第一章 信号与系统的基本概念

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1 信号与系统 信息与电子工程学院郝然 1

2 课程简介 : 课程性质 : 专业基础课程 涉及专业 : 信息与通信, 电子技术, 自动控制, 计算机技术, 海洋 先修课程 : 高等数学, 线性代数, 复变函数, 物理, 电路分析 后续课程 : 数字信号处理, 通信原理, 自动控制, 控制技术, 统计信号处理, 移动通信, 2

3 课程简介 : 课程特点 : 专业课程中的数学课 ; 体系严密 ; 以工程应用为目标, 不追求纯数学中的严密性 涉及到的数学知识 : 微积分, 微分方程, 线性代数, 复变函数, 积分变换, 泛函分析, 很多数学概念在课程中结合工程应用进行介绍, 更加容易理解和掌握 3

4 课程简介 : 重点掌握 : 基本理论 ; 基本原理 ; 基本方法 ; 教材 : 于慧敏等 信号与系统 第二版 主要参考书 : 郑君里, 信号与系统 第一版, 第二版 A.V. Oppenheim, Signals & Sysems,1s or 2nd ediion; 同上, 第二版中译本, 刘树棠译 4

5 教师 : 郝然玉泉校区行政楼 306 rhao@zju.edu.cn 助教 : 焦建尧玉泉校区行政楼 @zju.edu.cn 考试 :10% 课堂 ( 课堂提问 + 推导 ) 10% Quiz 20% 平时作业 60% 闭卷考试 + 加分题 5

6 课程的重要性 信号与系统 所这门课为什么对本专业这么重要? 我们专业所做的有事情, 都可以归结 到产生信号 -> 设计系统 -> 输出新的信 号这一过程 6

7 第一章 信号与系统的基本概念 7

8 本章重点讨论了有关信号与系统的一些基本概念和性质, 信号的数学表示, 自变量变换, 系统的性质 本章内容是信号与系统分析的重要基础, 也是学习本课程必须掌握的基本知识 8

9 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 9

10 1.0 引言 人类社会发展中, 信息的传递是非常重要的任务 客观存在 ( 事件 ) > 消息 ( 约定的符号 ) > 便于传输的信号 客观存在 ( 事件 ), 是人们要传输的对象 例如, 战场上敌方 的兵力 ; 某日某处的气温等等 ; 这些客观存在必须转换成人们能够读懂的消息, 例如 : 语言, 文 字等 ; 消息本身可能并不适于处理, 必须转换成为便于处理的信号, 例如, 转换为电信号, 光信号, 旗语, 10

11 1.0 引言 11

12 1.0 引言 什么是信息? (1)1948 年, 美国著名数学家 控制论的创始人维纳在 控制论 一书中, 指出 : 信息就是信息, 既非物质, 也非能量 (2)1948 年, 美国数学家 信息论的创始人仙农在题为 通讯的数 学理论 的论文中指出 : 信息是用来消除随机不定性的东西 (3) 对仙农观点的直观化解释 : 信息就是这样一种东西, 我们有了 它以后, 对某件事情的不确定度降低 12

13 1.0 引言 信息的传输与处理 在人类社会的发展过程中, 信息的传递一直是一个非常重要的任务 从古代的号角, 烽火台, 到今天的卫星通信, 人类历史的发展与通信的发展有着至关重要的联系 对信号的传输与处理技术的专门研究最早开始于利用电磁 波传输信息的无线电通信, 以后逐步扩大并发展到成为自 动控制 电子器件 计算机等其它学科 13

14 1.0 引言 随着科技的不断发展, 信息传输技术也不断得到更新 : 传输速度越来越快, 信息传输量也越来越大 传输内容语言由文字信息扩展到图片 视频等 传输的方式由点对点传输发展到点对多点以及网络传输 如今, 通信与人们生活各个方面都紧密相关 从广义上看, 很多现实生活中的系统, 都可以看成是广 义的信息传输系统 14

15 1.0 引言 信息传输的任务信息传输的任务, 就是将带有信息的信号, 通过某种系统由发送者传送给接收者 ; 要完成这样的任务, 必然要将带有信息的信号, 通过某种系统, 进行适当的处理和变换 15

16 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 16

17 1.1.1 信号的概念 什么是信号? 表达 传递信息的符号 ( 信息的载体 ) 物理上 : 通常表现为随时间变化的物理量, 如 : 声 光 电 力等 数学上 : 一个或多个变量的函数 形态上 : 信号表现为一种波形 17

18 1.1.1 信号的概念 信号 -- 表达 传递信息的符号 ( 举例 ) (1) 长城的烽火 (2) 书信 便条 (3) 人的表情 动作 语言 (4) 光 电的变化 ( 重点 ) 可以用很多不同种类的信号传递同一个信息 ( 举例 ) 比如给你要通知一件事情给另一个人 : (1) 写信 (2) 找人带话 (3) 写 (4) 打电话 (5) 其他 18

19 1.1.2 与信号有关的基本问题 问题 : 表达同一信息的不同信号, 是否有优劣之分? 1. 有 2. 一般来说, 我们倾向于成本低 简洁 传输速度快 传输可靠的信号 3. 优劣由我们的目的确定 19

20 1.1.3 信号的描述与信号的分类 1. 确定性信号与随机性信号 确定信号 : 对指定的某一时刻, 都有一确定的函数值相对应 例 : 正弦信号就是确定性信号 随机信号 : 不是时间 的确定函数, 会表现出某种统计确定性 例 : 噪声是随机信号 20

21 1.1.3 信号的描述与信号的分类 2. 连续时间信号与离散时间信号 信号按自变量的取值是否连续可分为连续时间信号和离散时间信号 连续时间信号 : 在任何时刻 除了若干个不连续点外都有 定义的信号 连续信号表示方法 :x() 21

22 1.1.3 信号的描述与信号的分类 离散时间信号 : 仅在一些离散时刻有定义, 一般自变量只取整数值 通常也称它为序列 例 : 美国周道琼斯指数的变化信号 离散信号表示方法 : x[n] 数字信号 : 如果将离散信号 加以量化, 并用编码表示 22

23 1.1.3 信号的描述与信号的分类 3. 周期信号与非周期信号 周期信号 : 信号随时间变量 或 n 变化, 具有重复性 图 1.5 周期信号 23

24 1.1.3 信号的描述与信号的分类 连续周期信号可表示为 : x( ) x( mt), m 0, 1, 2,... 我们把能使上式成立的最小正值 T 称为的基波周期 2T,3T,4T... 都是 x() 的周期 x() 24

25 1.1.3 信号的描述与信号的分类 离散周期信号可表示为 : x[ n] x[ n mn], m 0, 1, 2,... 其中周期 N是正整数 我们把能使上式成立的最小正整数 N 称为 x[n] 的基波周期 25

26 1.1.3 信号的描述与信号的分类 4. 奇信号与偶信号 按信号是关于原点对称或关于坐标纵轴对称, 又可分为奇信号与偶信号 满足 : x( ) x( ) 或 : x[ n] x[ n] 为奇信号 ; 满足 : x( ) x( ) 或 : x[ n] x[ n] 为偶信号 图 1.6 连续时间奇信号与偶信号 26

27 1.1.3 信号的描述与信号的分类 判断 : 信号都可分解成奇分量与偶分量之和 其中偶分量为偶函数, 满足 其中奇分量为奇函数, 满足 x x ( ) x ( ) e e 0( ) x0( ) 又因为 1 x( ) [ x( ) x( ) x( ) x( )] xe( ) x0( ) 2 所以可以得出如下结论 : 27

28 信号的描述与信号的分类 )] ( ) ( [ 2 1 ) ( x x x e )] ( ) ( [ 2 1 ) ( 0 x x x 以上分解方法同样适用于离散时间信号, 即 : ] [ ] [ 2 1 ] [ ] [ ] [ 2 1 ] [ n x n x n x n x n x n x o e

29 1.1.3 信号的描述与信号的分类 + x[ n] xe[ n] x0[ n] 例子 : 离散时间信号分解 29

30 1.1.3 信号的描述与信号的分类 5. 功率信号和能量信号 若有一电压或电流信号 x(), 它的能量和功率是这样定义的 : 则它在 1 的电阻上的瞬时功率为 : 在内消耗的能量为 : p( ) x( ) 当 T 2 时, 总能量 E 和平均功率 P 分别定义为 : 1 E 1 x( ) 2 d 2 2 E x d P 2 lim ( ) lim x( ) 2 d 30

31 1.1.3 信号的描述与信号的分类 在 n n 1 n 2 内的离散时间信号的总能量和平均功率是 E P nn 2 nn 1 x[ n] nn 2 1 n n nn1 2 x[ n] 2 在无穷大区间内, 离散时间信号总能量 E 和平均功率 P 分别定义为 N 2 E lim x( n) x n N n N n 2 p 1 lim N 2 N N 1 nn 2 x n 31

32 1.1.3 信号的描述与信号的分类 能量信号 ( 能量有限信号 ): 如果信号 x() 的能量 E满足 : 0 E, 而 P 0 能量有限, 功率为 0 32

33 1.1.3 信号的描述与信号的分类 功率信号 ( 功率有限信号 ): 如果信号 x() 的功率满足 : 0 P, 而 E 功率有限, 能量无限 33

34 课程学习的第一个内容 由此引出本课程需要重点学习的第一个内容 对信号性质的研究成本低 简洁 传输速度快 传输可靠的信号 (1) 有没有一些标准的知识 原则和经验来设计 产生这样的信号 ; (2) 这些信号具有怎样的特点和性质 34

35 1.1.3 系统的概念 什么是系统? 由若干相互联系的单元组成的, 具有某种功能, 用于达到某种目的的有机整体 系统总是有很多个单元 ( 子系统 ) 组成 ; 各个子系统相互连接, 构成一个统一整体 ; 系统总是用于某种目的, 是为了达到某种功能而设计的 35

36 1.1.3 系统的概念 什么是系统? 六个字 有输入 有输出 (inpu, oupu) 输入 系统 输出 (1) 输入的是某个信号, 输出的是另外的信号 (2) 所以, 系统就是接受输入的信号, 并把输入的信号转换为另外的信号的实体 36

37 1.1.3 系统的概念 系统举例 (1) 人体 (2) 动物 植物和一切生物 (3) 电视 电话 计算机等电子产品 (4) 股市 楼市 (5) 其他 37

38 1.1.4 系统的表示与分类 系统有各种分类方法 : 按用途来分 1. 电力系统 ; 2. 通信系统 ; 3. 金融系统等 按特性来分 1. 连续时间系统和离散时间系统 2. 线性系统和非线性系 ; 3. 因果系统和非因果系统 ; 4. 可逆系统和不可逆系统 ; 5. 记忆系统和无记忆系统 ; 6. 时变和时不变系统 ; 7. 稳定系统和非稳定系统 38

39 1.1.5 信号系统示例 地动仪 ( 输入信号, 地震引起的地面微小晃动 ; 输出信号 : 地震方向 ) 39

40 1.1.5 信号系统示例 举例 2. 人脸检测识别系统 人脸检测系统 输入信号 图片 输入信号 人脸所在矩形区域 40

41 1.1.5 信号系统示例 举例 2. 人脸检测识别系统 人脸识别系统 人的 ID 输入信号 人脸所在矩形区域 41

42 1.1.5 信号系统示例 举例 3. 语音识别系统 语音识别系统 啊 输入信号 语音信号 输出信号 文字 42

43 1.1.5 信号系统示例 举例 4. 电话系统 用户话机 用户话机 8 局交换机 3 局交换机 中继线 用户小交换 其他交换局 其他交换局 输入信号 语音信号 输出信号 同样的语音信号 43

44 1.1.5 信号系统示例 举例 4. 电话系统 语音信号 电话机系统 电平信号 传输系统 电平信号 电话机系统 语音信号 获得的启示 : (1) 可将一个复杂系统分解为若干基本系统 (2) 设计这些基本系统 (3) 基本系统级联起来构成复杂系统 44

45 课程学习的第二个内容 由此引出本课程需要重点学习的第二个内容 学习系统的基本知识和基本方法 (1) 学习设计系统的具体知识, 针对某种输入信号, 设计系统, 将它转换为满足实际需求的其他信号 (2) 研究某个系统的性质, 对于输入该系统的某种信号, 估计和预测通过此系统后输出信号的的特点和性质 45

46 总结 (1) 定义 : 信息 -- 某种东西, 我们拥有了它之后, 对某个事情的不确定度降低 信号 -- 表达 传递信息的符号 ( 随时间变化的物理量 ) 系统 某种装置, 某信号输入此装置后, 此装置输出另外的信号 (2) 信号与系统课程为什么对我们专业很重要 我们专业所有事情, 都可以表示为 这一过程 产生信号 -> 设计系统 -> 输出新的信号 (3) 信号与系统课程学习的主要内容 : 内容一 : 研究如何产生成本低 简洁 传输速度快 传输可靠的信号, 这样的信号有什么特点和性质 内容二 : 学习设计系统的知识, 学习预测系统性质的具体知识 46

47 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 47

48 1.2 基本的连续时间信号 前面指出, 信号是一个或几个变量的函数, 在本课程中这个变量指的是时间, 因此信号可以用数学表达式或波形来描述 将要介绍几种在信号与系统分析中用得较多的基本信号, 它们不仅经常会出现, 更重要的是用这些基本信号可以构成许多其他的信号 48

49 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 连续时间复指数信号具有下列形式 : 式中 C 和 s 一般为复数 : x( ) s Ce s j 根据这些参数值的不同, 复指数信号可分为以下几种 : 1. 实指数信号 2. 周期复指数信号和正弦信号 3. 一般复指数信号 49

50 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 1. 实指数信号连续时间实指数信号 :C 和 s 均为实数 如 s 为正实数, 即 0, s, s 那 x( ) Ce 随 的增加而指数增长 ; 如 s 为负实数, 则 x( ) Ce 随 而指数衰减 ; 当 0时, x() C成为直流信号 50

51 Malab 演示 0.6 例 1-1 用 Malab 画出 x ( ) e u( ) 的波形 : 解 : A 1; a -0.6; 0:0.01 :10; x1 A*exp(a *); plo(,x1); axis([0,10,0,1]); ile (' 指数信号 '); xlabel( ' '); ylabel('x1()' ); 1 图 1.15 指数信号 ( 例 1-1 图 ) 51

52 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 2. 周期复指数信号和正弦信号当 0时, s j 为纯虚数时 : 0 x( ) e j 这个信号的一个重要性质是 : 它是周期信号 若要满足 : x( ) x( T) 即 : 从而有 : e e ) e e j ( ) j ( T j j T j e 0T 1 52

53 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 T 使上式成立的最小正值称为基波周期, 它等于 T 0 T 其中, 0 为角频率, f0 为频率, f 的单位是赫兹 T 0 0 ( Hz, 周期数 / 秒 ) 53

54 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 正弦信号和余弦信号仅在相位上相差 正弦信号, 常统称为 2 欧拉公式 : 1 sin 0 2 j 1 e j 0 cos e j 0 2 j0 j e e 0 0 j0 e =cos + jsin 0 0 可见都是由周期复指数信号构成 54

55 连续时间复指数信号与正弦信号一个具有初始相位的正弦信号 : 一般 ) cos( ) ( 0 A x 0 2 f 0 ) ( 0 0 Im ) sin( j e A A ) ( e Re 2 2 ) cos( j j j j j A e e A e e A A

56 Malab 演示 例 1-2 用 Malab 画出正弦信号 cos( 2 / 6) 的波形 : 解 : A 1; w0 2*pi; phi pi/6; 0:0.001 :8; x2 cos(w0* phi); plo(,x2); axis([0,8, -1,1]); ile(' 正弦信号 '); xlabel( ' '); ylabel('x2()' ); 图 1.16 正弦信号波形 ( 例 1-2 图 ) 56

57 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 谐波关系的复指数信号的集合 0 一组频率是某一正频率的整倍数的周期复指数信号, 即 : k k jk e k 0, 1, 2, 0 ( ) () 是周期的, 其谐波的频率为 k 0, 谐波周期为 : 2 T0 k 0 k 这个函数集中的各个信号具有共同的基波周期谐波相关信号 T 0, 它们是 57

58 1.2.1 连续时间复指数信号与正弦信号 3. 一般复指数信号 s 当 x( ) Ce, 将 C 用极坐标表示,s 用直角坐标表示, 分别有 : s j 0 C c e j Ce s c e e j ) ( 0 c e cos( ) j c e sin( 0 0 ) 在信号分析理论中, 复指数信号是一个非常重要的基本信号 58

59 例子 : 一般复指数信号 图 1.14 振幅呈指数增长或数衰减的数衰减的的正弦信号 59

60 1.2.2 奇异信号 在信号与系统分析中, 经常用到一些函数其本身有不连续点或导数与积分有不连续的情况, 这类函数统称为奇异函数 这一类信号包括 : 一 连续时间单位阶跃信号 二 冲激信号 三 冲激偶信号 60

61 1.2.2 奇异信号 1. 单位阶跃信号 单位阶跃信号的记作 u(), 其定义为 : 0 0 u( ) 1 0 在跳变点 0处无定义 图 1.17 单位阶跃信号 61

62 1.2.2 奇异信号 单位阶跃信号的物理意义 : 在 0时刻, 对某一电路接入单位电源, 无限持续下去 图 1.18 单位阶跃信号的物理意义 62

63 1.2.2 奇异信号 延迟的单位阶跃信号, 其表示式为 : u( 0 ) 图 1.18 延迟的单位阶跃信号 63

64 1.2.2 奇异信号 利用单位阶跃信号表示矩形脉冲 矩形脉冲定义为 : G( ) u( ) u( 0) 它可以用阶跃信号与延迟的阶跃信号之差表示 图 1-21 矩形脉冲 64

65 1.2.2 奇异信号 例 1-3 用 Malab 画出信号的波形 : 解 : 0:0.001 : 4; x recpuls(- 2,2); plo(,x); axis([0,4, -0.2,1.2]) ; ile(' 矩形信号 '); xlabel(' '); ylabel('x()' ); x u( 1) u( 3) 图 1.22 矩形脉冲信号 ( 例 1-3 图 ) 65

66 奇异信号利用单位阶跃信号表示符号函数 符号函数定义为 : 可以表示为 : ) sgn( 1 ) ( 2 ) ( ) ( ) ( sgn u u u 图 1.23 符号函数 sgn()

67 QQ 群 :

68 1.2.2 奇异信号 2. 冲激信号 用于表示一种物理现象 : 发生的时间极短, 而物理量取值又极大, 如雷电, 冲击力, 电容经小电阻充电等 冲激信号的定义一 : 狄拉克的定义如下 : ( ) d 1 - ( )=0, 0 () 冲激信号

69 1.2.2 奇异信号冲激信号的定义二 : 定义为 u() 的导数 : 显然, 该函数只在 =0 处为非零值, 其它各处都为零 ; u() 和 δ() 互为微分和积分 ; u( ) ( ) d ( ) d 1 69

70 1.2.2 奇异信号冲激信号的定义二 : 用 u ( ) 和 ( ) 替代 u( ) 和 ( ) g u u d 70

71 1.2.2 奇异信号 Limi 0 0 u limu * : 71

72 1.2.2 奇异信号 u( ) lim u 0 ( ) du ( ) ( ) d ( ) lim 0 ( ) du d 72

73 1.2.2 奇异信号 lim 0 ( ) d 1 lim 73

74 1.2.2 奇异信号 冲激信号的定义三 : 对于任意的函数 f(), 都满足公式 f ( ) ( ) d f (0) 性质的函数也被称为冲激函数 f ( ) ( 0) d f ( 0) () 1 冲激信号 0 74

75 1.2.2 奇异信号 冲激信号的性质一 : 面积为 1 狄拉克对冲激信号的定义方法 : ( ) d ( ) 0, 1 0 而 ()d 正是 () 信号的面积, 其值为 1 75

76 1.2.2 奇异信号 冲激信号的性质二 : 筛选性 冲激信号严格的定义式要利用广义函数或分配函数的理论给出, 按照这种理论, 其定义为 : x( ) ( ) d x(0) 其中, x() 是在 0处连续的函数 这个定义给出了 () 的筛选性质 同样可得 : x( ) ( 0) d x( 0) 另外, x( ) ( ) x(0) ( ) x( ) ( 0) x( 0) ( 0) 76

77 1.2.2 奇异信号 冲激信号的性质三 : 偶函数 冲激信号是偶函数, 即 证明 : 令, 则 : ( ) x( ) d ( ) ( ) x(0) ( ) x( ) d( ) ( ) x(0) d x() 0 其中, 在处连续 77

78 1.2.2 奇异信号 3. 冲激偶信号冲激函数 () 的微分称为冲激偶信号, 以 ' ( ) 表示 ' ( ) (a) (b) (c) 图 1.29 冲激偶信号 78

79 1.2.2 奇异信号 冲激偶信号两个重要性质 x () 为导数 1 '( ) x( ) d x'(0) x () 在 0点连续, x(0) 为 x( ) 在零点的取值 2 '( ) d 0 79

80 1.2.3 其它连续时间信号 抽样函数定义为 : sin Sa( ) or sin c( ) 偶函数 sin 抽样函数的性质 : 0 Sa( ) d 2 Sa( ) d 图 1.31 Sa() 波形 80

81 1.2.3 其它连续时间信号 sin( ) 例 1-4 用 Malab 画出 Sa( ) 信号的波形 : 解 : -3*pi: pi/100 : 3*pi; x sinc(/pi); plo(,x); axis([-3 *pi,3*pi,-0.5,1. 2]); ile(' 抽样信号 '); xlabel(' '); ylabel('x()' ); 图 1-32 抽样信号 ( 例 1-4 图 ) 81

82 1.2.3 其它连续时间信号 高斯函数又称作钟形脉冲信号, 其定义式为 : x ( ( ) Ee 2 ) 图 1.33 钟形脉冲信号 82

83 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 83

84 1.3.1 单位冲激序列和单位阶跃序列 一 单位冲激序列 [n] [ n] 0 1 n n 0 0 图 1.34 离散单位脉冲序列 84

85 Malab 演示 例 1-5 画出 [n] 在 -5 n 5 区间的波形 解 : n [-5 :5]; dela [n sem(n,dela,'filled',' k' ); ile(' 单位脉冲序列 '); xlabel(' n'); 0]; ylabel('dela(n)') 图 1.35 单位脉冲序列波形 ( 例 1-5 图 ) 85

86 1.3.1 单位冲激序列和单位阶跃序列 二 单位阶跃序列 u[n] u[ n] 0 1 n n 0 0 图 1.36 u[n] 信号 86

87 Malab 演示 例 1-6 画出 u[n] 在 -1 n 6 区间的波形解 : n [-3:6]; un [n 0]; sem(n,un,'filled','k'); ile('u[n] 序列 '); lxlabel('n'); ylabel('u(n)'); laxis([-3,6,0,1]); 图 1.37 单位阶跃序列波形 ( 例 1-6 图 ) 87

88 1.3.1 单位冲激序列和单位阶跃序列 从它们的定义式可以很容易得出以下的公式 : u[ n] [ n k] [ k] x[ n] [ n] x[0] [ n] x[ n] [ n n0 ] x[ n0 ] [ n n0 ] k0 [ n] u[ n] u[ n 1] n k 88

89 1.3.1 单位冲激序列和单位阶跃序列 三 矩形序列 矩形序列 G N [n] 定义为 : G N [ n] n N n N 1 它还可以用阶跃序列表示为 : G N [ n] u[ n] u[ n N] 图 1.38 矩形序列 89

90 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 离散时间复指数序列的一般形式为 : 令 a x[ n] e ca 根据 C和 a 的取值不同可以分为以下几类 : 一 实指数序列二 纯虚数指数序列三 一般复指数序列 n 90

91 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 1. 实指数序列如果 C 和 a 均为实数, 信号为实指数序列 随 a 的变化, 信号有几种不同的特性 如 a 1, 序列值随 n 指数增长 ; a 1, 则随 n 指数衰减 n 如 a 为正, 则 Ca 所有值都具有相同符号 ; 而当 a 为负时, 则 x[n] 的值符号交替变化 91

92 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 图 1.41 实指数序列 92

93 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 2. 纯虚数指数序列 若 为纯虚数, 且 由欧拉公式可知 : a 1 时, 得到纯虚数指数序列 0 x[ n] e j n x 0 正弦序列可用复指数序列表示 : [ n] cos0n jsin n Acos( n 0 ) A e 2 A 2 j ( n0 ) j ( n0 e ) ARe e j ( n ) 0 93

94 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 复指数序列的周期性 n 周期性要求 : 为一有理数时, 2 0 j n e 0 才是周期信号 94

95 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 0 的周期性 : 周期为 2 95

96 离散时间复指数信号与正弦信号 复指数序列集 : 成谐波关系的信号集 由于所以谐波信号集中只有 N 个谐波信号是互不相关的 2, 1, 0,, ] [ ) / (2 k e n n N jk k ] [ ] [ 2 ) 2 ( 2 ) ( n e e e n k n j n N jk n N N k j N k

97 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 3. 一般复指数序列 C,a 均为复数 a a e j 0, C C e j j n j0n x[ n] C e a e C a n j( 0 ) e n C a cos( ) j C a sin( ) n

98 1.3.2 离散时间复指数信号与正弦信号 图 1.44 衰减的正弦序列和增长的正弦序列 98

99 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 99

100 1.4 信号的运算与自变量变换 1. 信号的平移 : 信号的时移对应的实际应用可以是信号 的延时, 如闪电与雷声之间的延时 连续时间信号设 0 0, 则 x( 0) 是把 x() 沿 轴正方向平移 0 ; x( 0) 是把 x() 沿 轴负方向平移 0 I 100

101 1.4 信号的运算与自变量变换 离散信号 设为正整数, n 0 x[ n n0] 则是将 x[n] 沿 n 轴正方向平移 n 0 个序号 x[ n n0] x[n] n n 0 是将沿轴负方向平移个序号 101

102 1.4 信号的运算与自变量变换 2. 信号的反褶 : 如果 x() 是代表一盘录制的声音磁带的话, 那么 x(-) 就代表同样一盘磁盘倒过来放的结果 连续时间信号 :x(-) 是 x() 以纵轴 (=0 为轴 ) 的反褶 离散信号 :x[-n] 是将 x[n] 以 n=0 为轴反褶后得到的 102

103 连续时间信号的反褶 x( ) x() 图 1.52 连续信号的反褶 103

104 离散信号的反褶 x[ n] x[n] 104

105 连续时间信号的平移 图 1.50 连续时间信号的平移 105

106 1.4 信号的运算与自变量变换 3. 信号的尺度变换 : 自变量由 变为 a, a 为任意实数 a>1, 则 x(a) 是将 x() 在时间轴线性压缩 a 倍 a<1, 则 x(a) 是将 x() 在时间轴线性展宽 1/a 倍 1 试证明 : ( a) ( ) a 106

107 107 Malab 演示 例 1-11 使用 Malab 程序画出以下信号的波形然后画出的波形 8 0, 8 4, , , , ) ( x 3 ) ( (3 ), 1), ( x x x

108 Malab 演示 解 : 首先为画图选择一个合适的 的范围和时间之间的间隔, 使产生的曲线能接近实际的函数 选择时间范围是 -5<<20, 两点的间隔为 0.1, 先创建一个 Malab 程序 (es.m 文件 ) 来定义函数 x() 在画函数变换后的图形时, 只要调用这 m 文件就可以了 程序如下 : funcion y x() % 计算每个 范围的函数 y1-4-2*; y2-4 3* ; y3 16-2*; % 将各个函数根据他们各区间结合起来 y y1.*(-2 & 0) y2.*(0 & 4) y3.*(4 & 8);

109 Malab 演示 % 程序 : 调用程序 es.m, 画 x() 函数及 x( 1),x(3),x(-3) 的波形 min -4;max 10;d 0.1 x min:d:max; y(); x1 y( 1); x2 y(3*); x3 y(-3*); subplo(4,1,1), plo(,x);ylabel('x()');grid on; subplo(4,1,2),plo(,x1);ylabel('x( 1)');grid on; subplo(4,1,3),plo(,x2);ylabel('x(3*)');grid on; subplo(4,1,4),plo(,x3);ylabel('x(-3*)');xlabel('');grid on;

110 Malab 演示 图 1.56 变换函数的波形 ( 例 1-11 图 ) 110

111 1.4 信号的运算与自变量变换 离散时间序列自变量变换 : 1. 抽取 : x1[ n] x[ Nn] (N 为正整数 ) 2. 内扦 : x2[ n] x[ n / 0 N] n为 N的整倍数其它 N 111

112 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 112

113 1.5.1 系统的模型 对于一个给定的系统, 实际上可以建立数学模型, 通常用方程进行描述 描述方法 : 一 连续时间系统 : 微分方程来描述 二 离散时间线性时不变系统 : 差分方程来描述 113

114 1.5.2 系统的互联 并联 反馈结构 串联或级联 114

115 1.0 引言 1.1 信号与系统的基本概念 1.2 基本的连续时间信号 1.3 基本的离散时间信号 1.4 信号的运算与自变量变换 1.5 系统的描述 1.6 系统的基本性质 115

116 线性系统和非线性系统 线性系统 ( 连续时间或离散时间 ) 的叠加性和齐次性 : 是线性系统? 另一个重要性质 : 零输入零输出特性 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), ( ) ( by ay bx ax y x y x ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ], [ ] [ n by n ay n bx n ax n y n x n y n x y() () x

117 1.6.2 时变系统和时不变系统 系统的时不变性是指系统的行为特性不随时间而变化, 即输入输出特性并不输入的时间而变化的特性 数学上可描述为 : x[ n] y[ n] x[ n n0 ] y[ n n0 ] x( ) y( ) x ) y( ) ( 0 0 y[n] n x[n] 是时不变系统? 117

118 1.6.3 增量线性系统 增量线性系统满足差的线性, 即其响应地输入的变化是线性的, 也就是说增量线性系统对任何两个输入信号的响应之差与这两个信号之差成线性关系 图 1.60 增量线性系统 118

119 1.6.4 记忆系统与无记忆系统 一般来说, 在一个系统中记忆的概念相当于该系统具有保留或存储不是当前时刻输入信息的功能 如果一个系统的输出仅仅决定于该时刻的输入, 则该系统称为无记忆系统 如 : y[ n] 3x[ n] 2x 2 [ n] 反之即为记忆系统 如 : y[ n] x[ n1] 119

120 1.6.5 因果性与因果系统 如果一个系统在任何时刻的输出只决定于现在以及过去的输入, 而与系统以后的输入无关, 就称该系统为因果系统 非因果性就意味着系统不可实现性 n y[n] x[k] x[n] y[n1] k N 1 y[n] x[ n k] 2N 1 kn 判断因果性 120

121 1.6.6 可逆性与可逆系统 可逆性 : 不同的输入下有不同的输出 不可逆性 : 如果一个系统分别对两个或两个以上不同的输 入, 能产生相同的输出 逆系统 : 如一个系统可逆, 就有一个逆系统, 当该逆系统与原系统级联合, 构成一个恒等系统 x() x[n] 系统 y() y[n] 逆系统 z()=x() z[n]=x[n] 累加器 图 1.61 原系统与逆系统级联 差分器 y[n] y[n 1] x[n] [n] y[n] y[n 1] 121

122 1.6.7 系统的稳定性 稳定性 : 输入是有界的 ( 即输入的幅度不是无限增长的 ), 则系统的输出也必须是有界 不稳定性 : 如一个系统对有界输入产生的响应是无界的 例 : N 1 y[n] x[ n k] 2N 1 y() x( ) d kn 稳定性? 122

123 不稳定系统的灾难 123

124 系统属性判别总结 线性系统 : 每一项都有 x, 且每一项 x 都为一次项 对时间常数 无要求 例如 : y() x();y() x(2 3);y() x(^ 2 2) 这些都是线性系统 x () 而 y() e y( ) x( 3) 1 不是线性系统 时不变系统 : 只出现在 x( ) 的括号中, 而且只能出现, 不能出现 2,^2 等项 x () 例 y() e y( ) x( 2) x( 1) y( ) sin[ x( )] : 属于时不变系统, y( ) x( ) 3 而变系统 y( ) x( ) y( ) x(2 ) 不是时不 124

125 小结 本章主要引入了信号与系统相关的基础概念, 分别对几类常见的连续时间信号及离散时间信号的性质进行了讲解, 并对信号的组合运算及自变量变换进行了讨论 另外还涉及了系统的基本性质 125

126 作业 : 第一章 1.2(a)(c),1.7(1)(3)(4) 试用 Malab 验证, 1.9, 1.10, 1.12, 1.14,1.16,1.20(3),1.23,1.28. 信号与系统 课件共享群 : 群名称 : 信号与系统 2018 群号 :

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