信号与系统(第四章连续时间傅里叶变换)课件.ppt
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- 信号 系统 第四 连续 时间 傅里叶变换 课件
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1、信号与系统 (Signals and Systems)第四章:连续时间傅里叶变换第四章:连续时间傅里叶变换 n连续时间傅里叶变换连续时间傅里叶变换;n傅里叶级数与傅立叶变换之间的关系傅里叶级数与傅立叶变换之间的关系;n傅里叶变换的性质傅里叶变换的性质;n系统的频率响应及系统的频域分析系统的频率响应及系统的频域分析.本章内容本章内容:在工程应用中有相当广泛的信号是非周期信号,在工程应用中有相当广泛的信号是非周期信号,对非周期信号应该如何进行分解,什么是非周期信对非周期信号应该如何进行分解,什么是非周期信号的频谱表示,线性时不变系统对非周期信号的响号的频谱表示,线性时不变系统对非周期信号的响应如何
2、求得,就是这一章要解决的问题。应如何求得,就是这一章要解决的问题。4.0 引言引言 Introduction 在时域可以看到,如果一个周期信号的周期在时域可以看到,如果一个周期信号的周期趋于无穷大,则周期信号将演变成一个非周期趋于无穷大,则周期信号将演变成一个非周期信号;反过来,如果将任何非周期信号进行周信号;反过来,如果将任何非周期信号进行周期性延拓,就一定能形成一个周期信号。期性延拓,就一定能形成一个周期信号。我们把非周期信号看成是周期信号在周期趋我们把非周期信号看成是周期信号在周期趋于无穷大时的极限,从而考查连续时间傅立叶于无穷大时的极限,从而考查连续时间傅立叶级数在级数在 T T趋于无
3、穷大时的变化,就应该能够得趋于无穷大时的变化,就应该能够得到对非周期信号的频域表示方法。到对非周期信号的频域表示方法。4.1 非周期信号的表示非周期信号的表示连续时间傅立叶变换连续时间傅立叶变换一一.从傅立叶级数到傅立叶变换从傅立叶级数到傅立叶变换 我们已经看到,周期性矩形脉冲,当周期我们已经看到,周期性矩形脉冲,当周期 增大时,频谱的幅度随增大时,频谱的幅度随 的增大而下降;谱线的增大而下降;谱线间隔随间隔随 的增大而减小;但频谱的包络不变。的增大而减小;但频谱的包络不变。0T0T0T 当当 时,周期性矩形脉冲信号将演变成为时,周期性矩形脉冲信号将演变成为非周期的单个矩形脉冲信号。非周期的单
4、个矩形脉冲信号。0T (a)(b)(a)014TT(b)0ka0202ka14140018TT再次考察周期性矩形脉冲的频谱图:再次考察周期性矩形脉冲的频谱图:102 由于由于 也随也随 增大而减小,并最增大而减小,并最终趋于终趋于0 0,考查,考查 的变化,它在的变化,它在 时应该时应该是有限的。是有限的。0 1100 1sin2kkTTaTkT0T0kT a0T 于是,我们推断出于是,我们推断出:当当 时,离散的频谱将时,离散的频谱将演变为连续的频谱。演变为连续的频谱。0T 000/20/2()TjktkTT ax t edt由由当当 时时,0T 002,dT0,k()()j tX jx t
5、 edt00lim()kTTaX j如果令如果令则有则有001()kaX jkT与周期信号傅立叶级数对比有:与周期信号傅立叶级数对比有:这表明这表明:周期信号的频谱就是与它相对应的非周期周期信号的频谱就是与它相对应的非周期信号频谱的样本。信号频谱的样本。根据傅立叶级数表示:根据傅立叶级数表示:000000011()()()2jktjktjktkkkkx ta eX jkeX jkeT连续时间傅立叶变换连续时间傅立叶变换当当0T 时,时,()(),x tx t002,dT0k于是有:于是有:1()()2j tx tX jed傅立叶反变换傅立叶反变换 此式表明,非周期信号可以分解成无数多个频率此式
6、表明,非周期信号可以分解成无数多个频率连续分布、振幅为连续分布、振幅为 的复指数信号之和。的复指数信号之和。由于由于 具有频谱随频率分具有频谱随频率分布的物理含义,因而称布的物理含义,因而称 为为频谱密度函数频谱密度函数。1()2X jd0000,00()limlimkkTTfaX jTaf()X j1()()2j tx tX jed()()j tX jx t edt于是,我们得到了对非周期信号的频域描述方法于是,我们得到了对非周期信号的频域描述方法这一对关系被称为连续时间傅立叶变换对。这一对关系被称为连续时间傅立叶变换对。可见,周期信号的频谱是对应的非周期信号可见,周期信号的频谱是对应的非周
7、期信号频频谱的样本谱的样本;而非周期信号的频谱是对应的周期信;而非周期信号的频谱是对应的周期信号号频谱的包络。频谱的包络。既然傅立叶变换的引出是从周期信号的傅立叶既然傅立叶变换的引出是从周期信号的傅立叶级数表示出发,讨论周期趋于无穷大时的极限得级数表示出发,讨论周期趋于无穷大时的极限得来的,傅立叶变换的收敛问题就应该和傅立叶级来的,傅立叶变换的收敛问题就应该和傅立叶级数的收敛相一致。数的收敛相一致。二二.傅立叶变换的收敛傅立叶变换的收敛这表明能量有限的信号其傅立叶变换一定存在。这表明能量有限的信号其傅立叶变换一定存在。2.Dirichlet 条件条件()x t dt a.绝对可积条件绝对可积条
8、件1.若若2()x tdt 则则 存在。存在。()X j也有相应的两组条件:也有相应的两组条件:b.在任何有限区间内,在任何有限区间内,只有有限个极值点,只有有限个极值点,且极值有限。且极值有限。()x tc.在任何有限区间内,在任何有限区间内,只有有限个第一类间只有有限个第一类间断点。断点。()x t 应该指出应该指出:这些条件只是傅立叶变换存在的充分条件这些条件只是傅立叶变换存在的充分条件。()x t()x t 和周期信号的情况一样,当和周期信号的情况一样,当 的傅立叶变换存的傅立叶变换存在时,其傅立叶变换在在时,其傅立叶变换在 的连续处收敛于信号本的连续处收敛于信号本身,在间断点处收敛于
9、左右极限的平均值,在间断身,在间断点处收敛于左右极限的平均值,在间断点附近会产生点附近会产生Gibbs 现象。现象。sin tt 这两组条件并不等价。例如:这两组条件并不等价。例如:是平方可积是平方可积的,但是并不绝对可积。的,但是并不绝对可积。三三.常用信号的傅立叶变换:常用信号的傅立叶变换:1.()(),0atx teu ta01()atj tX jeedtaj221()X ja-1()tgX ja()x tt01aa01/a()X j12a/2/2aa()X j/4/42.(),0atx tea 结论:结论:实偶信号的傅立叶实偶信号的傅立叶变换是实偶函数。变换是实偶函数。此时可以此时可以
10、用一幅图表示信号的频谱。用一幅图表示信号的频谱。对此例有对此例有()()X jX j()0X j()X j2a1aaa()x tt100022()112atj tatj tX je edteedtaajaja3.()()x tt()()1jtXjt edt0()tt 这表明这表明 中包括了所有的频率成分,且所有频中包括了所有的频率成分,且所有频率分量的幅度、相位都相同。因此,系统的单位冲率分量的幅度、相位都相同。因此,系统的单位冲激响应激响应 才能完全描述一个才能完全描述一个LTI系统的特性,系统的特性,才在信号与系统分析中具有如此重要的意义。才在信号与系统分析中具有如此重要的意义。()t()
11、h t()t()X j0111111111112sin2sin()2Sa()2Sinc()Tj tTTTTX jedtTTTTT 显然,将显然,将 中的中的 代之以代之以 再乘以再乘以 ,即,即是相应周期信号的频谱是相应周期信号的频谱()X j0k01T011101000sin22Sa()kkTTTakTTTkT4.矩形脉冲矩形脉冲:()x t 1,1tT0,1tT1T1Tt()x t1()x tt1T1T1 10 0()x tt12T12T1 10 0()X j0 01T12T12T()X j14T0 0不同脉冲宽度对频谱的影响不同脉冲宽度对频谱的影响可见,可见,信号在时域和频域之间有一种相
12、反的关系信号在时域和频域之间有一种相反的关系。(称为称为理想低通滤波器理想低通滤波器)与矩形脉冲情况对比,可以发现与矩形脉冲情况对比,可以发现信号在时域和频信号在时域和频域之间存在一种对偶关系。域之间存在一种对偶关系。5.1,0,()X jWW1sin()Sa()sinc()2Wj tWWtWWWtx tedWtt()X jWW1 10 0()x tt(/)W0 0W对偶关系可表示如下对偶关系可表示如下:()x tt1T1T1 10 0()X jWW1 10 0()X j0 01T12T()x tt(/)W0 0W 同时可以看到,同时可以看到,信号在时域和频域之间也有一种信号在时域和频域之间也
13、有一种相反的关系相反的关系。即信号在时域脉冲越窄,则其频谱主。即信号在时域脉冲越窄,则其频谱主瓣越宽,反之亦然。瓣越宽,反之亦然。对例对例5.我们可以想到,如果我们可以想到,如果 ,则,则 将趋于将趋于一个冲激。一个冲激。W()x t6.若若 则有则有()1x t()2()X j 因为因为11()22Wj tWed 所以所以()12()Fx t 四四.信号的带宽信号的带宽(Bandwidth of Signals):由信号的频谱可以看出:信号的主要能量总是由信号的频谱可以看出:信号的主要能量总是集中于低频分量。另一方面,传输信号的系统都集中于低频分量。另一方面,传输信号的系统都具有自己的频率特
14、性。因而,工程中在传输信号具有自己的频率特性。因而,工程中在传输信号时,没有必要一定要把信号的所有频率分量都有时,没有必要一定要把信号的所有频率分量都有效传输,而只要保证将占据信号能量主要部分的效传输,而只要保证将占据信号能量主要部分的频率分量有效传输即可。为此,需要对信号定义频率分量有效传输即可。为此,需要对信号定义带宽。通常有如下定义带宽的方法带宽。通常有如下定义带宽的方法:2.对包络是对包络是 形状的频谱,通常定义主瓣宽形状的频谱,通常定义主瓣宽度度(即即频谱第一个零点内的范围频谱第一个零点内的范围)为信号带宽。为信号带宽。Sa()x 下降到最大值的下降到最大值的 时对应的频率范围时对应
15、的频率范围,此时带内信号此时带内信号分量占有信号总能量的分量占有信号总能量的1/2。1.()X j12 以矩形脉冲为例,按带宽的定义,可以得出,以矩形脉冲为例,按带宽的定义,可以得出,脉宽乘以带宽等于常数脉宽乘以带宽等于常数C(脉宽带宽积脉宽带宽积)。这清楚地。这清楚地反映了频域和时域的相反关系。反映了频域和时域的相反关系。4.2 周期信号的傅立叶变换周期信号的傅立叶变换 到此为止,我们对周期信号用傅立叶级数表示,到此为止,我们对周期信号用傅立叶级数表示,非周期信号用傅立叶变换表示。因为数学描述方法非周期信号用傅立叶变换表示。因为数学描述方法的不一致,在某些情况下的不一致,在某些情况下,会给我
16、们带来不便。但会给我们带来不便。但由于周期信号不满足由于周期信号不满足 Dirichlet 条件,因而不能直条件,因而不能直接从定义出发,建立其傅立叶变换表示。接从定义出发,建立其傅立叶变换表示。001()()()2jtj tj tx tX jedede 所对应的信号所对应的信号0()2()X j 考查考查 这表明这表明周期性复指数信号的频谱是一个冲激周期性复指数信号的频谱是一个冲激。于是当把周期信号表示为傅立叶级数时,因为于是当把周期信号表示为傅立叶级数时,因为0()jktkkx ta e就有就有0()2()kkX jak 周期信号的傅立叶变换表示周期信号的傅立叶变换表示0()jktx te
17、0()2()X jk 若若 则则 这表明:周期信号的傅立叶变换由一系列冲激组这表明:周期信号的傅立叶变换由一系列冲激组成,每一个冲激分别位于信号的各次谐波的频率处,成,每一个冲激分别位于信号的各次谐波的频率处,其冲激强度正比于对应的傅立叶级数的系数其冲激强度正比于对应的傅立叶级数的系数 。ka例例1:0001()sin2jtjtx tteej00()()()X jj ()X j00jj000()()()Xj 22222111()()TTjktTkTTat edtt dtTTT()X j0000001()cos2jtjtx ttee例例2:()()nx ttnT例例3:均匀冲激串均匀冲激串TT2
18、T2T0()x tt1()X j02T2T2T()()nx ttnT22()()kX jkTT 22()()kX jkTT 例例4.周期性矩形脉冲周期性矩形脉冲10022sin()2()()kkTTXjkkT 1011002sin22Sa()kTkTTakTTTk10212TT()X j02T1T1T01()x tt0T0T4.3 连续时间傅立叶变换的性质连续时间傅立叶变换的性质 讨论傅立叶变换的性质,旨在通过这些性质揭示讨论傅立叶变换的性质,旨在通过这些性质揭示信号时域特性与频域特性之间的关系,同时掌握和信号时域特性与频域特性之间的关系,同时掌握和运用这些性质可以简化傅立叶变换对的求取。运用
19、这些性质可以简化傅立叶变换对的求取。1.线性线性:Linearity则则()()()()ax tby taX jbY j()(),()()x tX jy tY j若若2.时移时移:Time Shifting这表明信号的时移只影响它的相频特性,其相频这表明信号的时移只影响它的相频特性,其相频特性会增加一个线性相移。特性会增加一个线性相移。()()x tX j则则00()()j tx ttX je若若3.共轭对称性共轭对称性:Conjugate and Symmetry 若若 ()()x tX j则则*()()x tXj*()()j tXjx t edt所以所以*()()j tXjx t edt即
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