信号与系统-系统函数课件.ppt
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- 信号 系统 函数 课件
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1、16/2/20221 第七章 系统函数7.1系统函数与系统特性7.3 信号流图7.2 系统的稳定性26/2/20222 LTI: 连续系统 离散系统 时域分析: 冲激响应h(t) 单位响应h(k) 复频域分析: H(s) H(z).系统函数 频域分析: H(j) H( )频率响应 =H(s) s=j =H(z) z= TjeTje36/2/20223 1.系统函数-时域响应,频率响应. 2.系统的因果性和稳定性,判据. 3.信号流图. 4.系统的模拟. 46/2/202247.1系统函数与系统特性一.系统函数的极点和零点. 1.连续系统: H(s)=B(s)/A(s)= 极点:A(s)=0的根
2、,p1,p2,pn. H(pi) 零点:B(s)=0的根, z1, z2, zm. H(zi)=001110111.asasasbsbsbsbnnnmmmm56/2/20225 H(s)=B(s)/A(s)= =极点类型: 一阶:实数,虚数,复数. 多阶:实数,虚数,复数. niimjjmpszsb11 nmmpspspszszszsb.2112166/2/20226 2.离散系统: H(z)=B(z)/A(z) =niimjjmpzzzb1176/2/20227极点在左半开平面. 0 在实轴上: 一阶极点:p=- , H(s)=b/(s+),h(t)=be- t(t) 二阶极点:p=- (二
3、阶), H(s)= k/(s+)2, h(t)=kt e- t(t) ,limh(t)=0 t 多阶极点: p=- (高阶), H(s)= k/(s+)r h(t)=k t r-1e- t limh(t)=0 t二、极点零点与时域响应的关系:86/2/20228不在实轴上:一阶共轭复数:p1,2=-j, h(t)=k e- t cos(t+) (t) limh(t)=0 t二阶共轭复数:p1,2=-j(二阶), h(t)=kt e- t cos(t+) (t) limh(t)=0 t 96/2/20229在虚轴上: 一阶极点:p=0, H(s)=k/s,h(t)=k(t), limh(t)=有
4、限值 t 一阶共轭:p=j, h(t)=kcos(t+) (t), limh(t)=有限值 t106/2/202210 虚轴上二阶极点: p=0(二阶), H(s)=k/s2, h(t)=kt(t), limh(t) t p=j(二阶), h(t)=ktcos(t+), limh(t) t 116/2/202211右半开平面 : 实数: p=, h(t)= e t limh(t) t 复数: p=j, h(t)= e t cos(t+) limh(t) t 126/2/202212 jO 0j0j 几种典型情况几种典型情况136/2/202213 Z平面: 单位圆内:p=-1/3,h(k)=
5、(-1/3)k (k) 0 单位圆上:p=1,h(k)= (1)k(k),有限值. 单位圆外:p=2,h(k)= (2)k (k) 2.离散系统:-1/312RezImzZ平面146/2/202214OzRezjIm1 1 极点位置与h(k)形状的关系156/2/202215s平面平面(单极点单极点)z平面平面(单极点单极点)极点位置极点位置h(t)特点特点极点位置极点位置h(k)特点特点虚轴上虚轴上等幅等幅单位圆上单位圆上等幅等幅原点时原点时 左半平面左半平面衰减衰减单位圆内单位圆内减幅减幅右半平面右半平面增幅增幅单位圆外单位圆外增幅增幅 st10 1zzk利用zs平面的映射关系1 z166
6、/2/202216三、极点零点与频域响应的关系:定义 所谓所谓“频响特性频响特性”是指系统在正弦信号激励下稳态是指系统在正弦信号激励下稳态响响应随频率的变化情况。应随频率的变化情况。 176/2/202217前提:稳定的因果系统。前提:稳定的因果系统。 有实际意义的物理系统都是稳定的因果系统。有实际意义的物理系统都是稳定的因果系统。 0lim tht时域:时域:频域:频域:H(s)的全部极点落在的全部极点落在s左半平面。左半平面。 其收敛域包括虚轴:其收敛域包括虚轴:拉氏变换拉氏变换 存在存在傅里叶变换傅里叶变换 存在存在 186/2/202218 tEtesH0msin ,激激励励源源设设系
7、系统统函函数数为为 000mmmsin tHEtr 0j000ejj HHssH 其中其中 HHssH jejjj H j 1.H(s)和频响特性的关系频响特性频响特性系统的稳态响应系统的稳态响应幅频特性幅频特性相相频特性(相移特性)频特性(相移特性)196/2/2022192几种常见的滤波器O jH c O jH c O jH 1c 2c O jH 1c 低低通通滤滤波波器器高高通通滤滤波波器器带带通通滤滤波波器器带带阻阻滤滤波波器器通通带带阻阻带带截截止止频频率率2c 206/2/2022203.极点零点与频率响应:1.连续系统: niimjjmpszsbsH11)(niimjjmjspj
8、zjbsHjH11)()(216/2/202221矢量分析法: Ai j pi pi i 0 令j-pi= Ai j-zj=BjijejjeBj|zj|i226/2/202222幅频:相位:()=(1+m)-(1+n) 分析: 从0nmjnjmmeAAAeBBBbjH.21.212121.)(nmmAAABBBbjH.| )(|2121236/2/202223例: R u1(s) + - 1/sc u2(s) H(s)=u2(s)/ u1(s) =scRsc11RcsRc111246/2/202224 极点:p=-1/Rc,左半开平面. 定量: ()=0-arctgRcjRcjH111)(22
9、111| )(|RcRcjHRc1256/2/202225定性: 从0变化.H(j) = ()=0- j A j -1/Rc 0 ARc11266/2/2022261H(j) ()-/2276/2/202227例: 全通函数. H(j) =常数 设二阶系统H(s).左半开平面,有一对极点, p1,2=-j, 右半开平面,有一对零点, z1,2=j2121)(pspszszssH286/2/202228A1=B1, A2 =B2, H(j) =B1 B2/ A1 A2=12121)(pjpjzjzjjH21212121jeAABBp1p2z1z2A1A2B1B2296/2/202229结论:n凡
10、极点位于左半开平面,零点位于右半开平面,且所有的零点与极点对于j轴为一镜像对称的系统函数即为全通函数全通函数.306/2/202230例ORC1 j1M1CR tv1 tv2研究下图所示研究下图所示RCRC低通滤低通滤波网络的频响特性波网络的频响特性。 VVHjjj12 写出网络转移函数表达式写出网络转移函数表达式 RCsRCsVsVsH11112解解: : VVMRC j12j1ee111 316/2/202231频响特性 VVMRCH j12j1ee11j1 ORC1 j1M1ORC112VV121ORC1 45 90 112,11MRCVV式中:式中: 处处于于低通网络,截止频率位低通网
11、络,截止频率位RC1 326/2/202232例 。源,且源,且是受控电压是受控电压注意,图中注意,图中的频响特性的频响特性系统系统研究右图所示二阶研究右图所示二阶2211312,jjjCRCRkvVVHRC 其转移函数为其转移函数为 221111121111CRsskCRsCRsVsVsH 相当于低通与高通级联构成的带通系统。相当于低通与高通级联构成的带通系统。 解:解:低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器 1R1C2C2R3kv tv2 tv1 tv3336/2/202233频响特性Oj1M1 111CR 2M221CR 2 1N1 01 11222111 zCRpCRp零点:零点:,
12、极点:极点:2211CRCR/2-/234最小相移函数)()()(*11*22sssssssssHa)()()(*11*22sssssssssHb零、极点均位于s平面左半开平面极点位于s平面左半开平面,零点位于s平面右半开平面幅频特性一致351s*1s*1sjj1s2s*2s1s2s*2s121b2b1b= - 1 , 2b= - 2a()= 1 + 2-1 - 2 b()= 1b + 2b-1 - 2b() -a()= 2- 2(1 + 2) 0对于相同的幅频特对于相同的幅频特性的系统函数,零性的系统函数,零点位于左半开平面点位于左半开平面的系统函数,其相的系统函数,其相频特性最小频特性最小
13、36结论n考虑到网络函数的零点可能在虚轴上n定义:n右半开平面上没有零点的系统函数为最小相移函数n相应的网络称为最小相移网络37对于非最小相移函数)()()(*11*22sssssssssHb)()()()(*22*22*11*22ssssssssssssssss)()()()(*22*22*11*22ssssssssssssssss)()(sHsHca可表示为最小相移函数可表示为最小相移函数与全通函数的乘积与全通函数的乘积最小相移函数全通函数386/2/2022382.离散系统:n因果离散系统,若极点均在单位圆内,则在单位圆上(|z|=1)也收敛幅频响应:相频响应:niiTjmjjTjmTj
14、pezebeH11)(nmjnjmmeAAAeBBBb.21.212121.nmmjAAABBBbeH.| )(|2121niimjj11)(Tjjssteez396/2/202239 Z平面 Bj 1 Ai j I 0 1 Tje406/2/202240 nx nyzs zH离离散散系系统统稳稳定定的的因因果果 nxnO 1sinnA 1A nyzsnO 2sinnB 2B正弦稳态(正弦序列作用下系统的稳态响应)正弦稳态(正弦序列作用下系统的稳态响应)系统对不同频率的输入,产生不同的加权,这就是系系统对不同频率的输入,产生不同的加权,这就是系统的统的频率响应频率响应特性。特性。416/2/2
15、02241由系统函数得到频响特性输出对输入序列的相移输出对输入序列的相移 HzzHH jjjjeeee Hej 离散时间系统在单位圆上的离散时间系统在单位圆上的z变换即为傅氏变换,即系变换即为傅氏变换,即系统的频率响应特性统的频率响应特性: :输出与输入序列的幅度之比输出与输入序列的幅度之比:幅频特性:幅频特性:相频特性:相频特性 DTFT)(ej的的即即nhH 。为周期函数,其周期为为周期函数,其周期为为周期函数,所以为周期函数,所以2 e ejjH 426/2/202242通过本征函数透视系统的频响特性 nh nx ny 为稳定的因果系统为稳定的因果系统nh mmnmhnxnhnyje n
16、y 为本征函数为本征函数设输入设输入 nxn jen je Hje mmmhjen je 为输入序列的加权,为输入序列的加权,体现了系统对信号的处理功能。体现了系统对信号的处理功能。 是是 在单位圆上的动态,在单位圆上的动态,取决于系统的特性。取决于系统的特性。 Hje zH Hje mzmhzH)( zzHHjeje 单位圆上单位圆上436/2/202243离散系统(数字滤波器)的分类Os Hje带带通通Osc Hje低低通通Os Hje高高通通Os Hje带带阻阻O2ss Hje全全通通2s2s2s2s446/2/202244二频响特性的几何确定法 kNkrMrpzzzzH 11 kNkr
17、MrHpzeH jjj1j1jeeee krkkrrBpAz jjjjee ee 令令 kNkrMrBAH11je 幅频响应幅频响应 NkkMrr11 相位响应相位响应 zRe zImj1 1p2p1z2zO1A2A1B2B1 2 1 2 DjeCE456/2/202245几点说明 。零零点点的的作作用用与与极极点点相相反反趋趋于于无无穷穷大大。,则则频频率率响响应应的的峰峰值值落落在在单单位位圆圆上上,若若极极点点值值附附近近愈愈尖尖锐锐;愈愈短短,则则频频率率响响应应在在峰峰越越靠靠近近单单位位圆圆,若若极极点点点点可可能能出出现现峰峰值值。最最短短,则则频频率率响响应应在在该该度度附附近
18、近时时,如如果果矢矢量量的的长长点点旋旋转转到到某某个个极极点点当当应应。变变化化,但但会会响响应应相相位位响响不不会会使使幅幅度度响响应应发发生生处处加加入入或或去去除除零零极极点点,因因而而在在响响应应不不产产生生作作用用,处处的的零零点点或或极极点点对对幅幅度度位位于于 0 e00jiiiiiiBpBpBpzz466/2/202246 7.2 系统的稳定性一.系统的因果性(物理可实现性) 1.连续系统: 定义:若f(t)=0,t0,则yzs(t)=0, t0 因果系统 时域条件:(充要) 当h(t)=0, t0因果系统 因果系统,(t)=0, t0 yzs(t)= h(t)=0, t0
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