信号与系统基础及应用第4章-离散时间信号分析课件.pptx
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- 信号 系统 基础 应用 离散 时间 分析 课件
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1、信号与系统基础及应用 第1章 信号与系统基础知识 第2章 连续时间信号分析 第3章 连续时间系统分析 第4章 离散时间信号分析 第5章 离散时间系统分析 第6章 离散傅里叶变换及应用 第7章 数字滤波器设计第4章 离散时间信号分析4.2 离散时间傅里叶变换(离散时间傅里叶变换(DTFT)4.1 离散时间傅里叶级数(离散时间傅里叶级数(DTFS)(Discrete Time Fourier Series)(Discrete Time Fourier Transform)4.3 奈奎斯特抽样定理奈奎斯特抽样定理4.1 离散时间傅里叶级数(离散时间傅里叶级数(DTFS)4.1.1 周期信号的离散时间
2、傅里叶级数周期信号的离散时间傅里叶级数4.1.2 离散时间周期信号的频谱离散时间周期信号的频谱4.1.3 离散时间傅里叶级数的离散时间傅里叶级数的性质性质()x nnN0N2N()()x nx nrN()x t1.离散周期信号的定义离散周期信号的定义4.1.1周期信号的离散时间傅里叶级数周期信号的离散时间傅里叶级数2.正弦序列的周期性正弦序列的周期性一个连续时间正弦信号一个连续时间正弦信号cos t,无论无论 取何值,都是一个周期信号。取何值,都是一个周期信号。cos()cosnNn2,Nm2mN如果如果则必须有则必须有即即 为有理数为有理数n,N,m均为均为整数整数则基波周期为则基波周期为2
3、Nm对于离散正弦序列对于离散正弦序列cos n或者指数形式或者指数形式ej n,情况并非如此,情况并非如此,仅当仅当/2 为有理数时,为有理数时,cos n或者或者ej n才是才是周期的。周期的。m取满足条件的最小正整数。取满足条件的最小正整数。【例例4.1】4(1)cos(3),17n4=17217=2mNm可以找到一个整数可以找到一个整数m使使N成成为一个整数!为一个整数!4217=2217是有理数,所以该信号是有理数,所以该信号是离散周期信号。是离散周期信号。17N 当m=2时,则则N为基波周期。为基波周期。(2)cos0.8,n=0.8/2 不是有理数,不是有理数,该信号该信号不是离散
4、周期信号。不是离散周期信号。000/2/2jj2()e,1=()e,0,1,2,.kkTkTktktx tXTXx tdt kT 3.推导离散周期信号推导离散周期信号的傅里叶级数公式的傅里叶级数公式T为信号周为信号周期,期,Ts为抽为抽样样周期周期sstnTTNT2j()eNkknkxXn离散化后成为离散周期信号(变量替换):离散化后成为离散周期信号(变量替换):2210212jjj()eeeNNNNkkkkkNkNkknnknxXXXn221010j(j)eeNNNNkNkkkknnk NXX212010jjeeNNNkkNk NkkknnXX210jeNNkk NkknXX210j()eN
5、NkknX k()k Nkk NX kXXXn kXt kXk NX-k NX()x t()x nn()x n()X k时域抽样,导致频域卷积,时域抽样,导致频域卷积,变成周期延拓变成周期延拓20101j()e1NrNkNknnNX k210j()()eNNkknx nX k212010jj()ee1NNNknNknrnNX k 210j(1)eNNnrnxNn202110jj1()eeNNnNNkkrnnXNk10,10,()NkN krXkrNk(),0,1X k kN120je,0,Nk rnNnN krkr1,11mnnkk mxxxxx210j(1)eNNnrnxNn22jje=e1
6、1NNk rkNr上式直接求取直接求取级数有限项求和级数有限项求和DTFS21j021j0()()e1()()e()()D TF SNknNkNknNnx nX kX kx nNx nX k 记作:离散性离散性谐波性谐波性周期性周期性00jj0()e1()e()CTF SktkkTktkkx tXXx tdtTx tX 记作:02N02TCTFS2jeNNW旋转因子旋转因子设设 为为周期周期脉冲串,脉冲串,)(nx()()rx nnrN,解:对于解:对于0nN-1,)()(nnx)(nx1100111()()()NNnknkNNnnX kx n Wn WNNN对于所有的对于所有的k值,值,均相
7、同。均相同。()X k211j0011()()eNNnknkNNrkkx nnrNWNN的的DTFSDTFS系数为系数为 求其傅里叶级数表示。求其傅里叶级数表示。【例例4.2】已知已知周期序列周期序列 如图所示,如图所示,其周期其周期N=10,试求它的傅里叶级数试求它的傅里叶级数系数系数 。()x n()X k294-j10100011()()e1010nknknnX kx n W1【例例4.3】解:解:4.1.2 离散时间周期信号的频谱离散时间周期信号的频谱21j0()()eNnkNkx nX kj()()=|()|eX kX kX k幅度特性幅度特性相位特性相位特性基频基频02=N因此,把
8、因此,把 称为称为 的频谱。的频谱。()X k()x ncos0.1n求的离散傅里叶级数表达式。【例例4.4】:1):2/0.120=20=1N Nmmm解 求()21j019j 0.10cos012)(),()()e1e20.1NknNnknnX kX knnxN求 19j0.1j0.j0.1019j0.1(1)j01.1(1)01e201(ee14ee0()2knnnknnnkn19j0.1(1)j0.1(1)01()(ee)40nknknX k相角为0相角为011200,1402 11020,19402kksin0.1n求的离散傅里叶级数表达式。【例例4.5】:1):2/0.120=20
9、=1NNmmm解 求()21j019j 0.10sin012)(),()()e1e20.1NknNnknnX kX knnxN求 19j0.1j0j0.1019j0.1(1)j0.1(1.1)011(ee)e201(ee)4 j2j0knnnknknnn19j0.1(1)j0.1(1)01()(ee)40jnknknX k相角为-/2相角为/211200,140j2j 11020,1940j2jkk 求求周期周期信号信号()4cos2.42sin3.2x nnn01kN画出它的幅度谱和相位谱。画出它的幅度谱和相位谱。05,2/0.4NN根据周期信根据周期信号的定义求号的定义求取周期取周期解:解
10、:4cos2.4n的基波周期是的基波周期是N1=52sin3.2n的基波周期也是的基波周期也是N2=5对于对于x(n),()4cos(20.4)2sin(21.2)4cos0.42sin1.2224c1os2sin355x nnnnnnnnn【例例4.6】的的离散时间傅里叶级数,并对离散时间傅里叶级数,并对 欧拉公式欧拉公式皆是周期为皆是周期为N的周期序列,的周期序列,)(1nx)(2nx1122()()()()D TF SD TF SX kx nXkx n 4.1.3 离散时间傅里叶级数的离散时间傅里叶级数的性质性质设设和和它们各自的它们各自的DTFS分别为:分别为:1.线性线性 1212(
11、)()()()D TF S ax nbx naX kbXk式中,式中,a和和b为任意常数,所得到的频域序列也是周期为任意常数,所得到的频域序列也是周期序列,周期为序列,周期为N。2.序列序列的移位的移位 2j()()e()mkmkNNx nmWX kX kD TF S或或2j()()e()nlnlNNX klW x nx nID TF S 证明:证明:101()()NnkNnx nmx nm WND TF S令令i=n+m()()D TF SnlNW x nX kl11=()NmkimkNNi mx i W WN 101=()NmkkiNNiWx i WN=()mkNWX k101()01()
12、()1=()()NnlnlknNNNiNl k nNnW x nW x n WNx n WX klND TF S2j()()e()nlnlNNX klW x nx nID TF S 3.周期周期卷积卷积 如果如果)()()(21kXkXkY则则 11201()()()Nmy nY kx m xnmN()ID TF S或或()()()()(lNlNx ny nx l y nly l x nl)=)%121()()()y nx nx nN%周期卷积周期卷积定理定理:得得 11()12001()()NNn m kNkmy nx m XkWN()11()12001()NNn m kNmkx mXkWN
13、()11212011=()()()*()Nmx m xnmx nxnNN证明:证明:112120()()()()ID TF SNknNky nX k XkX k XkW()代入代入 11101()()NmkNmX kx mWN%12101()()Nmy nx m x nmN%()都是变量都是变量m的周期序列,周期为的周期序列,周期为N,故乘积,故乘积也是周期为也是周期为N的周期序列。的周期序列。1()x m、2()x nm、2()x m、1()x n m周期序列的卷积与非周期序列的线性卷积不同。周期序列的卷积与非周期序列的线性卷积不同。求和只在一个周期上进行,即求和只在一个周期上进行,即m=0
14、到到N-1,所以称为周期卷积。所以称为周期卷积。12求求两个周期序列(两个周期序列(N=7)的周期卷积)的周期卷积。1120()=()()Nmy nx m xnm【例例4.7】解:解:2(3)xm?两个周期序列两个周期序列(N=7)的周期卷积的周期卷积 由于由于DTFS和和IDTFS变换的对称性,时域周期序列的乘变换的对称性,时域周期序列的乘积对应着频域周期序列的周期卷积。积对应着频域周期序列的周期卷积。12()()()y nx n x n则有则有 1120111200()()()()()()NnkNkNNnkNkly nY kX kXk WX l Xkl WID TF S如果如果12()()
15、*(),Y kX kXk再经变量替换,得再经变量替换,得4.2 离散时间傅里叶变换(离散时间傅里叶变换(DTFT)4.2.2 离散离散时间傅里叶变换的性质时间傅里叶变换的性质4.2.1 离散非周期信号的傅里叶变换离散非周期信号的傅里叶变换1.从连续时间傅里叶级数到连续时间傅里叶变换从连续时间傅里叶级数到连续时间傅里叶变换()x tt()lim()Tx tx t()x tt(j)limkTXT X4.2.1 离散离散非周期信号的傅里叶变换非周期信号的傅里叶变换nk02.从离散时间傅里叶级数到离散时间离散傅里叶变换从离散时间傅里叶级数到离散时间离散傅里叶变换()x n()X kkkk20N40N1
16、0N()NX k随着随着N N 增大增大,谱线越来越密。当,谱线越来越密。当N N 趋于趋于无穷时,谱线会怎样呢?无穷时,谱线会怎样呢?()lim()Nx nx nj(e)lim()NNXXk21j021j0()()e1()()eNknNkNknNnx nX kX kx nN 21j0jjlimlim()e)ee(NknNNNnnnNX kXnxxn3.DTFT 公式推导公式推导2,()(),Nx nx n kN 21j01jjj021221lim()lim()e lim(e)2eeNknNNkNnNknNNx nXdx nXkNkX因此,离散时间傅里叶变换的定义为因此,离散时间傅里叶变换的定
17、义为 jj21ee2nx nXd jjeennXx n反正正x(n)可以表示成无穷多个可以表示成无穷多个复指数信号的加权和复指数信号的加权和X(ej)表示了单位频带表示了单位频带的复振幅的复振幅 j2j2j(e)eennXx nX(1)X(ej)是连续的,并且以是连续的,并且以2 为周期,为单位频为周期,为单位频带的复振幅。带的复振幅。4.DTFT的特点的特点(2)x(n)绝对可和是其傅里叶变换存在的充分条件。绝对可和是其傅里叶变换存在的充分条件。|()|nx n 只是充分条件,不是必要条件。例如:只是充分条件,不是必要条件。例如:()1x n 12(2)D TF Tll 0j()enx n0
18、j0e2(2)D TF Tnll (),|1nx na u najj1(e)11eXaa,求序列求序列x(n)的的DTFTDTFT。jjj00ee(e)nnnnnXaa【例例4.8】解:解:jj1(e),1eXa1a j1(e)1cosj sinXaaj22211(e)(1cos)(sin)12 cosXaaaajsin(e)arctg1cosaXa 周期为2的偶函数周期为2的奇函数分析:分析:取取a=0.8()nx na,1jjjj0(e)eee()nnnnnnnnx naXa其中其中1jj1eennnnnnaajje1eaajjjje1(e)1e1eaXaa22112 cosaaa1 a【
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