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1 第二章 离散时间信号和系统的时域分析

2 作业 2.3,2.5(3)(5)(6) 2.6(2)(3) 2.8(3)(7)(8) 2.9(1)(3) 2.10 (2)(4)(8) (C),2.16(2), 自己仿真 2.29,2.30

3 主要内容 离散时间信号的表示 典型离散信号 序列基本运算 离散时间系统时域分析 因果稳定性分析 线性和时不变分析 输入输出关系 线性卷积求解 差分方程求解

4 2.1 离散时间信号的表示 序列 : 对模拟信号 得到 x ( ) a t xa ( t) t= nt = xa ( nt ) < n < n 取整数 对于不同的 n 值,... x ( T ), x (0), x ( T ), x (2 T ),... a a a a 进行等间隔采样, 采样间隔为 T, x ( ) a nt 是一个有序的数字序列 : 该数字序列就是离散时间信号 实际信 号处理中, 这些数字序列值按顺序存放于存贮器中, 此时 nt 代表的是 前后顺序 为简化, 不写采样间隔, 形成 x(n) 信号, 称为序列序列 x(n) 代表第 n 个序列值, 在数值上等于信号的采样值 x(n) 只在 n 为整数时才有意义

5 2.1 离散时间信号的表示 离散时间信号 序列 x ( ) ( ) a t t = nt = xa nt < n < x n = x nt < n < ( ) ( ) a

6 2.1 离散时间信号的表示 常用典型序列 δ n 单位冲激序列 ( ) δ (n) 1 n = 0 = 0 n 0 δ (t) ( a ) ( b ) 任意序列的表示 n xn ( ) = xm ( ) δ ( n m) m= 0 t

7 2.1 离散时间信号的表示 常用典型序列 u n 单位阶跃序列 ( ) u(n) n 0 = 0 n < 0 δ ( k ) n k = n m u( n) = δ ( n m) = δ ( k) m= 0 k = n

8 2.1 离散时间信号的表示 常用典型序列 R n 矩形序列 ( ) N 1 0 n N 1 = 0 其它 1 R 4 (n) R n = u n u n N N ( ) ( ) ( ) n

9 2.1 离散时间信号的表示 常用典型序列 实指数序列 x ( n ) = a n u ( n ) a n u( n) a n u( n) a >1 1 < a < O n 1 O n

10 2.1 离散时间信号的表示 常用典型序列 复指数序列 ( ) x n = e σ ( + ω ) j n 数字角频率 (rad) 特例 j( 0 2 M ) n j 0n e ω + π = e ω 正弦序列 ω 0 = ΩT 0 s x n = A sin Ω nt + ϕ = A sin ωn + ϕ ( ) ( ) ( ) e e π Ω = j Ω t = j2 ft 如何变为序列 2πf 如何变为序列?

11 2.1 离散时间信号的表示 常用典型序列 x n = x n + N < n < 周期序列 ( ) ( ) 正弦序列的周期性 x n + N = A sin ω n + ω N + ϕ ( ) ( ) 条件 N = 2πM ω 0 π 1 问序列是否周期? x( n) = sin( n) x ( n) = sin( n) 4 4

12 2.1 离散时间信号的表示 序列的基本运算 序列加法和乘法 ( ) = ( ) + ( ) z n x n y n ( ) = ( ) ( ) z n x n y n

13 2.1 离散时间信号的表示 序列的基本运算 y n = c x n 序列标乘 ( ) ( ) y n = x n n 0 序列移位 ( ) ( ) y n = x n 序列翻转 ( ) ( ) y n 序列累加 ( ) ( ) n = k = x k

14 2.1 离散时间信号的表示 序列尺度变换 y ( n) = x ( m n) 序列卷积 y ( n ) = x ( n) h ( n ) 在系统响应部分介绍

15 2.2 离散时间系统 离散时间系统离散时间系统是将输入序列变换成输出序列的一种运算 记为 :T[ ] x(n) 离散时间系统 T[ ] y(n) y( n) = T[ xn ( )]

16 2.2 离散时间系统 线性离散时间系统 若系统 T[ ] y n T x n 1( ) = [ 1( )] 2 = 2 y ( n) T[ x ( n)] T[ ax ( n) + ax ( n)] = ay ( n) + a y ( n) 满足叠加原理 : 或同时满足 : 可加性 : T[ x ( n) + x ( n)] = y ( n) + y ( n) 比例性 / 齐次性 : 其中 : aa,, a 为常数 1 2 则此系统为线性系统线性系统 T[ ax ( n)] = ay ( n) 1 1

17 2.2 离散时间系统 线性离散时间系统 ( ) ( ) yk n = T xk n y n T ck xk n k ( ) = ( ) k ( ) c y ( n) = c T x n = k k k k k 线性系统

18 2.2 离散时间系统 问系统是否线性? y ( n) = T x ( n) = a x ( n) + c T b x ( n) = a b x ( n) + c b T x ( n) yɶ n = T x n T x n ( ) ( ) ( ) 1 2 = a x1 n x2 n a xɶ n ( ) ( ) ( )

19 2.2 离散时间系统 离散时不变系统 ( ) ( ) y n = T x n ( ) = ( ) y n n T x n n 0 0 时不变系统 ( ) = ( ) = ( ) sin ( ωn) y n T x n x n ( ) = ( ) sin ω ( n n ) y n n x n n 0 ( ) ( ) = ( ) sin ( ωn) T x n n x n n ( ) ( ) y n n T x n n 0 0 线性时不变系统 (LTI)

20 例 : 试判断 是否是时不变系统 2π π y( n) = xn ( )sin( n + ) 9 7 2π π 解 :T[ xn ( m)] = xn ( m)sin( n + ) 9 7 2π π y( n m) = xn ( m)sin[ ( n m) + ] 9 7 T[ xn ( m)] 该系统不是时不变系统

21 2.2 离散时间系统 同时具有线性和时 ( 移 ) 不变性的离散时间系统称为线性时 ( 移 ) 不变系统 LSI:Linear Linear Shift Invariant

22 2.2 离散时间系统 LTI 系统输出和输入关系 单位脉冲响应 h(n) 是指输入为单位脉冲序列 δ ( n) 时的系统输出 : hn ( ) T[ δ ( n)] δ ( n) hn ( ) = T[ ]

23 2.2 离散时间系统 LTI 系统输出和输入关系 任意输入信号 ( ) x ( m) δ ( n m) x n = m= 线性叠加原理 系统输出 y n T x m n m x m T n m m= m= ( ) = ( ) δ ( ) = ( ) δ ( ) m= ( ) ( n m) x ( n) h ( n) = x m h = 时不变性 x(n) LTI h(n) y(n) 线性卷积 L = N + M 1

24 2.2 离散时间系统 线性卷积计算和性质 设两序列 x(n) h(n), 则其卷积和定义为 : 1) 翻转 : y( n) = xmhn ( ) ( m) = xn ( ) hn ( ) m= x( n) xm ( ) hn ( ) hm ( ) h( m) 2) 移位 : h( m) hn ( m) 3) 相乘 : 4) 相加 : xm ( ) hn ( m) < m < m= xmhn ( ) ( m) < n <

25 举例说明卷积过程 n -2, y(n)=0

26 n=-1 y(-1)=8

27 n=0 y(0)=6+4=10

28 n=1 y(1)=4+3+6=13

29 n=5 y(5)=-1+1=0

30 n=6 y(6)=0.5

31 n=7 y(n)=0, n 7

32

33 2.2 离散时间系统 线性卷积计算和性质 交换律 xn ( ) hn ( ) = hn ( ) xn ( ) 结合律 ( a ) ( b ) x(n) x(n) h 1 (n) h 1 (n) * h 2 (n) h 2 (n) y(n) y(n) 系统级联 分配率 ( c ) ( d ) x(n) x(n) h 1 (n)+h 2 (n) h 1 (n) h 2 (n) y(n) y(n) 系统并联

34 例 : 某 LTI系统, 其单位抽样响应为 : n hn ( ) = au( n) 0 < a < 1 输入序列为 : xn ( ) = u( n) u( n N) 求系统输出 解 : y( n) = xn ( )* hn ( ) = x( mhn ) ( m) m=

35 当 n < 0 时 y( n) = 0 当 0 n < N时 y( n) = xmhn ( ) ( m) = 1 a m= m= 0 n n m n n m n = a a = a m= 0 1 a 1 a ( n+ 1) 1

36 当 n N时 y( n) = xmhn ( ) ( m) m= N 1 N 1 n m n m = 1 a = a a m= 0 m= 0 1 a N n = a 1 1 a 0 n < 0 ( n+ 1) n 1 a y( n) = a 0 n < N 1 1 a N n 1 a a n N 1 1 a

37 若 xn ( ) = xnr ( ) ( n) hn ( ) = hnr ( ) ( n) 求输出 y( n) n < 0 时 y( n) = 0 0 n N 1时 n y( n) = xmhn ( ) ( m) m= 0 M N n M 1时 N 1 y( n) = xmhn ( ) ( m) m= 0 M n N + M 2时 N 1 m= n M + 1 N y( n) = xmhn ( ) ( m) n N + M 1 时 y( n) = 0 1) 当 M N

38 n < 0 时 y( n) = 0 2) 当 M < N 0 n M 1时 n y( n) = xmhn ( ) ( m) m= 0 M n N 1时 n y( n) = xmhn ( ) ( m) m= n M + 1 N n N + M 2时 N 1 y( n) = xmhn ( ) ( m) m= n M + 1 n N + M 1 时 y( n) = 0

39 思考 : 当 x(n) 的非零区间为 [N1,N2],h(n) 的非零区间为 [M1,M2] 时, 求解系统的输出 y(n) 又如何分段? 结论 : 若有限长序列 x(n) 的长度为 N,h(n) 的长度为 M, 则其卷积和的长度 L 为 : L=N+M-1

40 2.2 离散时间系统 系统的因果稳定性 因果性 h ( n) = 0 n < 0 n 时刻的输出与 n 时刻之后的输入无关非因果数字系统可利用存储器, 延时实现稳定系统 : 有界输入产生有界输出 (BIBO) 稳定性充要条件 h( n) LTI 稳定性充要条件 n= <

41 2.2 离散时间系统 稳定性充要条件证明 充分性 x ( n) < p y ( n ) = h ( m ) x ( n m ) h ( m ) x ( n m ) p m= m= h ( m) < 输入有界 输出有界 m=

42 2.2 离散时间系统 稳定性充要条件证明 必要性 ( ) ( ) x n h n > M 1 h ( n) 0 = 1 h ( n) < 0 n= n= 0 ( ) ( ) ( ) ( ) = = y n h m x n m h m M m= 输入有界 输出无界 ( 矛盾 ) m=

43 例 : 某 LSI 系统, 其单位脉冲响应为 解 : 讨论因果性 : n < 0 时 hn ( ) 0 该系统是非因果系统讨论稳定性 : hn ( ) = au n ( n) 试讨论其是否是因果的 稳定的 0 n hn ( ) = a = a n= n= n= 0 1 a > 1 1 = 1 a a 1 当 a > 1时系统稳定, 当 a 1时系统不稳定 n

44 结论 : 因果稳定的 LSI 系统的单位脉冲响应是因果的, 且是绝对可和的, 即 : h n = hnu n hn ( ) < n= ( ) ( ) ( )

45 2.2 离散时间系统 LTI 系统的差分方程描述 M N = l k l = 0 k = 1 y n b x n l a y n k ( ) ( ) ( ) N or a y n k = b x n l a = 1 模拟系统 微分方程 M ( ) ( ) k k = 0 l= 0 线性常系数差分方程 特别 l M ( ) = b x ( n l ) y n l = 0 ( ) = ( ) a y ( n k ) y n b x n 0 l N k = 1 0 k MA FIR AR IIR

46 2.2 离散时间系统 LTI 系统的差分方程求解 1 经典解法 类似于模拟系统中微分方程的解法, 较麻烦 2 递推算法 ( 适于计算机求解 ) 3 变换域解法 Z 变换方法 ( 后续内容 ) 4 Matlab 求解

47 2.2 离散时间系统 递推法求解 ( ) = ( 1) + x ( n) x ( n) = δ ( n) y ( 1) = 1 = 0 ( 0) = ( 1) + δ ( 0) = + 1 = 1 ( 1) = ( 0) + δ ( 1) = ( + 1) y n a y n n y a y a n y a y a a ( ) = ( 1) + δ ( n) = a n ( a + 1) u ( n) y n a y n 是否是单位脉冲响应

48 2.2 离散时间系统 递推法求解 单位脉冲响应 : 系统对于单位脉冲序列的零状态响应 ( ) = ( 1) + x ( n) x ( n) = δ ( n) y ( 1) = 0 ( ) ( ) δ ( ) = 1 ( 1) = ( 0) + δ ( 1) = y n a y n n = 0 y 0 = a y = 1 n y a y a n ( ) = ( 1) + δ ( n) = a u ( n) y n a y n 系统的单位脉冲响应

49 例 1: 已知常系数线性差分方程 若边界条件 y( n) ay( n 1) = xn ( ) y (0) = 0 求其单位脉冲响应

50 解 : 令输入 xn ( ) = δ ( n), 则输出 y( n) = hn ( ), 又已知 y(0) = 0 1 由 y( n 1) = [ y( n) x( n)], 得 a 1 1 y( 1) = [ y(0) x(0)] = = a a a 1 2 y ( 2) = [ y ( 1) x ( 1)] = a a 1 3 y( 3) = [ y( 2) x( 2)] = a a n y( n) = a, n 1 n h( n) = y( n) = a u( n 1) 1 由 y ( n ) = ay ( n 1) + xn ( ), 得 y(1) = ay(0) + x(1) = 0 y(2) = ay(1) + x(2) = 0 y( n) = 0, n 1

51 例 3: 已知常系数线性差分方程同上例 若边界条件 y( 1) = 1 讨论系统的线性性和移不变性

52 解 :1) 令输入 x ( n) = δ ( n), 由 y ( 1) = 1, 求输出 y ( n) 由 y ( n) = ay ( n 1) + x ( n), 得 y (0) = ay ( 1) + x (0) = a y (1) = ay (0) + x (1) = a( a + 1) (2) = 1(1) + 1(2) = ( + 1) y ay x a a 3 y (3) = ay (2) + x (3) = a ( a + 1) n y ( n) = a ( a + 1), n 由 y1( n 1) = [ y1( n) x1( n)], 得 a 1 1 y1( 2) = [ y1( 1) x1( 1)] = a a 1 2 y1( 3) = [ y1( 2) x1( 2)] = a a n+ 1 1( ) =, 1 y n a n y n = + + n n+ 1 1 ( ) (1 a) au( n) a u( n 1)

53 2) 令输入 x ( n) = δ ( n 1), 由 y ( 1) = 1, 求输出 y ( n) 由 y ( n) = ay ( n 1) + x ( n), 得 y (0) = ay ( 1) + x (0) = a y ay x a 2 2(1) = 2(0) + 2(1) = + 1 y ay x a a 2 2(2) = 2(1) + 2(2) = ( + 1) 2 2 2(3) = 2(2) + 2(3) = ( + 1) y ay x a a y n a a ( ) n 1 ( 2 1) 1 2 = +, n 同步骤 1), 由 1 y2( n 1) = [ y2( n) x2( n)] a 得 y n a, n n+ 1 2( ) = 1 y n = aδ n + + a a u n + a u n 2 n 1 n+ 1 2 ( ) ( ) (1 ) ( 1) ( 1)

54 3) 令输入 x ( n) = x ( n) + x ( n) = δ ( n) + δ ( n 1), 由 y ( 1) = 1, 求输出 y ( n) 3 3 由 y ( n) = ay ( n 1) + x ( n), 得 y (0) = ay ( 1) + x (0) = a y ay x a a 2 3(1) = 3(0) + 3(1) = (2) = 3(1) + 3(2) = ( + + 1) y ay x a a a y ay x a a a 2 2 3(3) = 3(2) + 3(3) = ( + + 1) y n a a a n 1 2 3( ) = ( + + 1), 1 n 同步骤 1), 由 1 y3( n 1) = [ y3( n) x3( n)] a 得 y n a, n n+ 1 3( ) = 1 y n = + a δ n + + a + a a u n 2 n 1 3 ( ) (1 ) ( ) (1 ) ( 1) n+ + a 1 u( n 1)

55 4) 结论 : 当输入 x ( n) = δ ( n) 1 时, 输出 y n n n+ 1 1 ( ) = (1 + a) au( n) + a u( n 1) 当输入 x ( n) = δ ( n 1) 2 时, 输出 y n aδ n a a u n a u n 2 n 1 n+ 1 2 ( ) = ( ) + (1 + ) ( 1) + ( 1) 由于 x ( n) = x ( n 1), 而 y ( n) y ( n 1) y( 1) = 1边界条件下的系统不是移不变系统 当输入 x ( n) = x ( n) + x ( n) = δ ( n) + δ ( n 1) 时, 输出 n 1 3 ( ) = (1 + ) δ ( ) + (1 + + ) ( 1) n+ + a 1 u( n 1) y1( n) + y2( n) y n a n a a a u n y( 1) = 1边界条件下的系统不是线性系统 不满足可加性

56 一些关于差分方程的结论 : 一个差分方程不能唯一确定一个系统 常系数线性差分方程描述的系统不一定是线性移不变的 不一定是因果的 不一定是稳定的

57 差分方程 系统结构 y( n) ay( n 1) = xn ( ) x(n) y(n) Z -1 a

58 2.2 离散时间系统 Matlab 求解 xi=filtic(b,a,ys,xs); % 由初始条件计算等效初始条件输入 ys=[y(-1),,y(-n)] 和 xs=[x(-1),,x(-m)] 为初始条件 ; 若 xs=0 则可省略 yn=filter(b,a,xn,xi); % 调用 filter 解差分方程 B=[b0,,bM]; A=[a0,,aN]; % 差分方程系数,a0=1( 若不等于 1, 则 filter 用 a0 对 B 和 A 归一化 )

59 小结 典型离散时间序列的特征 时域离散线性时不变系统 (LTI) 分析 因果稳定性分析 线性和时不变分析 输入输出关系 线性卷积求解 差分方程求解

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