信号与线性系统分析-课件.ppt

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理解冲激信号的特性,第一章信号与系统,认识本课程领域的一些名词、术语,学习信号运算规律、熟悉表达式与波形的对应关系,了解本课程研究范围、学习目标,初步了解本课程用到的主要方法和手段,学习的主要内容：

什么是信号？

什么是系统？

为什么把这两个概念连在一起？

系统的概念,1.1绪论,第一章信号与系统,信号的概念,消息（message）:

信息（information）:

信号（signal）:

人们常常把来自外界的各种报道统称为消息。

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。

信号是信息的载体，通过信号传递信息。

一、信号的概念,信号实例,信号我们并不陌生。

如刚才铃声声信号，表示该上课了；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。

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。

系统的基本作用是对信号进行传输和处理。

输入信号,激励,输出信号,响应,二、系统的概念,？

信号处理,对信号进行某种加工或变换。

目的：

消除信号中的多余内容；滤除混杂的噪声和干扰；将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和选择它的特征参量。

信号处理的应用已遍及许多科学技术领域。

信号传输,通信的目的是为了实现消息的传输。

原始的光通信系统古代利用烽火传送边疆警报；,声音信号的传输击鼓鸣金。

利用电信号传送消息。

1837年，莫尔斯（F.B.Morse）发明电报；1876年，贝尔（A.G.Bell）发明电话。

利用电磁波传送无线电信号。

1901年，马可尼（G.Marconi）成功地实现了横渡大西洋的无线电通信；全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）；个人通信具有美好的发展前景。

通信系统,为传送消息而装设的全套技术设备,信号的描述,1.2信号的描述和分类,几种典型确定性信号,信号的分类,一、信号的描述,信号：

是信息的一种物理体现，它一般是随时间位,信号：

按物理属性分：

电信号和非电信号，它们可,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：

本课程讨论电信号-简称“信号”。

（2）信号的图形表示-波形,

（1）表示为时间的函数,“信号”与“函数”两词常相互通用。

置变化的物理量。

以相互转换。

二、信号的分类,按实际用途划分：

电视信号、雷达信号、控制信号、通信信号,信号的分类方法很多，可以从不同的角度对信号进行分类。

按所具有的时间特性划分：

确定信号和随机信号；连续信号和离散信号；周期信号和非周其信号；能量信号和功率信号；一维信号和多维信号；因果信号与反因果信号；实信号与复信号；左边信号与右边信号。

1.确定信号和随机信号,可用确定的时间函数表示的信号：

f（t）,随机信号：

确定性信号：

伪随机信号：

貌似随机而遵循严格规律产生的信号：

电子系统中的起伏热噪声、雷电干扰信号。

但实际传输的信号是不确定的，常受,到各种干扰及噪声的影响。

取值具有不确定性的信号：

伪随机码。

2.连续信号和离散信号,连续时间信号：

在一定的连续的时间范围内，对于,值域连续,值域不连续,任意的时间值，都有对应的函数值,“连续”指函数的定义域时间连续，但可含间断点,简称连续信号。

，至于值域可连续也可不连续。

离散时间信号：

仅在一些离散的瞬间才有定义的信号，简称离散信号。

定义域时间是离散的,离散点间隔,离散时刻tk（k=0,1,2,）有定义,Tk=tk+1-tk可以相等也可不等；,其余时间无定义。

通常取等间隔T，表示为f（kT），简写为f（k）；,等间隔的离散信号称为序列，其中k称为序号。

上述离散信号可简画为：

用表达式可写为：

或写为：

对应某序号k的序列值称为第k个样点的“样值”。

模拟信号、抽样信号、数字信号,数字信号：

模拟信号：

抽样信号：

量化,抽样,连续信号,幅值,时间,均连续,时间,幅值,离散,连续,时间,幅值,均离散,离散信号,模拟信号,数字信号,3.周期信号和非周期信号,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。

连续周期信号举例,例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+sint,分析,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。

解答,解答,

（1）sin2t是周期信号，其角频率和周期分别为1=2rad/s，T1=2/1=scos3t是周期信号，其角频率和周期分别为2=3rad/s，T2=2/2=（2/3）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2。

（2）cos2t和sint的周期分别为T1=s，T2=2s，由于T1/T2为无理数，故f2（t）为非周期信号。

离散周期信号举例1,例判断正弦序列f（k）=sin（k）是否为周期信号，若是，确定其周期。

解f（k）=sin（k）=sin（k+2m），m=0,1,2,式中称为数字角频率，单位：

rad。

由上式可见：

仅当2/为整数时，正弦序列才具有周期N=2/。

当2/为有理数时，正弦序列仍为具有周期性，但其周期为N=M（2/），M取使N为整数的最小整数。

当2/为无理数时，正弦序列为非周期序列。

离散周期信号举例2,例判断下列序列是否为周期信号，若是，确定其周期。

（1）f1（k）=sin（3k/4）+cos（0.5k）

（2）f2（k）=sin（2k）,解

（1）sin（3k/4）和cos（0.5k）的数字角频率分别为1=3/4rad，2=0.5rad由于2/1=8/3，2/2=4为有理数，故它们的周期分别为N1=8，N2=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1=2rad；由于2/1=为无理数，故f2（k）=sin（2k）为非周期序列。

举例,由上面几例可看出：

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。

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。

例1,例2,例3,连续周期信号示例,离散周期信号示例1,离散周期信号示例2,4能量信号与功率信号,将信号f（t）施加于1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,

（2）信号的功率P,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=,离散信号的功率和能量,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。

若满足的离散信号，称为功率信号。

一般规律,一般周期信号为功率信号。

时限信号（仅在有限时间区间不为零的非周期信号）为能量信号。

还有一些非周期信号，也是非能量信号。

如：

（t）是功率信号；,t（t）、et为非功率非能量信号;,（t）是无定义的非功率非能量信号。

5一维信号和多维信号,一维信号：

多维信号：

还有其他分类，如：

只由一个自变量描述的信号，如语音信号。

由多个自变量描述的信号，如图像信号。

实信号与复信号,左边信号与右边信号,因果信号和反因果信号,三几种典型确定性信号,本课程讨论确定性信号,先连续，后离散；先周期，后非周期。

指数信号,重要特性：

其对时间的微分和积分仍然是指数形式。

单边指数信号-衰减,通常把称为指数信号的时间常数，记作,代表信号衰减速度，具有时间的量纲。

l指数衰减,l直流（常数）,l指数增长,K,正弦信号,振幅：

K周期：

频率：

f角频率：

初相：

衰减正弦信号：

复指数信号,讨论,不能产生用来描述各种信号信号分析及运算简化,ejt=cos（t）+jsin（t）,抽样信号（SamplingSignal）,两信号的相加和相乘信号的时间变化平移反转尺度变换信号的微分和积分,1.3信号的基本运算,一、信号的加法和乘法,同一瞬时两信号对应值相加（相乘）。

离散序列相加、乘,二、信号的时间变换,1.信号的反转；2.信号的平移；3.信号的展缩（尺度变换）；.4.混合运算举例。

1.信号反转,将f（t）f（t），f（k）f（k）称为对信号f（）,t-t,没有实现此功能的实际器件，数字信号处理中可,的反转或反折。

从图形上看是将f（）以纵坐标为轴反转180o。

如,以实现此概念，例如堆栈中的“后进先出”。

2.信号的平移,将f（t）f（tt0），f（k）f（kk0）称为对信号f（）的,雷达接收到的目标回波信号就是平移信号。

平移或移位。

若t0（或k0）0，则将f（）右移；否则左移。

如：

3.信号的展缩（尺度变换）,将f（t）f（at），称为对信号f（t）的尺度变换。

离散信号：

由于f（ak）仅在为ak为整数时才有意义，进行尺度,如：

若a1，则波形沿横坐标压缩；若0a1，则扩展。

变换时可能会使部分信号丢失。

因此一般不作波形的尺度变换。

4.混合运算举例,例1,例3,平移与反转相结合,平移、反转、尺度变换相结合，正逆运算。

例2,平移与尺度变换相结合,注意：

对正向运算，先平移，后反转和展缩不易出错；,意一切变换都是相对t而言；,对逆运算，反之。

混合运算时，三种运算的次序可任意。

但一定要注,平移与反转相结合举例,例已知f（t）如图所示，画出f（2t）。

解答,法一：

先平移f（t）f（t+2）,再反转f（t+2）f（t+2）,法二：

先反转f（t）f（t）,再右移f（t）f（t+2）,左移,右移,=f（t2）,平移与展缩相结合举例,例已知f（t）如图所示，画出f（3t+5）,解答,时移,尺度变换,尺度变换,时移,平移、展缩、反折相结合举例,例已知f（t）如图所示，画出f（-2t-4）。

解答,也可以先压缩、再平移、最后反转。

三微分和积分,冲激信号,阶跃函数；冲击函数；阶跃序列和单位样值序列。

1.4阶跃函数和冲激函数,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号或奇异,函数。

一、单位阶跃函数,电路如图：

持续下去。

1.定义,在t=0时刻，电路接入电源，,波形图如上图：

注意：

在t=0处，发生跳变,未定义或1/2。

单位阶跃函数,1,且无限,2.延迟单位阶跃信号,3.阶跃函数的性质,

（1）可以方便地表示某些信号,f（t）=（t）-（t-T）,

（2）用阶跃函数表示信号的作用区间,（3）积分,二单位冲激函数,单位冲激函数是个奇异函数，它是对强度极大，,矩形脉冲演变为冲击函数；狄拉克（Dirac）定义定义；冲击函数与阶跃函数关系；冲击函数的性质。

作用时间极短一种物理量的理想化模型。

1.矩形脉冲演变为冲击函数（t）,含义：

宽为,高为/1,面积为1,变化：

面积1不变，脉冲宽度,脉冲幅度,t,单位冲击函数,函数，在t=0点有一“冲激”，,在t=0点以外各处，函数值为零。

0,/1,注意：

如果矩形面积=E，,E,冲激强度为E,矩形脉冲如右图：

2.狄拉克（Dirac）定义,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。

3.（t）与（t）的关系,引入冲激函数之后，间断点的导数也存在,f（t）=2（t+1）-2（t-1）,f（t）=2（t+1）-2（t-1）,三冲激函数的性质,取样性冲击偶尺度变换复合函数形式的冲击函数,1.取样性（筛选性）,对于平移情况：

如果f（t）在t=0处连续，且处处有界，则有,取样性证明,分t=0和t0两种情况讨论,1.当t0时，,（t）=0，,f（t）（t）=0，,积分结果为0,2.当t=0时，,（t）0，,f（t）（t）=f（0）（t），,取样性质举例,0,（t）,2.冲激偶规则函数求极限定义,t,t,冲激偶的性质,f（t）（t）=f（0）（t）f（0）（t）,证明,f（t）（t）=f（t）（t）+f（t）（t）,f（t）（t）=f（t）（t）f（t）（t）,=f（0）（t）f（0）（t）,证明,冲激偶的性质,（n）（t）的定义：

（t）的平移：

不能按常规函数对待,t,+、-面积抵消,3.对（t）的尺度变换,证明,推论:

（1）,（2t）=0.5（t）,当a=1时,（t）=（t）为偶函数，（t）=（t）为奇函数,举例,

（2）,冲激信号尺度变换的证明,从定义看：

p（t）面积为1，强度为1,p（at）面积为，强度为,冲激信号尺度变换举例,例1,例2,举例,已知f（t），画出g（t）=f（t）和g（2t）,4.复合函数形式的冲激函数,实际中有时会遇到形如f（t）的冲激函数，其中f（t）是普通函数。

并且f（t）=0有n个互不相等的实根ti（i=1，2，n）,（t24）=1（t+2）+（t2）,f（t）图示说明例f（t）=t24,一般地，,这表明，f（t）是位于各ti处，强度为的n个冲激函数构成的冲激函数序列。

注意：

如果f（t）=0有重根，f（t）无意义。

（t24）=1（t+2）+（t2）,冲激函数的性质总结,

（1）取样性,

（2）奇偶性,（3）比例性,（4）微积分性质,（5）冲激偶,四.序列（k）和（k）,这两个序列是普通序列-非奇异函数,1.单位（样值）序列（k）,取样性质：

f（k）（k）=f（0）（k）,f（k）（kk0）=f（k0）（kk0）,例,定义,1,-1,-2,2,0,1,2.单位阶跃序列（k）定义,（k）与（k）的关系,（k）=（k）（k1）,或,（k）=（k）+（k1）+,定义,系统的分类系统的数学模型系统的框图描述,1.5系统的描述,一、系统的分类,1.广义定义：

是一个由若干个有相互关联的单元组合,而成的具有特定功能的整体。

如：

通信系统、控制系统、计算机系统，但要注意,其概念很宽泛，不仅仅限于电路、通信等方面,课程：

电路、网络、系统通用,2.系统的分类：

可以从多种角度来观察、分析研究系统的特征，提出对系统进行分类的方法。

系统的分类,连续系统与离散系统动态系统与即时系统但输入单输出与多输入多输出系统线性系统与非线性系统时不变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,常用分类方法：

系统的分类,连续（时间）系统：

系统的激励和响应均为连续信号；,离散（时间）系统：

系统的激励和响应均为离散信号；,混合系统：

连续系统与离散系统的组合；,是连续信号，一个为离散信号。

如A/D，D/A变换器，系统的激励和响应一个是,.连续系统与离散系统,系统的分类,若系统在任一时刻的响应不仅与该时刻的激励,有关，而且与它过去的历史状况有关，则称为动态,系统或记忆系统。

如：

含有记忆元件（电容、电感等）的电路是动态系统,否则称：

即时系统或无记忆系统（电阻串并联）。

.动态系统与即时系统,课程：

动态系统,二、系统的数学模型,连续系统解析描述：

微分方程离散系统解析描述：

差分方程,1.连续系统的解析描述,图示RLC电路，以uS（t）作激励，以uC（t）作为响应，由KVL和VAR列方程，并整理得,二阶常系数线性微分方程,抽去具有的物理含义，微分方程写成,这个方程也可以描述下面的一个二阶机械减振系统,机械减振系统,其中，k为弹簧常数，M为物体质量，C为减振液体的阻尼系数，x为物体偏离其平衡位置的位移，f（t）为初始外力。

其运动方程为,能用相同方程描述的系统称为：

物理系统不同：

数学模型相同,2.离散系统的解析描述,例：

某人每月初在银行存入一定数量的款，月息为元/月，求第k个月初存折上的款数。

设第k个月初的款数为y（k）,这个月初的存款为f（k）,上个月初的款数为y（k-1），利息为y（k-1）,则y（k）=y（k-1）+y（k-1）+f（k）即：

y（k）-（1+）y（k-1）=f（k）若设开始存款月为k=0，则有y（0）=f（0）。

上述方程就称为y（k）与f（k）之间所满足的差分方程。

所谓差分方程是指由未知输出序列项与输入序列项构成的方程。

未知序列项变量最高序号与最低序号的差数，称为差分方程的阶数。

上述为一阶差分方程。

由n阶差分方程描述的系统称为n阶系统。

三系统的框图描述,连续系统的基本单元离散系统的基本单元系统模拟,系统的模型（微分方程、差分方程）：

微分,差分,运算,包含,表示,单元符号并连接成系统,加法,乘法,1.连续系统的基本单元,延时器,加法器,积分器,数乘器,乘法器,注意：

没有微分器？

实际：

用积分单元代替,2.离散系统的基本单元,加法器,迟延单元,数乘器,3.系统模拟,实际系统方程模拟框图实验室实现（模拟系统）指导实际系统设计,例1,例2,例3,例4,方程框图用变换域方法和梅森公式简单，后面讨论。

由微分方程画框图例1,例1：

已知y”（t）+ay（t）+by（t）=f（t），画框图。

解：

将方程写为y”（t）=f（t）ay（t）by（t）,由微分方程画框图例2,例2请画出如下微分方程所代表的系统的系统框图。

解：

解法二,解2：

该方程含f（t）的导数，可引入辅助函数画出框图。

设辅助函数x（t）满足x”（t）+3x（t）+2x（t）=f（t）可推导出y（t）=x（t）+x（t），它满足原方程。

例3由框图写微分方程,例3：

已知框图，写出系统的微分方程。

设辅助变量x（t）如图,x（t）,x（t）,x”（t）,x”（t）=f（t）2x（t）3x（t）,即x”（t）+2x（t）+3x（t）=f（t）,y（t）=4x（t）+3x（t）,根据前面，逆过程，得,y”（t）+2y（t）+3y（t）=4f（t）+3f（t）,例4由框图写差分方程,例4：

已知框图，写出系统的差分方程。

解：

设辅助变量x（k）如图,x（k）,x（k-1）,x（k-2）,即x（k）+2x（k-1）+3x（k-2）=f（k）y（k）=4x（k-1）+5x（k-2）消去x（k），得y（k）+2y（k-1）+3y（k-2）=4f（k-1）+5f（k-2）,x（k）=f（k）2x（k-1）3x（k-2）,系统的特性系统的分析方法,1.6系统的特性与分析方法,一、系统的特性,连续系统与离散系统动态系统与即时系统但输入单输出与多输入多输出系统线性系统与非线性系统时不变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,常用分类方法：

系统的特性,线性性质时不变性因果性稳定性,1.线性,y（t）:

系统的响应、f（t）:

系统的激励,线性性质：

齐次性和可加性,可加性：

齐次性：

f（）y（）,y（）=Tf（）f（）y（）,af（）ay（）,f1（）y1（）,f2（）y2（）,f1（）+f2（）y1（）+y2（）,af1（）+bf2（）ay1（）+by2（）,综合，线性性质：

线性系统的条件,动态系统响应不仅与激励f（）有关，而且与,可分解性,零状态线性,y（）=Tf（）,x（0）yzi（）=T0，x（0），yzs（）=Tf（）,0,零输入线性,动态系统是线性系统，要满足下面3个条件：

系统的初始状态x（0）有关,初始状态也称“内部激励”。

线性系统的条件,可分解性：

y（）=yzi（）+yzs（）,零状态线性：

Taf1（t）+bf2（t）,0=aTf1（）,0+bTf2（）,0,y（）=Tf（）,x（0）yzi（）=T0，x（0），yzs（）=Tf（）,0,零输入线性：

T0,ax1（0）+bx2（0）=aT0,x1（0）+bT0,x2（0）,举例1,举例2,线性系统（连续、离散）,线性微分（差分）方程,判断线性系统举例,例1：

判断下列系统是否为线性系统？

（1）y（t）=3x（0）+2f（t）+x（0）f（t）+1

（2）y（t）=2x（0）+|f（t）|（3）y（t）=x2（0）+2f（t）,解：

（1）yzs（t）=2f（t）+1，yzi（t）=3x（0）+1显然，y（t）yzs（t）yzi（t）不满足可分解性，故为非线性

（2）yzs（t）=|f（t）|，yzi（t）=2x（0）y（t）=yzs（t）+yzi（t）满足可分解性；由于Taf（t）,0=|af（t）|ayzs（t）不满足零状态线性。

故为非线性系统。

（3）yzi（t）=x2（0），T0,ax（0）=ax（0）2ayzi（t）不满足零输入线性。

故为非线性系统。

例2：

判断下列系统是否为线性系统？

解：

y（t）=yzs（t）+yzi（t），满足可分解性；,Taf1（t）+bf2（t）,0,=aTf1（t）,0+bTf2（t）,0，满足零状态线性；,T0,ax1（0）+bx2（0）=e-tax1（0）+bx2（0）=ae-tx1（0）+be-tx2（0）=aT0,x1（0）+bT0,x2（0）,满足零输入线性；,所以，该系统为线性系统。

2.时不变性,时不变系统：

系统参数不随时间变化,线性系统,时不变,常系数微分方程,时变,变系数微分方程,线性时不变系统：

yzs（）=Tf（）,0,yzs（t-td）=Tf（t-td）,0,yzs（k-kd）=Tf（k-kd）,0,时不变性,f（t-td）yzs（t-td）,f（t）yzs（t）,举例,判断时不变系统举例,例：

判断下列系统是否为时不变系统？

（1）yzs（k）=f（k）f（k1）

（2）yzs（t）=tf（t）（3）yzs（t）=f（t）,解

（1）令g（k）=f（kkd）T0，g（k）=g（k）g（k1）=f（kkd）f（kkd1）而yzs（kkd）=f（kkd）f（kkd1）显然T0，f（kkd）=yzs（kkd）故该系统是时不变的。

（2）令g（t）=f（ttd）T0，g（t）=tg（t）=tf（ttd）而yzs（ttd）=（ttd）f（ttd）显然T0，f（ttd）yzs（ttd）故该系统为时变系统,（3）yzs（t）=f（t）令g（t）=f（ttd）,T0，g（t）=g（t）=f（ttd）而yzs（ttd）=f（ttd）显然T0，f（ttd）yzs（ttd）故该系统为时变系统,直观判断方法：

若f（）前出现变系数，或有反转、展缩变换，则系统为时变系统。

LTI系统的微分特性和积分特性,本课程重点：

讨论线性时不变系统。

（2）微分特性：

证明,（LinearTime-Invariant），简称LTI系统。

（1）线性性质：

齐次性和可加性,（3）积分特性：

若f（t）yzs（t）,f（t）yzs（t）,若f（t）yzs（t）,3.因果性,因果系统：

即因果系统:

激励是原因，响应是结果，响应是不,输出不超前于输入。

判断方法：

举例,综合举例,指零状态响应不会出现在激励之前的系统。

有tt0，yzs（t）=0,t=t0时f（t）加入：

可能在激励施加之前出现的。

因果系统判断举例,如下列系统均为因果系统：

yzs（t）=3f（t1）,而下列系统为非因果系统：

（1）yzs（t）=2f（t+1）,

（2）yzs（t）=f（2t）,因为，令t=1时，有yzs

（1）=2f

（2）,因为，若f（t）=0，tt0，有yzs（t）=f（2t）=0,t0.5t0。

因果系统与非因果系统,实际的物理可实现系统均为因果系统,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