(1)=–1；激励f(k)=2k，k≥0。求方程的全解。解：特征方程为λ2+4λ+4=0可解得特征根λ1=λ2=–2，其齐次解yh(k)=(C1k+C2)(–2)k特解为yp(k)=P(2)k,k≥0代入差分方程得P(2)k+4P(2)k–1+4P(2)k–2=f(k)=2k，解得P=1/4所以得特解：yp(k)=2k–2,k≥0故全解为y(k)=yh+yp=(C1k+C2)(–2)k+2k–2,k≥0代入初始条件解得C1=1,C2=–1/43.1LTI离散系统的响应信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-8页■电子教案3.1LTI离散系统的响应三、零输入响应和零状态响应y(k)=yx(k)+yf(k),也可以分别用经典法求解。y(j)=yx(j)+yf(j),j=0,1,2,…,n–1设激励f(k)在k=0时接入系统，通常以y(–1),y(–2),…，y(–n)描述系统的初始状态。yf(–1)=yf(–2)=…=yf(–n)=0所以y(–1)=yx(–1),y(–2)=yx(–2),…，y(–n)=yx(–n)然后利用迭代法分别求得零输入响应和零状态响应的初始值yx(j)和yf(j)(j=0,1,2,…，n–1)信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-9页■电子教案3.1LTI离散系统的响应例：若描述某离散系统的差分方程为y(k)+3y(k–1)+2y(k–2)=f(k)已知激励f(k)=2k,k≥0，初始状态y(–1)=0,y(–2)=1/2,求系统的零输入响应、零状态响应和全响应。解：（1）yx(k)满足方程yx(k)+3yx(k–1)+2yx(k–2)=0其初始状态yx(–1)=y(–1)=0,yx(–2)=y(–2)=1/2首先递推求出初始值yx(0),yx(1),yx(k)=–3yx(k–1)–2yx(k–2)yx(0)=–3yx(–1)–2yx(–2)=–1,yx(1)=–3yx(0)–2yx(–1)=3方程的特征根为λ1=–1，λ2=–2，其解为yx(k)=Cx1(–1)k+Cx2(–2)k将初始值代入并解得Cx1=1,Cx2=–2所以yx(k)=(–1)k–2(–2)k,k≥0信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-10页■电子教案3.1LTI离散系统的响应yf(k)+3yf(k–1)+2yf(k–2)=f(k)初始状态yf(–1)=yf(–2)=0递推求初始值yf(0),yf(1)，yf(k)=–3yf(k–1)–2yf(k–2)+2k,k≥0yf(0)=–3yf(–1)–2yf(–2)+1=1yf(1)=–3yf(0)–2yf(–1)+2=–1分别求出齐次解和特解，得yf(k)=Cf1(–1)k+Cf2(–2)k+yp(k)=Cf1(–1)k+Cf2(–2)k+(1/3)2k代入初始值求得Cf1=–1/3,Cf2=1所以yf(k)=–(–1)k/3+(–2)k+(1/3)2k,k≥0（2）零状态响应yf(k)满足信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-11页■电子教案3.2单位序列响应和阶跃响应3.2单位序列响应和阶跃响应一、单位序列响应由单位序列δ(k)所引起的零状态响应称为单位序列响应或单位样值响应或单位取样响应，或简称单位响应，记为h(k)。h(k)=T[{0},δ(k)]例1已知某系统的差分方程为y(k)-y(k-1)-2y(k-2)=f(k)求单位序列响应h(k)。解根据h(k)的定义有h(k)–h(k–1)–2h(k–2)=δ(k)（1）h(–1)=h(–2)=0（1）递推求初始值h(0)和h(1)。信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-12页■电子教案3.2单位序列响应和阶跃响应h(k)=h(k–1)+2h(k–2)+δ(k)h(0)=h(–1)+2h(–2)+δ(0)=1h(1)=h(0)+2h(–1)+δ(1)=1(2)求h(k)。对于k0，h(k)满足齐次方程h(k)–h(k–1)–2h(k–2)=0其特征方程为(λ+1)(λ–2)=0所以h(k)=C1(–1)k+C2(2)k，k0h(0)=C1+C2=1,h(1)=–C1+2C2=1解得C1=1/3,C2=2/3h(k)=(1/3)(–1)k+(2/3)(2)k,k≥0或写为h(k)=[(1/3)(–1)k+(2/3)(2)k]ε(k)方程（1）移项写为信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-13页■电子教案3.2单位序列响应和阶跃响应例2：若方程为：y(k)–y(k–1)–2y(k–2)=f(k)–f(k–2)求单位序列响应h(k)解h(k)满足h(k)–h(k–1)–2h(k–2)=δ(k)–δ(k–2)令只有δ(k)作用时，系统的单位序列响应h1(k),它满足h1(k)–h1(k–1)–2h1(k–2)=δ(k)根据线性时不变性，h(k)=h1(k)–h1(k–2)=[(1/3)(–1)k+(2/3)(2)k]ε(k)–[(1/3)(–1)k–2+(2/3)(2)k–2]ε(k–2)信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-14页■电子教案3.2单位序列响应和阶跃响应二、阶跃响应g(k)=T[ε(k),{0}]由于0)()()(jkjjkik，δ(k)=ε(k)–ε(k–1)=ε(k)所以0)()()(jkjjkhihkg，h(k)=g(k)11111212121akkaaaaakkkkj(k2≥k1)两个常用的求和公式：2)1)((121221kkkkjkkj信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-15页■电子教案3.3卷积和3.3卷积和一、卷积和1.序列的时域分解………012ik-1f(k)f(-1)f(0)f(1)f(2)f(i)任意离散序列f(k)可表示为f(k)=…+f(-1)δ(k+1)+f(0)δ(k)+f(1)δ(k-1)+f(2)δ(k-2)+…+f(i)δ(k–i)+…iikif)()(信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-16页■电子教案3.3卷积和2.任意序列作用下的零状态响应LTI系统零状态yf(k)f(k)根据h(k)的定义：δ(k)h(k)由时不变性：δ(k-i)h(k-i)f(i)δ(k-i)由齐次性：f(i)h(k-i)由叠加性：‖f(k)‖yf(k)卷积和iikif)()(iikhif)()(ifikhifky)()()(信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-17页■电子教案3.3卷积和3.卷积和的定义已知定义在区间（–∞，∞）上的两个函数f1(k)和f2(k)，则定义和为f1(k)与f2(k)的卷积和，简称卷积；记为f(k)=f1(k)*f2(k)注意：求和是在虚设的变量i下进行的，i为求和变量，k为参变量。结果仍为k的函数。iikfifkf)()()(21)(*)()()()(khkfikhifkyif信号与系统©西安电子科技大学电路与系统教研中心第3-18页■电子教案3.3卷积和例：f(k)=akε(k),h(k)=bkε(k)，求yf(k)。解：yf(k)=f(k)*h(k)当i0,ε(i)=0；当ik时，ε(k-i)=0iikiiikbiaikhif)()()()(