信号与系统-06能量谱和功率谱课件.ppt
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- 信号 系统 06 能量 功率 课件
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1、6.1 引言信号表示式与多维矢量之间存在许多形式上的类似,信号表示式与多维矢量之间存在许多形式上的类似,信号用多维矢量描述便于对信号的性能、信号分析与处信号用多维矢量描述便于对信号的性能、信号分析与处理进行更深入的研究。理进行更深入的研究。本章主要内容本章主要内容利用矢量空间方法研究信号理论的基本概念;利用矢量空间方法研究信号理论的基本概念;信号的正交函数分解;信号的正交函数分解;相关函数;相关函数;能量谱和功率谱;能量谱和功率谱;相关、正交概念的应用:相关、正交概念的应用:匹配滤波器,码分复用匹配滤波器,码分复用技术。技术。线性空间线性空间 范数范数 内积内积 柯西施瓦茨不等式柯西施瓦茨不等
2、式一线性空间定义:定义:是这样一种集合,其中任意两元素相加可构成是这样一种集合,其中任意两元素相加可构成此集合内的另一元素,任意元素与任意数(可以是实此集合内的另一元素,任意元素与任意数(可以是实数也可以是复数)相乘后得到此集合内的另一元素。数也可以是复数)相乘后得到此集合内的另一元素。例例:NNR 维维实实数数空空间间NNC 维维复复数数空空间间L 连连续续时时间间信信号号空空间间l 离离散散时时间间信信号号空空间间二范数 表表示示,满满足足以以下下公公理理的的范范数数以以符符号号线线性性空空间间中中元元素素x x 。三角形不等式三角形不等式;有有量量正齐性对所有数正齐性对所有数;时时当且仅
3、当当且仅当正定性正定性yxyx3xx,20 x0 x, 0 x1 空空间间的的范范数数;与与NNC.R1 阶范数定义为阶范数定义为的的空间元素空间元素与与在在为实数,为实数,令令pxxxxppNNN,CR,121 max 1 def111 pxpxxiNipNipip对于对于对于对于常用范数 11 , 1max 21121121 xxx )Euclidean(2范数或欧氏距。范数或欧氏距。也称为欧氏也称为欧氏矢量的长度。矢量的长度。理意义是理意义是空间中,二阶范数的物空间中,二阶范数的物在二维或三维实数矢量在二维或三维实数矢量x中中的的范范数数和和离离散散时时间间信信号号空空间间连连续续时时间
4、间信信号号空空间间lL. 2 定定义义如如下下阶阶范范数数的的中中,元元素素连连续续时时间间信信号号空空间间ppxLx1 sup1 dx1 ptxpttxppp sup 1 xp1 pnxpnxnpp这里这里sup表示信号的最小上界,对于定义在闭区间内的表示信号的最小上界,对于定义在闭区间内的信号,信号,sup表示其幅度值。表示其幅度值。 的的定定义义阶阶范范数数的的元元素素中中离离散散时时间间信信号号空空间间ppnxlx,2(3)(3)常用的范数常用的范数 L dx1空空间间ttx 空间空间lnxn x1 可见,一阶范数表示信号作用的强度。可见,一阶范数表示信号作用的强度。一阶范数一阶范数
5、dx dx L2222122ttxttx 即即空间空间 x x 2222122 nnnxnxl即即空间空间物理意义:二阶范数的平方表示信号的能量。物理意义:二阶范数的平方表示信号的能量。二阶范数二阶范数 sup x Ltx 空空间间 supx nxl 空空间间 ,号的幅度。号的幅度。可测得的峰值,也即信可测得的峰值,也即信表示信号表示信号闭区间上的闭区间上的物理意义:对于定义在物理意义:对于定义在 xtx三内积 21222211cosyx yxyx内积(点积)运算内积(点积)运算对应于二维矢量空间的对应于二维矢量空间的2211yxyx 1 2 1x2x1y2yxy 21222121222122
6、1121cosyyxxyxyx 直角坐标平面内两矢量相对位置关系直角坐标平面内两矢量相对位置关系利用范数符号,将矢量长度分别写作利用范数符号,将矢量长度分别写作 21222122122212yxyyxx 于是于是上式表明:给定的矢量长度,标量乘积式反映了两矢量上式表明:给定的矢量长度,标量乘积式反映了两矢量之间相对位置的之间相对位置的“校准校准”情况。即情况。即 标量乘积为零标量乘积为零两矢量之夹角为两矢量之夹角为,90, 0cos21 标量乘积取最大值标量乘积取最大值两矢量夹角为两矢量夹角为 ,0, 1cos21 21222211cosyx yxyx332211yxyxyx 多维多维维实线性
7、空间维实线性空间NyxiNii y, x1 维复线性空间维复线性空间NyxiNii y, x1 三维三维推广推广信号空间信号空间 dyx,连续时间信号连续时间信号ttytx yx,Z离散时间信号离散时间信号 nnynx对于对于L空间或空间或l空间,信号空间,信号x与其自身的内积运算为与其自身的内积运算为 xdxx,222连续连续 ttx xxx,222离散离散 Znnx内的两连续信号的内积内的两连续信号的内积Ly, yx, xy, x2 四柯西施瓦茨不等式Cauchy-Schwarz不等式不等式6.3 信号的正交函数分解矢量的正交分解矢量的正交分解 正交函数正交函数正交函数集正交函数集复变函数
8、的正交特性复变函数的正交特性将任意信号分解为单元信号之和,从而考查信号将任意信号分解为单元信号之和,从而考查信号的特性。的特性。简化系统分析与运算,简化系统分析与运算, 总响应总响应=单元响应之和。单元响应之和。信号分解的目的 niitete0 teiH tri niiniitrteHteHtr002VVe eVVcV 2121误差矢量误差矢量 )cos(211212VVVVc 2221222121221112)cos()cos(VVVVVVVVVVVVVVc 系数系数021 VV两矢量正交两矢量正交怎样分解,能得到最小的误差分量?怎样分解,能得到最小的误差分量?0 12 c即即1V2V21V
9、c1eV2eVeV22Vc212Vc方式不是惟一的:方式不是惟一的:表示,表示,用用21VV1211eVVcV 一矢量的正交分解eVVc 212222eVVc 正交分解空间空间中任一矢量可分解为中任一矢量可分解为x,y,z三方向矢量。三方向矢量。 平面平面中任一矢量可分解为中任一矢量可分解为x,y二方向矢量。二方向矢量。一个三维空间矢量一个三维空间矢量 ,必须用三个正交,必须用三个正交的矢量来表示,如果用二维矢量表示就会出现误差:的矢量来表示,如果用二维矢量表示就会出现误差:hzj yi xV 0 , hzVj yi xVe二正交函数 表示,即表示,即用用内,信号内,信号在区间在区间tftft
10、tt2121 )()(2121tfctf 误差误差 21d)(1)(22121222ttettfctftttf求得求得必需使必需使最小的最小的为求使为求使, 0dd , 122122 cc tftftftfttfttftfctttt(),(),(d)(d)()(22212221122121 称称为为正正交交函函数数,满满足足则则,若若)(),(02112tftfc 0d)()(2121 ttftftt系数系数三正交函数集任意信号任意信号f(t)可表示为可表示为n维正交函数之和:维正交函数之和: nrrrnnrrtgctgctgctgctgctf12211)()()()()()(原函数原函数近似
11、函数近似函数 )(),()(),( d)()(d)(d)()(2121212 tgtgtgtfKttgtfttgttgtfcrrrrttrttrttrr 相相互互正正交交:tgtgtgr21, jiKjittgtgittji, 0d)()(21r =0,1,2,.n基底函数基底函数 正正交交函函数数集集tgtgtgr21,分解原则是误差函数方均值最小 d)()(1)(21122122误差信号功率误差信号功率误差信号能量误差信号能量ettnrrrefttgctftttf 表达式表达式可得可得令令rnrcCCCC0, 0, 0, 0 222212 理解rttrttrttrrKttgtfttgttg
12、tfc 212121d)()(d)(d)()(2正交函数集规定:正交函数集规定: 所有函数应所有函数应两两正交两两正交。 不能因一个函数集中某几个函数相互正交就说该不能因一个函数集中某几个函数相互正交就说该函数集是正交函数。函数集是正交函数。 是是相互独立相互独立的,互不影响,计算时先抽取的,互不影响,计算时先抽取哪一个都可以,非正交函数就无此特性。哪一个都可以,非正交函数就无此特性。 nccc,21此公式是个通式,适合于此公式是个通式,适合于任何正交任何正交函数集。函数集。两周期信号在两周期信号在同一周期内同一周期内(同区间内同区间内)正交的条件是正交的条件是c12=0,即:,即: 总结 0
13、d)()(21 Tttftf 两个信号不正交,就有相关关系,必能分解出另一两个信号不正交,就有相关关系,必能分解出另一信号。信号。对一般信号在给定区间正交,而在其他区间不一定对一般信号在给定区间正交,而在其他区间不一定满满足正交。足正交。四.复变函数的正交特性jitgtgttgtgjittji 0)(),(d)()(21*iiittiiKtgtgttgtg )(),(d)()(21* 求系数求系数表示表示用用),(),2 , 1 , 0( ,)(tfnrtgr 的共轭的共轭为为)()(,d)()(d)()(2121tgtgttgtgttgtfcrrttrrttrr 则此复变函数集为则此复变函数
14、集为正交函数集正交函数集。 0d)()(d)()(21211221 ttttttftfttftf 满足关系满足关系内,复变函数集内,复变函数集若在区间若在区间nrtgttr, 2 , 1,21 内相互正交的条件是内相互正交的条件是两复变函数在区间两复变函数在区间21,tt6.4 6.4 完备正交函数集、完备正交函数集、帕塞瓦尔定理帕塞瓦尔定理完备正交函数集完备正交函数集帕塞瓦尔定理帕塞瓦尔定理定义定义1 1: 定义定义2 2: 一完备正交函数集 nrrrnnrrtgctgctgctgctgctf12211)()()()()()( 为完备的正交函数集。为完备的正交函数集。,此时,此时,则,则下降
15、,若下降,若增加时,增加时,当当tgtgtgtgnnnr2122,0 不完备。不完备。数集数集于此正交函数集,原函于此正交函数集,原函必属必属,则,则有有如果存在函数如果存在函数tgtgtgtgtxttxtgtxnrttr21,0d)()(,21 二帕塞瓦尔定理物理意义物理意义: 一个信号所含有的能量(功率)恒等于此信号在一个信号所含有的能量(功率)恒等于此信号在完备正交函数集中各分量能量(功率)之和。完备正交函数集中各分量能量(功率)之和。 121222212121d)(ddrttrrrttrrttttgCttgCttf信号的信号的能量能量基底信号的基底信号的能量能量各信号分量的各信号分量的
16、能量能量数学本质:数学本质:矢量空间信号正交变换的范数不变性。矢量空间信号正交变换的范数不变性。能量信号与功率信号能量信号与功率信号相关系数与相关函数相关系数与相关函数相关与卷积的比较相关与卷积的比较相关定理相关定理 6.6Rtitp)()(2 在一个周期内,在一个周期内,R消耗的能量消耗的能量 222220000d)(d)(TTTTttiRttpE 22200d)(1TTttvRE或或平均功率可表示为平均功率可表示为 222000d)(1TTttiRTP 222000d)(11TTttvRTP或或设设i(t)为流过电阻为流过电阻R的电流,的电流,v(t)为为R 上的电压上的电压 R)(ti
17、)(tv瞬时功率为瞬时功率为一能量信号和功率信号定义讨论上述两个式子,只可能出现两种情况:讨论上述两个式子,只可能出现两种情况:( (有限值有限值) ) ( (有限值有限值) ) 满足满足式的称为能量信号,满足式的称为能量信号,满足式称功率信号式称功率信号。 E00 P P0 E定义:定义:一般说来,能量总是与某一物理量的平方成正比一般说来,能量总是与某一物理量的平方成正比。令令R = 1 ,则在整个时间域内,实信号,则在整个时间域内,实信号f(t)的的 2220000d)(1limTTTttfTP平均功率平均功率 222000d)(limTTTttfE能量能量一般规律一般周期信号为功率信号。
18、一般周期信号为功率信号。非周期信号,在有限区间有值,为能量信号。非周期信号,在有限区间有值,为能量信号。还有一些非周期信号,也是非能量信号。还有一些非周期信号,也是非能量信号。如如u(t)是功率信号;是功率信号;而而tu(t)为非功率非能量信号为非功率非能量信号; ;(t)是无定义的非功率非能量信号。是无定义的非功率非能量信号。数学本质数学本质: 相关系数是信号矢量空间内积与范数特征的相关系数是信号矢量空间内积与范数特征的具体表现。具体表现。 物理本质物理本质: 相关与信号能量特征有着密切联系。相关与信号能量特征有着密切联系。 21)(),()(),()(),(22112112tftftftf
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