3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

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1 第三章 连续时间信号与系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

2 3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

3 3. 引言 傅里叶的生平和主要贡献 傅里叶 :768 年 3 月 日生于欧塞尔,83 年 5 月 6 日卒于巴黎 9 岁父母双亡, 被当地教堂收养 岁由一主教送入地方军事学校读书 7 岁 785 回乡教数学,794 到巴黎, 成为高等师范学校的首批学员, 次年到巴黎综合工科学校执教 798 年随拿破仑远征埃及时任军中文书和埃及研究院秘书,8 年回国后任伊泽尔省地方长官 87 年当选为科学院院士, 8 年任该院终身秘书, 后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席 主要贡献 :87 年向巴黎科学院呈交 热的传播 论文, 推导出著名的热传导方程, 并在求解该方程时发现解函数可以由三角函数构成的级数形式表示, 从而提出任一函数都可以展成三角函数的无穷级数 傅里叶级数 傅里叶分析等理论均由此创始 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

4 3. 引言 解热传导方程 傅里叶级数导引 傅里叶认为, 如果可以写成如下形式 : 或 那么热传导方程的解为 : f x B B cos x B cos x... C si x C si x... f x B B cos x C si x 信号与系统 第三讲 郝然 4

5 3. 引言 f x B B cos x C si x 需要解决的问题 :. 给定一个, 对于任意的 f x, 如何求上式中的 B C N? B. 何时 fx 可以表述为上式的展开 等号何时成立? 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

6 3. 引言 傅里叶变换的物理意义 : 自然界的大多数信号源, 本质上是遵循正弦和余弦的运动, 小的如分子之间的引力振动, 大的如弹簧 钟摆的振动, 甚至星球之间的引力振动, 只要作用力遵循平方反比定律, 那么其运动轨迹就是正弦和余弦 所以, 把大多数信号源看做无数正弦和余弦函数的叠加, 是合理的假设 那么, 傅里叶变换的物理意义就更加明显 将信号分解为正弦和余弦, 对于推断信号的产生机制, 无疑有着重大作用 有时间可适当展开 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

7 3. 引言 傅里叶变换的数学内涵 略讲 :. 傅里叶是第一个将一个函数写成一族函数的线性组合的人, 我们把一个函数写成一族函数的线性组合的过程叫做函数的线性变换 线性变换的思想, 深远的影响了信号处理领域的发展 当我们学习了拉氏变换 Z 变换 小波变换等内容后, 对线性变换的理解会更深入. 傅里叶变换的数学严格性 : 函数在什么情况下能表示为常数 正弦和余弦函数的线性组合? 狄里赫利的三个条件 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

8 3. 引言 复指数信号作为一类基本信号来表示一般任意信号, 建立变换域分析法 提供了一种非常方便的信号和 LI 系统的分析方法 : 傅里叶分析或频域分析法 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

9 3. 引言 信号的正交分解 线性系统分析方法, 是将复杂信号分解为简单信号之和 或积分, 通过系统对简单信号的响应求解系统对复杂信号的响应 在时域中, 近代时域法将信号分解为冲激信号的积分, 根据系统的冲激响应通过卷积计算出系统对信号的响应 而在频域法中, 我们将信号分解为一系列正弦函数的和 或积分, 通过系统对正弦信号的响应求解系统对信号的响应 频域在工程中也有很重要的意义 很多信号的特性与频域都有很重要的关系 研究频域可以得到很多具有实用价值的结论 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

10 如上章所述, 通过信号分解的方法求解响应要研究下面几个问题 :. 如何将任意信号分解为一系列正弦信号之和 或积分. 如何求系统对各个正弦子信号的响应, 这个内 容在电路分析课程中已经有详细介绍 ; 3. 如何将各子信号的响应相叠加, 从而合成系统 对激励信号的响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

11 本章将要研究的就是如何对连续时间 信号进行分解和合成 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

12 信号在正交函数集中的分解 为了形象地说明信号的分解, 首先我们讨论矢量的分解 一 矢量的分解. 矢量的定义. 矢量运算 : 加, 标量乘法, 矢量乘法 3. 矢量的分解 : 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

13 矢量的单矢量基的分解 : c A 可能小 A c A 近似矢量 A 误差尽 从几何或者解析角度, 都可以得到使误差最小的系数为 : c AA A A 其中的 c 称为矢量 A 和 A 的相似系数 如果 c 或 A 交 A, 则表明 A 和 A 相垂直 又称为正 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

14 矢量的多矢量基分解 : 将矢量表示成为一系列标准矢量 基 的线性组合 : A c A ca... c A cia i i 显然, 如果知道了标准矢量 可以确定任意矢量 A i 和相应的系数 c i, 就 如何确定最佳的系数 c i? 情况比较复杂, 对于特定 的 i 而言, c i 不仅与特定的 矢量也有关系 A i 有关, 与其它的标准 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

15 但是如果矢量 A i 两两正交, 可以证明 : c i AiA A A i i 4 标准矢量基的几个限制条件: 归一化 : 标准矢量的模等于 方便计算 正交化 : 标准矢量两两正交 3 完备性 : 可以不失真地组合出任意矢量 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

16 二 信号的分解与矢量分解相似, 我们也可以推导出信号分解 单个标准信号下的分解: 在时间区间, 内, 用 c f 近似任意函数 f, 并使误差进可 能小 如何衡量函数误差的大小? 可以采用方均误差 : d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

17 最佳系数 : c 的相似系数 f f f f d d 也称为函数 f 和 f 如果 c 或 f f d, 则称 f 和 f 正交 3 如果 f 和 f 是复函数, 则其方均误差为 : * d d 最佳系数为 : c f f f f * * d d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

18 8 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 多个标准信号下的分解 : 将信号表示为多个标准信号的线性组合 : i i i f c f c f c f c f... 这里的 i c 同样难以确定 但是如果标准函数 f i 之间两两正交, 则可以证明 : * * i i i i d f f d f f c

19 对标准信号集的要求 : 归一化 : f i fi d 正交化 : i f d * * f, i 3 完备性 : 可以用其线性组合表示任意信号 完备正交函数集一般都包含无穷多个函数, 例如 : 三角函数集, 沃尔什函数集等 但在实际应用中不可能用无穷多个, 只可能用有限个函数, 只能近似表示任意函数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

20 7/4/ 附 : 矢量与函数的运算与分解比较 : 加法 标乘 乘法 矢量 A A 函数 A f f c c f A A A A 正交 A cos 信号与系统 第三讲 郝然 f f * d A * f f d 归一 A * f f d 误差 误差代价函数系数 A A f f d c A A A A c f f f f * * d d

21 3-3 信号表示为傅利叶级数 傅利叶级数是最常用的一种正交函数集 它 在工程中有很广泛的用途 一 三角函数形式的傅利叶级数这种正交函数集为 :,cos,si,cos,si,...,cos,si,.. 其中 : 7/4/ 或将正交函数集表示为 : cos,si,,,... 信号与系统 第三讲 郝然

22 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 可以证明该函数集满足 : 正交性 : 函数集中的函数两两相正交 si cos d m m d m d m si si cos cos 当 时 : si cos d d d

23 可以将任意函数 f 在这个正交函数集中展开 表示成该正交函数集函数的线性组合 : f b a a si cos b a si cos... b... a si cos a a cos b si 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

24 4 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 其中的系数可以根据前面的结果计算出 : cos cos cos d f d f d d f a si si si d f d d f b 形式一 :

25 5 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 其中 a 的表达不太方便 为了方便表达, 将分解式改写 : si cos b a a f 则系数为 : cos d f a si d f b 所以, 信号可以表示成为直流信号和一系列正弦信号之和

26 傅里叶展开式形式二 : 另外一种分解方式 : 令 : A a b, b arca a, 则上面的分解式可以表达成 : f a A cos 7/4/ 它可以看成是下列正交信号集 : cos,,,... 的平移后的线性组合 在上面的系数中, a 和 A 是 的偶函数 ; b 和 是 的奇函数 ; 如果 f 是实数信号 信号与系统 第三讲 郝然 6

27 上面的分解等式的左右两边的函数是否相等, 没有误差? 或者, 是否随着 趋向于无穷大, 等式右边的函数收敛于左边的函数? Dirchl 证明, 只要满足下面三个条件, 等式就收敛 : f 绝对可积, 即 : f d f 在区间内有有限个间断点 ; 3f 在区间内有有限个极值点 实际信号大都满足这个条件 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

28 等式右边是多个周期为 的函数的和, 它仍然是周期为 的函数 这种分解可以用在两个场合 : 研究函数在, 区间内的分解 研究周期为 的函数在整个时间区间内的分解 本课程中研究的是 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

29 如果 f 周期为 的函数, 为了方便讨论, 一般 函数的主值区间取, 在函数的分解中 : a 称为信号的直流分量 ; a cos a si 或 A cos 称为信 号的基波分量 ; a cos si 或 A cos a 称 为信号的 次谐波分量 ; 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

30 傅里叶展开式形式三 : 复指数形式的傅利叶级数另一种常用的级数展开式是从复指数正交函数集将函数展开为 : f c 7/4/ 其中使用的正交函数集为复指数函数 :,, 或者记为 :,,..., 3 I,... 根据前面的公式, 可以得到其中的系数为 : c * f d f * d 信号与系统 第三讲 郝然 d 3

31 3 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 复指数形式的傅利叶级数的另外一种推导方法是从三角函数函数形式的傅利叶级数入手 : cos A A a A a A a f 令 : A A,, 可以得到 : A A a f

32 , A a 令 : f A A A 通过上式也可以看出, 函数可以分解为一系列的线性组合, 其中的系数为 : A A a b cos si 而 : b arca a > a b a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

33 33 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ cos b a a, si b a b si cos si cos d f d f d f d f b a A

34 两种推导过程得到的答案应该相同 对比两个系数计 算公式, 可以得到 : c A A a b 例如 : 根据前面推导的方波的傅里叶级数的计算 结果, 很容易得到复指数情况下的傅里叶级数为 : c b 当 为奇数 当 为偶数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 34

35 I 表示一种复正弦信号 其中 可 以为正, 也可以为负, 这时就会出现频率 小于零的负频率 这在物理上并没有意义, 只是在数学上可以带来方便 复指数形式的傅利叶级数虽然在物理上难于理解, 但是它计算简单, 在数学上可以带来很多方便之处, 所以应用广泛 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 35

36 函数的奇偶性对于傅里叶级数的系数有一定的影响 掌握这些性质有利于傅里叶级数系数的计算 如果函数是偶函数, 则其傅利叶级数中只有直流和余弦分量 或 : 偶函数之和仍然是偶函数 如果函数是奇函数, 则其傅利叶级数中只有正弦分量 或 : 奇函数之和仍然是奇函数 任意的函数都可以分解为一个奇函数和一个偶函数的和 这一点可以从傅利叶级数展开式中看到, 也可以从下面的分解得到 : f f f o f f f f 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 36

37 奇谐函数的傅利叶级数中只有奇次谐波分量 奇谐函数的定义 : 满足 f f 的 周期为 的函数 ; 偶谐函数的傅利叶级数中只有直流和偶次谐 波分量 偶谐函数的定义 : 满足 f f 的周 期为 的函数 ; 偶谐函数实际上是周期为 的函数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 37

38 3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 38

39 3.. 连续时间傅里叶级数 如果某一连续时间信号 x 是周期的, 则存在着一个非零的正实数, 对任何 都满足 x x 式中 的最小值 称为该信号的基波周期, 称为该信号的基波频率 / 成谐波关系的复指数信号的集合为 是 中每个信号的周期, 它们的基波频率都是的整数倍 对应的三角函数形式的谐波信号集 :,,,,... {cos,si },,,,... 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 39

40 3.. 连续时间傅里叶级数 一个基波频率为 的周期信号, 可以表示成与其成谐波关系的复指数信号的线性组合, 即 其中 a 称为傅里叶级数系数 傅里叶级数的复指数形式为 三角函数形式为 x x a x B B x a cos B C cos si C si 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

41 4 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 两种表达式中系数的相互推算 si cos si cos si cos si cos si cos si cos si cos a a a a a a a a a a a a x 3.. 连续时间傅里叶级数

42 4 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/,, a a C a a B a B 显然, 从上式中, 我们也可以反推到用和来表示的关系 a B C C B a C B a B a 3.. 连续时间傅里叶级数

43 3.. 连续时间傅里叶级数 系数 a 的确定 : x a 将上式两边从 到 对积分, 有 / x d a x d a d d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 43

44 44 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 当时, 有 d 当时, 有 d d 3.. 连续时间傅里叶级数

45 3.. 连续时间傅里叶级数 于是有, d, 因此, 有 x d a 或者 a a x 的计算公式可表示为 a d x d 其中表示在任何一个间隔内的积分 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 45

46 3.. 连续时间傅里叶级数 连续时间信号的傅里叶级数 : 其中系数往往又称为 x 的频谱系数, 它对信号 x 中 a 的每一个谐波分量的大小和初始相位作出度量 系数 x x a x 是中的直流或常数分量, 也称为平均分量 : a x d a, d a 就 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 46

47 47 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 通常周期信号与其频谱系数间关系用以下符号形式表示 : s a x F 三角函数形式的傅里叶级数可定义为 : d /, si c cos b a si cos d x C d x B d x B C B B x 3.. 连续时间傅里叶级数

48 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开. 正弦信号 x si a si 可得频谱系数 a a a a, 图 3- si 信号傅里叶级数系数的幅度和相位 48

49 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开. 周期方波信号, 在一个周期内该信号定义为 : x, 基波频率为 / x / / 图 3- 周期方波 49

50 5 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ = 时, 有 / / d d x a 时, 有 / / d d x a 或重写为 a si 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开. 周期方波信号

51 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开. 周期方波信号 注意, 即, 上式可写为 a si Sa Sa 周期方波的傅里叶级数的系数是的规律收敛 衰减, 且 lim a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

52 频谱图 周期性信号的频谱 周期性函数可以在傅利叶级数中展开 如果给定了各个频率分量的幅度和相位, 就可以确定信号 频谱是信号的一种图形表示方法, 它将信号各个频率分量上的系数关系用图形的方法表示出来 它可以说明信号的特性, 而且可以给信号的变换和处理计算带来很多方便之处 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

53 频谱图 频谱图有两个组成部分 : 振幅频谱 : 表示信号含有的各个频率分量的幅度 其横坐标为频率, 纵坐标各个对应频率分量的幅度 相位频谱 : 表示信号含有的各个频率分量的相位 其横坐标为频率, 纵坐标各个对应频率分量的相位 频谱图有两种形式 : 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 53

54 频谱图 如果用正弦函数展开式形式的傅里叶级数, 则相 应的表达式为 : a f A cos 的傅里叶 级数表达式, 则振幅频谱为 : A a b 相位频谱为 : b arca a 按照这种定义做出的频谱, 因为只有 或 有意义, 做出的图只有 时才 的一边, 所以又被称为单边频谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 54

55 周期性方波信号的单边频谱 x / / / a cos / cos x d d si si Sa Sa b = A Sa arca, x, 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 55

56 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 56

57 频谱图 例 : 周期性方波的单边频谱 f a b, 4 当 为奇数 当 为偶数 所以 : 4 当 为奇数 A a b 当 为偶数 b 当 为奇数 arca a 当 为偶数 由此可以作出其频谱图 按三角函数展开 =,,3 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 57

58 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 58

59 如果用复数正弦函数展开式形式的傅里叶级数, 则相应的表达式为 : c 的傅里叶级数表达 f 式, 则振幅为 c, 相位频谱为 : ag c 按照这种定义做出的频谱在 大于和小于 零的两边都有意义, 做出的图又被称为双边 频谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 59

60 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开, x. 周期方波信号, 固定, 取不同值时的周期方波傅里叶级数系数 a = /4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

61 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开. 周期方波信号 固定, 取不同值时的周期方波傅里叶级数系数 a.5..5 = /4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

62 3.. 典型周期信号的傅里叶级数展开. 周期方波信号 固定, 取不同值时的周期方波傅里叶级数系数 a.4.. = /4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

63 周期性信号的频谱有下面三个特点 :. 离散性 : 它有不连续的线条组成 ;. 谐波性 : 线条只出现在基波频率的整数倍点上 ; 3. 收敛性 : 实际信号的幅频特性总是随频率趋向无穷大而趋向于零 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 63

64 根据周期性方波的频谱, 我们可以得到关于信号特性的几个一般性结论 : 增加 >Sa 函数不变 > 频谱的包络不变, 收敛性不变 但是 : 谱线幅度降低 ; 谱线密度加大 信号周期加大, 对振幅的收敛性没有影响, 但会使谱线密度增加 当 趋向无穷大时, 信号成为非周期信号, 这时, 谱线幅度降低为无穷小, 谱线密度加大, 信号分量出现在所有频率上 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 64

65 下降 >Sa 尺度扩大 > 收敛性变差, 但是谱线间隔不变 信号时间宽度变小, 将使信号能量向高频扩散, 信号的频带增加 3 信号的边沿对信号频带的影响 信号的边沿变化越快, 信号的频带越宽 例 : 三角脉冲函数的频谱 : A Sa 4 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 65

66 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛 傅里叶级数与原周期信号的等效 用下列有限项级数来近似 x x N N a N, 令 N 为近似误差 x x x a N N 用一个周期内的误差能量 E N 度量近似程度 E N N N d N 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 66

67 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛 可以证明, 使 E N 最小的系数 a 的取值为 并有 a lim E N N x d 傅里叶级数是在 E N 的意义上, 为其所对应的原周期信号的最佳表示 两者没有任何能量上的差别, 但并不能保证它们在每个时刻上一定处处相等 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 67

68 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛 两类稍微有些不同的收敛条件. 根据信号功率. 狄里赫利收敛条件 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 68

69 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛. 根据功率的收敛条件 可以用傅里叶级数来表示周期内能量有限的信号, 即 x 的一类周期信号是在一个 x d 该收敛条件仅保证求得 a 是有限值 满足使 lim E x N N 与它的傅里叶级数两者没有任何能量上的差别 ; 但不能保证它们在每一个 值上都相等 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 69

70 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛. 狄里赫利收敛条件 条件 : 在任何周期内, x 必须绝对可积, 即 x d 这一条件保证了每一系数 a 都是有限值 不满足狄里赫利第一条件的周期信号可以举例如下 : x,, 周期 = 7

71 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛. 狄里赫利收敛条件 条件 : 在任意单个周期间隔内, x 的最大值和最小值的数目有限 满足条件 而不满足条件 的一个函数是 x si,, 周期 = 该函数满足 x d 然而, 它在一个周期内有无限多的最大点和最小点 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

72 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛. 狄里赫利收敛条件 条件 3: 在 x 的任何有限区间内, 只有有限个不连续点, 而且在这些不连续点上, 函数是有限值 不满足条件的信号 : 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

73 吉布斯现象 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛 x N N a N, 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 73

74 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛 收敛的含义与吉布斯现象 处处收敛 :, lim x x N 均方收敛 : lim x x d 考察图示的周期方波信号 x N N N 74

75 x a a 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛 a a 3 N 4, si a 3 有限项 FS: x a N N a 5 5 si x x cos 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 75

76 76 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ x 3 cos 3 cos 3 x 5 cos 5 3 cos 3 cos 5 lim N N d x x 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛

77 77 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ x 3 cos 3 cos 3 x 5 cos 5 3 cos 3 cos 5 lim N N d x x 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛

78 78 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ x 3 cos 3 cos 3 x 5 cos 5 3 cos 3 cos 5 lim N N d x x 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛

79 79 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ x 3 cos 3 cos 3 x 5 cos 5 3 cos 3 cos 5 lim N N d x x 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛

80 8 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ x 3 cos 3 cos 3 x 5 cos 5 3 cos 3 cos 5 lim N N d x x 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛

81 8 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ x 3 cos 3 cos 3 x 5 cos 5 3 cos 3 cos 5 lim N N d x x 3..3 连续时间傅里叶级数的收敛

82 Gibbs 现象 : 随 趋向于无穷, 在函数的间断 点附近至少存在一点, 其函数的分解误差收敛 于函数在这点上的跳变值的 %. Gibbs 现象与 Dirchl 条件是否矛盾? 这牵涉到函数的 均方收敛 与 逐点收敛 的概念 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

83 3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 83

84 加分题 :. 为何相似系数中正交的定义用的是函数的共轭? c i f f i * i f f * i d d. 写出书本 89 页周期性锯齿脉冲信号的频谱系数的推导过程 3. 写出书本 89 页周期性三角脉冲信号的频谱系数的推导过程 4. 写出书本 89 页周期半波余弦信号的频谱系数的推导过程 5. 用 Fw 求 f 过程中, 多出 Ω 为什么变成 dw 而不是 dw/? 加分题不要求每个人必需做, 但提交后如正确考试成绩有加分 加分题要求提交电子版, 电子版注明学号 专业和姓名, 直接发送给 rhao@zu.du.c 特别优秀的可以挂在网站供人参考 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 84

85 周期性方波型号的频谱系数图 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 85

86 3.3. 非周期信号的傅里叶变换的导出 x x 考虑一个信号, 它具有有限时宽 :, 当 x ~ x a b a 非周期信号 x;b 由 x 构成的周期信号 x 进行周期延拓 : ~ x x 且 x lim ~ x 86

87 3.3. 非周期信号的傅里叶变换的导出 将 ~ x 展开成傅里叶级数有 ~ x a a / / / / ~ x x x d d d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 87

88 一 从周期信号到非周期信号 从傅利叶级数到傅利叶变换根据周期信号傅利叶级数展开公式, 其各个频率分量的幅度为 : c 当 f d 时,, 此时 : 频谱间隔趋进无穷小, 信号在各个频率点上都有信号分量 > 频率取值变成连续的 在每一个频率点上的频率分量大小趋向零 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 88

89 其中第二点给计算带来了麻烦, 所以无法用傅利 叶级数表示非周期信号 这时, 为了消除系数公式 中趋向无穷小的部分, 定义 : c F c f 这时上式可以得到一个非零的值 令 d, 则, 而 成为一个连续的变量, 假设其表 示为连续的变量, 则可以得到傅利叶变换公式 : F f d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 89

90 因为该式有 单位频带内信号幅度 的量纲, 所以被称为 频谱密度函数 它表示信号在该 频率点上的分量的相对大小, 而信号在此频率 点上的实际分量分量大小为零 与傅利叶级数一样, 如果 f 是实数函数, F 的幅度是 的偶函数, F 是 的奇函数 的相位 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

91 傅利叶反变换 怎样用 F 计算 f f lim lim F F c d lim F 这个公式实际上也表示了将信号分解为一系列复数三角函数的 子信号之和 积分 这个公式也可以表达成为一个在物理上更 容易理解的实数三角函数形式 : 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

92 9 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ d F d F d F d F d F d F d F f cos si cos si cos

93 正反傅利叶变换由此可以得到正反傅利叶变换公式为 : F F f f F: IF: f F F d F d 7/4/ f 和 F 之间是一一对应的, 根据其中的一 个可以确定另外一个 可以认为, 它们包含了相 同的信息, 只不过自变量不同, 它们是相同信号 的不同表达形式 正变换将以时间为自变量的函 数变成了以频率为变量的函数, 将信号从时域变 换到了频域 所以建立在这种变换上的系统分析 方法称为变换域法 这种变换通常经过积分计算 得出, 所以也称为积分变换 信号与系统 第三讲 郝然 93

94 3.3. 非周期信号的傅里叶变换的导出 定义包络 a 为 : X x d 有 a X X 代入傅里叶级数, 有 ~ x X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 94

95 3.3. 非周期信号的傅里叶变换的导出 随着 或者 ~, x 趋近于 x : x ~ x ~ lim lim x lim X x X d x 表示成了复指数信号的线性组合形式 X 用来表示信号所包含不同频率复指数信号组成成份的度量, 通常称为 x 的频谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 95

96 3.3. 非周期信号的傅里叶变换的导出 F x X 其中 x 和 X 表示一傅里叶变换对, 它们间关系为 和 X x x 频谱 X 极坐标形式 : X X X d d 其模 X 称为信号幅度谱, 其相位 称为信号的相位谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 96

97 3.3. 连续时间傅里叶变换的收敛 傅里叶变换对相当广泛的一类信号是适用的, 特别是对一些实际有用的信号 但并不是对所有信号都是适用的, 傅里叶变换也存在着收敛条件 令 xˆ 表示傅里叶反变换 xˆ X d x ˆ 和 x 之间的误差 : xˆ x 均方误差定义为 E d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 97

98 3.3. 连续时间傅里叶变换的收敛 与周期信号的傅里叶级数相类似, 傅里叶变换通常有两个收敛条件 x x 条件 若能量有限, 也即平方可积 : x d 那么 X 就保证是有限的, 且有 E 条件 狄里赫利条件 : 该条件保证了傅里叶反变换除了那些不连续点外, 在任何其他的值上都等于原信号, 而在不连续点处, 它等于原信号在不连续点两侧值的平均值 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 98

99 3.3. 连续时间傅里叶变换的收敛 狄里赫利条件 : x. 绝对可积, 即 x d. 在任何有限区间内, x 只有有限个最大值和最小值 3. 在任何有限区间内, x 只有有限个不连续点, 并且在每个不连续点上信号都必须是有限值 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 99

100 3.3. 连续时间傅里叶变换的收敛 吉布斯现象 : 当傅里叶变换综合公式 反变换 用有限频宽来近似表示原信号, 即 xˆ w w X d 在不连续点处同样存在吉布斯现象 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

101 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 典型连续时间信号的傅里叶变换对 u x a a d d x X a a a, a a X u a F, 得单边指数信号 :

102 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 a F u X, a a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

103 3 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 典型连续时间信号的傅里叶变换对, a x a 该信号可表示为 u u x a a 其傅里叶变换 d d d X a a a a a a a F a a a 得双边指数信号 :

104 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 a F a a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

105 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 单位冲激信号 单位冲激信号 的傅里叶变换是 得 X d F X 单位冲激信号的频谱 所包含各种频率分量是相等的 5

106 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 冲激偶信号 因为 F 可得 d 上式两边对 求微分, 得 d d d 上式表示为 ' 的傅里叶反变换, 所以得 F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

107 7 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 典型连续时间信号的傅里叶变换对考虑一信号, 其傅里叶变换为 X 其它,, c X 傅里叶反变换 c c d x c c d si cos c d cos c c c c si si 其它,, si c c c c F 得抽样函数

108 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 c c si c F,, 其它 c 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

109 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 当, X 的极限为 c 因为 所以 lim c lim c X c c si c lim c F c c si c F 可看作是 的另一种数学模型形式 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

110 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 矩形窗函数 : 其傅里叶变换为, x, 其它 X d cos si d si cos d si c 得, F x si c sa, 其它 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

111 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对, F x si c sa, 其它 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

112 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 当 时, 信号 x 为一常数 : lim x F lim si c lim si c 因为 lim c c c si c 可得傅里叶变换对 F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

113 3 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 典型连续时间信号的傅里叶变换对高斯脉冲 : E x 其傅里叶变换为 d E d x X ] si [cos d E cos 积分后得 F E E

114 3.3.3 典型连续时间信号的傅里叶变换对 E F E 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

115 MALAB: 计算信号的傅里叶变换 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

116 MALAB: 计算信号的傅里叶变换 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

117 MALAB: 计算信号的傅里叶变换 图 3-7 方波的频谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

118 3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

119 第二次加分题 :. 当 x 为实且奇函数时,x 的频谱是纯虚且为奇函数. 证明傅里叶变换的频域积分特性 3. 证明傅里叶变换的时域卷积特性 4. 求高斯脉冲信号的傅里叶变换 推导过程 5. 求抽样函数信号 f c si c 的傅里叶变换 推导过程 c 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

120 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 证法一 : 利用 d 的傅里叶变换 板书 证法二 : 考虑一个信号 x, 其傅里叶变换为应用反变换公式得 X 即 F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

121 周期信号只是一个相对的概念 如果忽略其周期性, 它应该也可以被 看成是非周期信号处理, 进行傅里叶变换 但周期信号是功率信号, 不 满足绝对可积条件 但是通过引入冲激函数, 一样可以找到傅里叶变换 复正弦信号的傅里叶变换 : c c 周期性信号的傅里叶变换 周期性信号可以展开成傅里叶级数 : f c 由此可以得到周期性信号的傅里叶变换为 : F c 可见, 周期性信号的傅里叶变换是一系列间隔均匀的冲激序列 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

122 求解步骤 : 给定某一周期信号 x c x 可求出它的傅里叶级数为 c x d 可得周期信号 x 的傅里叶变换为 F x c X 对周期性信号的傅里叶变换的理解 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

123 例 3. 例 3. 考虑图 3.8 的周期方波, 求其傅里叶级数变换 图 3-8 周期对称方波的傅里叶变换 =4 傅里叶级数系数为 a si 因此, 该信号的傅里叶变换 X, 是 si X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

124 例 3.3 例 3.3 求正弦和余弦信号的频谱 x cos 余弦信号展开为傅里叶级数形式 x cos x si 因此, 有 cos F F 正弦信号 si x si 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

125 例 3.4 例 3.4 求周期冲激串的傅里叶变换 周期冲激串定义为 该信号的傅里叶级数系数 a / d /, 因此, 可得冲激串的傅里叶变换 F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

126 例 3.4 周期性的冲激信号, 其间隔和幅度都是 图 3- 冲激串频谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

127 3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

128 傅里叶变换的性质. 傅里叶变换的线性性质 若 和 x X F x X F 则 F ax bx ax bx 其中 a b 为任意常数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

129 9 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ X x F X x F 根据傅里叶反变换, 有若则 d X x 在上式中以取代, 可得 d X d X x 显然, 上式是的傅里叶反变换式, 所以得证 x 反向证明 :. 傅里叶变换的时移 延时 性质

130 . 傅里叶变换的时移 延时 性质 正向证明 : x F X 对于傅里叶级数, 有 : 若 则 x F x F a a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

131 例 3.5 例 3.5 信号 x cos 的频谱 将信号 x 已知 改写为 x cos / cos, / cos F 根据延时性质, 有 F cos 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

132 3. 傅里叶变换的频移性质 若 则 x X F F x X 利用傅里叶变换公式, 有 [ x ] f d f. d 所以 F x X F 同理 x X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

133 3. 傅里叶变换的频移性质 cos si 如 x X F 那么, 可以导出 : F x cos X X F x si X 该性质也适用于傅里叶级数 X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 33

134 4. 傅里叶变换的尺度变换特性 时间域 f a a F a 信号的宽度 沿时间轴压缩 a 倍, 信号的频率宽度 B 沿频率轴扩展 a 倍 脉冲信号的宽度 和频带宽度 B 的乘积等于常数 数据传输中总希望信号的脉冲宽度尽可能小, 占用的信号频带同时也尽可能小 但从该性质可以看出, 信号脉冲宽度的频带宽度是一对矛盾 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 34

135 4. 傅里叶变换的尺度变换特性 傅里叶变换公式 置换 a, 可得 F x a F F x a xa a a x a x x d / a / a d, d, a a a 上式中, 由于 a 时,, 因此, 上式可化简为 F x a a x a d a X a 一个特例 : 如 a =, 则有 x X F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 35

136 4. 傅里叶变换的尺度变换特性 频率域 a f a F F a 式中 a 是一个实常数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 36

137 例 3.9 a a 例 3.9 证明 a, 为实数 证明 : 因为 F 所以, 根据尺寸变换性质, 有 a F a a F a 因此, 可得 a a 当 a 即 a a 时, 根据以上所证明的结果, 有 也就是说 是偶函数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 37

138 5. 傅里叶变换的共轭对称性 若 x X F 则 x * F X * 因为 X x d X * [ x d] x * * d 以 替代, 得 若 那么 x x x * 为实数, 即有 X X * x 就具有共轭对称性, 即 X X x * *, 为实数 d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 38

139 5. 傅里叶变换的共轭对称性 同理可证 : x- X- x*- X* 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 39

140 5. 傅里叶变换的共轭对称性. x 为实信号 若将 若 X X ImX X R x 为实数, 则有 R{ X } Im R{ X } X ImX 即实数信号傅里叶变换的实部是偶函数, 虚部是奇函数 类似地, 若 用直角坐标表为 X 用极坐标表示为 对变化量 x 引入一定的限制 X X 信号的幅度谱 X 是偶函数, 相位谱 是奇函数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

141 5. 傅里叶变换的共轭对称性. x 为实且偶函数 根据信号傅里叶变换, 可以写出 X x d 用 替换, 可得 X x d 因为 x x, 所以有 X x d X 又由 X * 可得 * X X X * 故有 X X, 所以 X 只能是实值函数, 因此, 当 x 为实且偶函数时, 其频谱为实值偶函数 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

142 5. 傅里叶变换的共轭对称性 3. x 为实且奇函数同样可以证明, 此时, x 的频谱是纯虚且为奇函数 4. 若一个实函数用其偶部和奇部表示, 即 x x x 其中 x x d v x x 根据傅里叶变换的线性, 有 x x x x F{ x } F{ x } F{ x } R{ X } Im{ X } o 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

143 5. 傅里叶变换的共轭对称性 根据上面的讨论, F{ x } 是一实值偶函数, F{ x } 是 一个纯虚数且为奇函数, 于是可得出以下结论 F x X R X Im X 其中, x 为实值函数 F X F x R F F x Im o X 偶函数部分的傅里叶变换对应于频谱的实部 ; 奇函数部分的傅里叶变换对应于频谱的虚部 ; 上述结果, 完全适用于周期信号的傅里叶级数 o 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 43

144 5. 傅里叶变换的共轭对称性 比较傅里叶变换中的正变换和反变换关系, X x d 和 x X.. 和 si x c F c F sa c x c c si sa F 和 F d 若角色互换, 有何规律? 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 44

145 对称特性如果 f F, 则 : F f 信号与系统 第三讲 郝然 45

146 例 3. 例 3. 求下面信号的傅里叶变换 x 我们已知双边指数信号的傅里叶变换为 取 a=, 则有 a F a a F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 46

147 6. 时域微分特性若 x 的傅里叶变换是 X, 可得 dx d X d dx 也就是 F X 时域微分 d d x 将微分性质进一步推广, 有 F X d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 47

148 7. 时域积分特性 时域内的积分有 F x d X X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 48

149 例 3.6 x u 例 3.6 求单位阶跃信号的傅里叶变换 我们已得到 F 因为 u d 利用时域积分特性, 有 u F 若 则 Y X X Y X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 49

150 例 3.7 例 3.7 求三角脉冲的傅里叶变换 三角脉冲信号的表达式 x E,, 其它 将 x 取一阶和二阶导数, 得 d d x E 令 X X 和 X 分别表示 x 及其一 二阶导数的傅里叶变换, 则它们有以下关系 X X X X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

151 例3.7 d x E X F d E [ cos ] 8E si 4 因此 有 X 8E si 4 所以 故可得 7/4/ X E Sa 4 信号与系统 第三讲 郝然 5

152 例 3.7 图 3- 三角脉冲信号的波形和频谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

153 8. 频域微分特性 考查时域微分性质 : dx F X d 我们可以证明它存在着对偶性质, 即频域微分性质 证明 : 因为 F x x X X F F 根据对偶性, 则有 X x dx F d dx 频域微分 d 根据微分性质, 有 x 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 53

154 8. 频域微分特性 再次运用对偶性, 有 F dx x d 上式改写为 F dx x d 利用尺度变换性质 取 a, 对左边时域信号进行反转操作, 则有 F dx dx dx x d d d 9. 频域积分特性 用同样方法, 可以从时域积分性质推出频域积分性质 7/4/ F x x 信号与系统 第三讲 郝然 X d 54

155 例 3. 例 3. 求所给频谱的反变换 X 已知指数信号傅里叶变换对利用频域微分性质, 则有 a a u a a F u d F a u d 所以得 : a 因此, X 的反变换为 a u F a a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 55

156 例 3. 作为例 3. 的推广, 可得下面更一般关系! a F u a 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 56

157 例 3.8 例 3.8 求符号函数 sg 的傅里叶变换 单位阶跃信号可以表示为 其中 { u } v O d { u } x sg u u u u u u u v { u } O { u } d 即 O d { u } sg 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 57

158 例 3.8 已知 F u 根据实信号的共轭对称性,u 奇部的傅里叶变换应为其频谱的虚部, 即 F { u } 因此有 Od sg F 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 58

159 59 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.8 将符号函数的频谱表示为极坐标形式, 有 X X X,, 图 3- 符号函数波形和频谱

160 帕斯瓦尔定理 : 帕斯瓦尔定理 x X F x d X d 证明如下 : x d x x d * * x X d d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

161 3.5.8 帕斯瓦尔定理 变换右边的积分次序有 * x d X x d d * X X d X d 信号的总能量既可以按照每单位时间内的能量在整个时间内的积分计算出来, 也可以按照每单位频率内的能量在整个频率范围内的积分而得到 周期信号的帕斯瓦尔定理为 7/4/ x 信号与系统 第三讲 郝然 d a 6

162 MALAB: 指数信号的能量密度谱 图 3-3 两相加指数信号的能量密度谱 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

163 . 傅里叶变换的卷积性质 时域卷积性质 : 若 x X F 和 h H F 则 x * h X H F 证明 : x X d lim X H h d 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 63

164 . 傅里叶变换的卷积性质 利用 LI 系统的叠加性, 系统对 x 的响应可表示为 x lim X lim X H 因此, 该系统对 y x 的响应就可表示为 lim X H X H 该式为 y 的傅里叶反变换, 因此有 F d y x * h X H 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 64

165 . 傅里叶变换的卷积性质 由于两周期信号的卷积是无穷大的, 因此, 傅里叶级数的卷积性质在形式上稍有不同 设两周期都 的周期信号 x 和 y, 有 : 若 x 和 FS a y FS b 则 FS x y d a b 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 65

166 . 调制性质 频域卷积 调制性质 : 若 x F X x X F 则 x x F X * X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 66

167 . 调制性质 频域卷积 调制性质表明 : 时域上的相乘对应于频域上的卷积 可以利用傅里叶变换的对偶性, 直接从卷积性质推出调制性质 F 根据对偶性, 有 X x F X x 利用卷积性质, 可得到 X * X 4 x x F 再次利用对偶性, 有 F 4 x x X * X 由于 F x X, 从上式我们可得到 x x F X * X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 67

168 . 调制性质 频域卷积 将该性质直接用于周期信号的傅里叶变换, 可得傅里叶级数的调制特性 若 x FS a 和 y FS b 则 x FS y l a l b l 式中 x 和 y 为同一周期 如将它们的系数 a 和 b 看作是离 散信号, 则 a l b l 就是 a 和的卷积和 l b 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 68

169 3. 引言 3. 连续时间 LI 系统的特征函数 3. 连续时间傅里叶级数 3.3 连续时间傅里叶变换 3.4 连续时间周期信号的傅里叶变换 3.5 连续时间傅里叶变换的性质 3.6 连续时间 LI 系统的频域分析 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 69

170 3.6. 连续时间 LI 系统的频率响应 根据卷积性质, 一个冲激响应为 h 的 LI 系统可表示为 其中 H : F h H 称为 LI 系统频率响应, 显然它也是特征函数 的特征值 根据卷积性质, 输出信号的频谱 Y 满足以下关系 Y X H 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

171 3.6. 连续时间 LI 系统的频率响应 LI 系统的频率响应另一种定义可表示为 H Y X 在 LI 系统分析中, 与 h 一样, 频率响应 H 可以完全表征它所对应的 LI 系统,LI 系统的很多性质也能够很方便地借助 于 H 来反映 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

172 7 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 3.6. 连续时间 LI 系统的频率响应级联系统总的频率响应为各单个子系统频率响应的乘积, 总的频率响应与各子系统的级联顺序无关 H X W H W Y H H X H H X 图 3- 三种相等的系统

173 3.6. 连续时间 LI 系统的频率响应 通常将系统频率响应表示为极坐标形式 : H H 其中 H 称为系统的幅频特性, 它表征了系统对输入信号的放大特性 ; 称为系统的相频特性, 它表征了系统对输入信号的延时特性 利用傅里叶变换方法分析 LI 系统时, 仅局限于系统的冲激响应存在傅里叶变换的情况 : h d 一般说来,LI 系统的频域分析法适用于稳定系统 已知 LI 系统的频率响应, 可以借助卷积性质, 在频域上求解对任何输入信号的零状态响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 73

174 例 3. 例 3. 试求微分器的频率响应 H 描述微分器的方程为 y dx d 根据微分性质, 有 Y X 微分器的频率响应 : H Y X 微分器的冲激响应是 h ' 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 74

175 例 3.3 例 3.3 试求积分器的频率响应 H 积分器由下列方程给出 y x d y x * u = x u d 积分器的冲激响应 h u 因此, 积分器的频率响应就是 H 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 75

176 例 3.4 例 3.4 考查一延时系统 : y x, 为实常数 若 F x X 则 F y X 因此, 延时器的频率响应 : H Y X 延时器的冲激响应为 h 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 76

177 例 3.4 回音系统即为一延时系统 发送信号 :x 接受到的回波信号 : y x a x 回音 77

178 MALAB: 系统的频率响应 H

179 MALAB: 系统的频率响应 图 3-5 系统频率响应的幅频特性和相频特性 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 79

180 3.6. 零状态响应的频域求解 可以利用傅里叶变换的卷积性质求解 LI 系统的零状态响应 一般思路 : 通过卷积性质求得输出信号的频谱, 然后对该频谱作反变换求得其时域表达式 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

181 例 3.5 例 3.5 某一因果 LI 系统的冲激响应为 a a h u b b 该系统的输入为 x u 可求得系统的频率响应为 H a 和输入信号的傅里叶变换 X b 由卷积性质可得输出信号 Y y 零状态响应 的傅里叶变换为 X H a b 8

182 8 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 时, 的部分分式展开为 将看作为一变量 b a Y b B a A Y a b a Y A a a b b Y B b 因此 ] [ b a a b Y ] [ u a b y a b 例 3.5

183 例 3.5 a = b 时 Y a 可得 y 为 y a u 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 83

184 84 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.6 已知某一因果 LI 系统对输入信号的零状响应为 u x 3 u y 问该系统的频率响应和 H h X 3 3 Y 频率响应为 H 3 X Y H 例 3.6

185 85 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 将上式展开为部分分式 B A H 3 H A 3 3 H B 因此, 系统的冲激响应为 3 u h 例 3.6

186 86 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 用线性常系数微分方程表征的 LI 系统线性常系数微分方程 M N d x d b d y d a M N d x d b d y d a F F M N d x d b d y d a F F 根据傅里叶变换线性性质, 上式变为两边求傅里叶变换

187 87 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 由微分性质 X d x d F 可得 M N X b Y a 即 M N b X a Y 因此, 系统的频率响应为 N M a b X Y H 用线性常系数微分方程表征的 LI 系统

188 88 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.7 某一因果 LI 系统 3 x d dx y d dy d y d 可直接写出该系统的频率响应 3 H 将展开为部分分式 : H B A H 3 例 3.7

189 例 3.7 解得 A H B H 3 求得冲激响应为 h 3 u 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 89

190 9 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.8 已知某一因果 LI 系统 3 4 x d dx y d dy d y d 和输入信号, 且系统初始静止, 求输出信号 u x 3 4 H X 输出信号的频谱为 y H X Y 例 3.8

191 例 3.8 其部分分式展开式为 Y A A A 3 A d d Y 4 A Y A Y /4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

192 9 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 于是 Y 上式的反变换为 u y 例 3.8

193 3.6.4 周期信号激励下的系统响应 假设某稳定的 LI 系统的频率响应为 H 输入信号 x 为一周期信号, 其傅里叶级数展开式为 x a 系统对该周期信号的响应为 输出 y a H y 也为相同的基波周期的周期信号, 其傅里叶级数系数 b a H 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 93

194 3.6.4 周期信号激励下的系统响应 在工程中应用较多的是三角函数形式的傅里叶级数形式 x B B cos C si si 只要求得系统对和 cos 的响应特性, 就可求得系统对一般周期信号的响应 理解 : 三角函数可看作 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 94

195 95 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ LI 系统对的响应 周期信号激励下的系统响应假设 LI 系统的冲激响应是实函数 根据共轭对称性, 有 cos h H H H H cos F x 因为因此, 输出的傅里叶变换 y H H H H H Y H

196 3.6.4 周期信号激励下的系统响应 上式的反变换为 y H cos 同理, 对 x si 的响应是 y H si 上述结果进一步推广为 Acos A H cos Asi A H si 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 96

197 97 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 周期信号激励下的系统响应我们可求得,LI 系统对 si cos C B B x 的响应为 si cos H C H B H B y cos H D H B

198 98 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 电路系统的频域求解电阻电容电感 RI U Ri u R R R R 在频域上定义复阻抗 I U R ] [ I C I C U d i C u C C C C C LI U d di L u L L L L 电阻电容电感复阻抗分别为 : R R C R L R 换路定律指出 : 电容两端的电压是不能发生跃变的, 只能连续变化

199 例 3.9 例 3.8 如图所示的 RC 低通网络,, 其输入端 的信号为单位阶跃信号,x=u 用傅里叶分析法求该 电路的输出信号 v C RC x a + v R c b + v c 图 3-6 例 3-9 的图 99

200 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.9 如图所示, 输出 v C 的傅里叶变换为 X R C C V C 所以, 系统的频率响应为 H, RC RC RC CR R C C X V H C

201 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.9 输入信号 x 的傅里叶变换为 u x F 因此, 可得 V C ] [ ] [

202 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3.9 求上式的傅里叶反变换, 可得 u v C 当输入信号 x 为矩形脉冲时, 由于输入信号可以表示为移位阶跃信号的线性组合, 即 ] [ u u E x 因此, 根据 LI 系统的叠加性和时不变性原理, 可求得输出信号 y 为 : ] [ u E u E y

203 MALAB: 计算对矩形脉冲的响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

204 MALAB: 计算对矩形脉冲的响应 图 3-7 RC 低通网络对矩形脉冲的响应,E=.,=3. 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

205 3.6.6 信号的不失真传输 无失真传输 : 输出信号与输入信号相比, 只是大小与相对时间轴的位置不同, 而无波形上的变化 无失真传输条件 y Kx 式中 K 为增益常数, 为滞后时间 傅里叶变换为 : Y K X 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

206 信号的不失真传输系统的幅频特性和相频特性分别为 H K X Y H K H K ω a 幅频特性 ω b 相频特性图 3-8 无失真传输系统的频率响应特性 H 无失真系统的频率响应

207 例 3. 例 3. 电路如图所示, 为得到无失真传输, 元件参数 R R C C 应满足什么关系 图 3-9 无失真传输系统电路图 当 R C =R C 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

208 8 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 例 3. 可以求出该电路的频率响应 H 3 C R C R C R C R R C C R Z Z Z V V H C C R R R R R C C C C H 化简为

209 例 3. 从上式可以看出, 为使电路成为无失真传输系统, 必须 满足下列条件 化简可得 RC RC R R RC RR C C 此时, H 可重新写成 H C C C R R R 该 H 为一常数, 满足无失真的幅频特性和相频特性 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

210 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 滤波 : 改变信号中各频率分量的大小 滤波器 : 完成滤波功能的系统 频率选择性滤波器 : 无失真地通过某些频率范围的信号, 而衰减掉另一些频率范围内的信号 理想滤波器 : 将滤波器的某些特性理想化而定义的滤波器系统 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

211 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 理想滤波器是指将滤波器的某些特性理想化而定义的滤波器系统 最常用的是具有矩形幅度特性和线性相移特性的理想低通滤波器 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

212 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 信号的滤波与理想滤波器理想低通滤波器的频域特性可以表示为 其它,, c H 对作傅里叶反变换, 可得低通滤波器的单位冲激响应 : 注意到, 当时,, 因此理想低通滤波器是个非因果系统, 因而在时域上它是物理不可实现的 h H ] si[ d d H h c c c c c. 理想低通的频域特性和冲激响应

213 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

214 4 理想低通 u s 阶跃信号的傅里叶变换为 u F 其它 F,, c s 于是 信号的滤波与理想滤波器. 理想低通滤波器的阶跃响应

215 5 信号与系统 第三讲 郝然 7/4/ 求上式的傅里叶反变换可得阶跃响应 s d d s c c c c c c c c d si cos 信号的滤波与理想滤波器

216 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 上式作变量替换 x, 于是有 s si dx x c x si x 对函数的积分称为 正弦积分 以符号 Si y 表示 x Si y y si x dx x 阶跃响应可写成 s Si c 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

217 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 定义输出由最小值到最大值所需时间为上升时间 r, 其值为 r c f c 阶跃响应的上升时间与系统的截止频率 带宽 成反比 该结论具有普遍意义, 适用于各种实际滤波器 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

218 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

219 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 吉布斯现象 : 一个信号通过理想低通滤波器, 其实质是用信号的有限频率分量近似原信号 : y c c X d 根据傅里叶变换的物理意义, 在布斯现象 u 的断点处, 其输出必存在吉 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 9

220 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 实际情况 : 第一个峰值在 处, 有 s max Si c 利用函数 Si.854, 可计算出该峰值 上冲 s max 即, 第一个峰值的上冲为跳变值的 8.95%, 近似为 9%, 该值与 c 无关 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

221 3.6.7 信号的滤波与理想滤波器 3. 理想低通对矩形脉冲的响应矩形脉冲的表示式为 x u u 理想低通对矩形脉冲 y 响应为 y Si c c Si 时, 脉冲的宽度远远大于系统的上升时间,y 波 c 形接近矩形脉冲信号 接近或小于, y 波形将严重失真于矩形脉冲信号 c 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

222 MALAB: 理想低通对矩形脉冲的响 应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然

223 MALAB: 理想低通对矩形脉冲的响 应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 3

224 MALAB: 理想低通对矩形脉冲的响 应 图 3-33 理想低通对矩形脉冲的响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 4

225 MALAB: RC 低通网络对矩形脉冲的 响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 5

226 MALAB: RC 低通网络对矩形脉冲的 响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 6

227 MALAB: RC 低通网络对矩形脉冲的 响应 图 3-35 RC 低通网络对矩形脉冲的响应 7/4/ 信号与系统 第三讲 郝然 7

228 作业 3.3 并试用 Malab 验证,3.3, 3.53, 3.6, 3.7, 并试用 Malab 验证, 3.9, 3.4 并试用 Malab 验证, 3.3, 3.4, 3.6, 3.7, 3.8, 3., 3., 3., 3.3, 3.6, 3.3, 3.33, /4/ 信号与系统 第三讲 郝然 8

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