数字信号处理第一章离散时间信号与系统课件.ppt
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- 数字信号 处理 第一章 离散 时间 信号 系统 课件
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1、第一章第一章 离散时间信号与系统离散时间信号与系统1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列1.2 线性移不变系统线性移不变系统1.3 线性常系数差分方程线性常系数差分方程1.4 连续时间信号的抽样连续时间信号的抽样1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列 信号是传递信息的函数。针对信号的自变量信号是传递信息的函数。针对信号的自变量(时间)和幅值的取值情况,可分为:(时间)和幅值的取值情况,可分为:(1 1)连续时间信号)连续时间信号时间取连续值,幅值可连续可离散。时间取连续值,幅值可连续可离散。模拟信号模拟信号:时间取连续值,幅值连续:时间取连续值,幅值连续 量化信号量化信号:时间取连
2、续值,幅值:时间取连续值,幅值离散离散(2 2)离散时间信号)离散时间信号时间取离散值,幅值可连续可离散。时间取离散值,幅值可连续可离散。数字信号数字信号时间和幅值均取离散值。时间和幅值均取离散值。抽样信号抽样信号时间取离散值,幅值连续时间取离散值,幅值连续(3)(3)模拟信号,抽样信号,数字信号的关系模拟信号,抽样信号,数字信号的关系数字信号数字信号:时间和幅值均为离散:时间和幅值均为离散 的信号。的信号。模拟信号模拟信号:时间和幅值均为连续:时间和幅值均为连续 的信号的信号。抽样信号抽样信号:时间离散的,幅值:时间离散的,幅值 连续的信号。连续的信号。量化抽样信信号号 连续连续离散离散模拟
3、模拟量化量化抽样抽样数字数字:幅值、时间连续幅值、时间连续:幅值离散、幅值离散、时间连续时间连续:时间离散、幅值连续时间离散、幅值连续:幅值、时间离散幅值、时间离散1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列离散时间信号一般是对模拟信号离散时间信号一般是对模拟信号 xa(t)进进行等间隔采样获得的,采样间隔为行等间隔采样获得的,采样间隔为T T,得到,得到:nnTxtxanTta ),()(一、离散时间信号序列的概念0txa(t)0 xa(nT)tT2T1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列对于不同的对于不同的 n n 值,值,xa(nT)是一个有序的数字序列,是一个有序的数字序
4、列,该数字序列就是该数字序列就是离散时间信号离散时间信号。注意,这里的注意,这里的n n取整数,非整数时无定义。取整数,非整数时无定义。nnTxnxa ),()(,.9,8,7,3,2,1.)(nx离散时间信号的表示方法离散时间信号的表示方法:公式法、图形法、集合法。:公式法、图形法、集合法。1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列二、常用序列1.1.单位抽样序列单位抽样序列(n)(n)0,00,1)(nnn0 0 1/1/t tp p(t(t)0 0(1)(1)t t(t)(t)1 1n n0 0(n)(n)1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列2.2.单位阶跃序列单位阶跃
5、序列u(nu(n)0,00,1)(nnnut0u(t)10nu(n)1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列(n)(n)与与u(nu(n)之间的关系之间的关系)1()()(nunun0)()(kknnu令令n-k=m,有,有nmmnu)()(1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列3.3.矩形序列矩形序列R RN N(n(n)nNnnRN其它,010,1)(N为矩形序列的长度0nR4(n)123)()()(NnununRN10)()(NmNmnnR1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列4.实指数序列)()(nuanxn,a为实数为实数0n0a1a-1或或-1a0,序列
6、的幅值摆动序列的幅值摆动0n-1a00na0 时,序列右移时,序列右移延迟延迟当当 n00 时,序列左移时,序列左移超前超前x(n)n0n0 x(n-2)1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列4.序列的翻转n0 x(-n)v x(-n)是是x(n)的翻转序列。的翻转序列。x(-n)是以纵是以纵轴(轴(n=0)为对称轴将序列)为对称轴将序列x(n)加以翻转。加以翻转。x(n)n01.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列5.尺度变换x(n)n0n0 x(2n)(mnx)(nx是是序列每隔序列每隔m m点取一点形成的,相当于点取一点形成的,相当于时间轴时间轴n n压缩了压缩了m m
7、倍。倍。抽取序列抽取序列mnx)(nx是是序列相邻抽样序列相邻抽样点间补(点间补(m m1)1)个零值点,表示零值插值。个零值点,表示零值插值。插值序列插值序列1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列6.累加(等效积分)nkkxny)()(7.7.差分差分运算运算 前向差分前向差分 后向差分后向差分)1()()()()1()(nxnxnxnxnxnx8.8.卷积和卷积和mmnhmxnhnxny)()()()()(等效为等效为翻褶、移位、相乘和相加翻褶、移位、相乘和相加四个步骤。四个步骤。1.1 1.1 离散时间信号离散时间信号序列序列1.2 线性移不变系统离散时间系统Tx(n)y(n)
8、()(nxTny系统系统可定义为将输入序列可定义为将输入序列x(n)映射成输出序列映射成输出序列y(n)的的唯一变换或运算,并用唯一变换或运算,并用T表示,即表示,即1.2.1 线性系统若系统满足若系统满足可加性可加性与与比例性比例性,则称此系统为则称此系统为离散离散时间线性系统时间线性系统。),()(11nxTny)()(22nxTny)()()()()()(212121nbynaynxbTnxaTnbxnaxT其中其中a a、b b为任意常数。为任意常数。设设例例是线性系统。是线性系统。)792sin()()(nnxny证:证:)792sin()()(11nnxny)792sin()()(
9、22nnxny)792sin()()()()(22112211nnxanxanyanya)792sin()()()()(22112211nnxanxanxanxaT)()()()(22112211nyanyanxanxaT所以,此系统是线性系统。所以,此系统是线性系统。例例4)(3)(nxny所代表的系统不是线性系统。所代表的系统不是线性系统。证:证:4)(3)()(111nxnxTny4)(3)()(222nxnxTny)(4)(3)(3)()(2122112211aanxanxanyanya但是但是4)()(3)()(22112211nxanxanxanxaT)()()()(2211221
10、1nyanyanxanxaT所以,此系统是非线性系统。所以,此系统是非线性系统。1.2.2 时不变系统(移不变系统)时不变系统Tx(n)y(n)()(nxTny若若则则)()(00nnxTnnyn n0 0为任意整数。为任意整数。输入时移输入时移n n0 0位,其输出也位,其输出也时移时移n0位位,而幅值却保持,而幅值却保持不变。不变。例例判断系统判断系统bnaxny)()(证:证:bnnaxnnxT)()(00bnnaxnny)()(00)()(00nnxTnny所以,此系统是时不变系统。所以,此系统是时不变系统。的时不变性。的时不变性。)()(nnxny证:证:)()(00nnnxnnxT
11、)()()(000nnxnnnny)()(00nnxTnny所以,此系统不是时不变系统。所以,此系统不是时不变系统。同理,可证明同理,可证明 所代表的所代表的系统不是时不变系统。系统不是时不变系统。)4sin()()(0nnxny例例判断系统判断系统的时不变性。的时不变性。1.2.3 单位冲激响应与卷积和T(n)h(n)一个既满足叠加原理,又满足时不变条件的系统,一个既满足叠加原理,又满足时不变条件的系统,被称为被称为线性时不变系统线性时不变系统(linear shift invariant,LTI)。线性时不变系统可用它的单位线性时不变系统可用它的单位冲激冲激响应来表征。响应来表征。单位单位
12、冲激冲激响应响应,也称单位,也称单位抽样抽样响应响应,是指输入为是指输入为单位冲激序列时系统的输出单位冲激序列时系统的输出,一般用,一般用h(nh(n)来表示:来表示:)()()(nhnTny根据线性系统的叠加性质根据线性系统的叠加性质)()()(mmnTmxnymmnhmxny)()()(又根据时不变性质又根据时不变性质设系统的输入用设系统的输入用x(nx(n)表示,而表示,而mmnmxnx)()()(因此,系统输出为因此,系统输出为)()()()(mmnmxTnxTny通常把上式称为通常把上式称为离散卷积离散卷积或或线性卷积线性卷积或或卷积和卷积和。这一。这一关系常用符号关系常用符号“*”
13、表示:表示:)()()()()(nhnxmnhmxnym1.2.3单位冲激响应与卷积和线性时不变系统的一个重要特性是它的输入与输出序列之间存在着线性卷积关系:v用单位抽样响应用单位抽样响应h(nh(n)来描述系统来描述系统h(n)x(n)y(n)()()()()(nhnxmnhmxnym1.2.3单位冲激响应与卷积和线性卷积的计算计算步骤如下:计算步骤如下:(1)(1)翻褶:翻褶:先在坐标轴先在坐标轴m m上画出上画出x(mx(m)和和h(mh(m),将将h(mh(m)以纵坐标为对称轴折叠成以纵坐标为对称轴折叠成 h(-mh(-m)。(2)(2)移位:移位:将将h(-mh(-m)移位移位n n
14、,得,得h(n-mh(n-m)。当。当n n为为正数时,右移正数时,右移n n;当;当n n为负数时,左移为负数时,左移n n。(3)3)相乘:相乘:将将h(n-mh(n-m)和和x(mx(m)的对应点值相乘。的对应点值相乘。(4)(4)相加:相加:把所有的乘积累加起来,即得把所有的乘积累加起来,即得y(ny(n)。)()()()()(nhnxmnhmxnym例例 已知已知x(n)和和h(n)分别为:分别为:和和a为常数,且为常数,且1a,试求,试求x(n)和和h(n)的线性卷积。的线性卷积。其它,060,)(nanhn其它,040,1)(nnx 计算线性卷积时,一般要分几个区间分别计算线性卷
15、积时,一般要分几个区间分别加以考虑,下面举例说明。加以考虑,下面举例说明。解解 参看参看图图,分段考虑如下:,分段考虑如下:(1)对于对于n4,且,且n-60,即,即46,且,且n-64,即,即64,即,即n10。0nx(n)40nh(n)6n-6mh(n-m)n图解说明图解说明0mx(m)40mh(m)6-6mh(0-m)06(1)n0n-6mh(n-m)n 0(3)4n6n-6mh(n-m)n04 6n-6mh(n-m)n06(4)610n-6mh(n-m)n04(2)0n4n-6mh(n-m)n04图解说明图解说明(1)n0n-6mh(n-m)n 00mx(m)40)()()(nhnxn
16、yaaaaaaaamnhmxnynnnnmmnnmmnnm11111)()()(11)1(000(2)在0n4区间上n-6mh(n-m)n040mx(m)4(3)在4n6区间上n-6mh(n-m)n04 60mx(m)4aaaaaaaaamnhmxnynnnmmnmmnm1111)()()(141)41(404040(4)在6n10区间上n-6mh(n-m)n06100mx(m)4aaaaaaaaaamnhmxnynnnnmmnnnmmnnnm111)()()(741)14()6(4666综合以上结果,综合以上结果,y(n)可归纳如下:可归纳如下:nnaaanaaanaannynnnn10,0
17、106,164,140,110,0)(74141卷积结果卷积结果y(n)如图所示如图所示 6ny(n)1004例例设有一线性时不变系统,其单位设有一线性时不变系统,其单位 冲激响应为冲激响应为000)()(nnnuanhn10 a)()()(Nnununxmmnhmxny)()()(解:解:分段考虑如下:分段考虑如下:(1)对于对于n0;(2)对于对于0n N1;(3)对于对于n N。试求试求x(n)和和h(n)的线性卷积。的线性卷积。0)1(n0)(ny0)(0mxm时,当0)(00mnhmnm时,当(2)在在0 nN 区间上区间上aaaaamnhmxnynnmmnnmmnnm111)()(
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