信号与系统第一章绪论课件.ppt
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- 信号 系统 第一章 绪论 课件
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1、主讲:吕长飞二零零四年本课程内容要点 信号的基本概念;系统的基本概念;连续信号与系统的时域分析;离散信号与系统的时域分析;连续信号与系统的实频域分析(傅立叶分析);离散信号与系统的实频域分析(傅立叶分析);连续信号与系统的复频域(s域)分析;离散信号与系统的复频域(z域)分析;一、基础知识二、其它 随机信号;滤波器的设计;MATLAB的使用;数字信号处理系统的硬件实现;一.定义1.信息、消息、信号(1).信息 信息是指人类社会和自然界种需要传送、交换、存储和提取的抽象内容,它具有客观性和抽象性;(2).消息 人们把表示信息的语言、文字、图像、数据等称为消息;(3).信号 我们把声、光、电等运载
2、消息的物理量称为信号。它们是时间或空间的函数,它可表示成 一 个或几个独立变量的函数。所携带的消息就体现在它们的变化之中。信号是传递信息的函数,它可表示成 一 个或几个独立变量的函数。如:f(x);f(t);f(x,y)等。2.信息、消息与信号之间关系 信号是传输信息的函数,是信息的物理表现形式;而信息是信号的具体内容,通俗地讲,信息就是有用的消息。信息是消息之中赋予人们新知识与新概念的内容,信息是消息的内容,而且是预先不知道的内容。第一节 信号的定义和分类绪 论 二.分类1.连续信号与离散信号 2.实数信号与复数信号3.确定信号与随机信号4.偶信号与奇信号5.周期信号与非周期信号6.能量信号
3、与功率信号7.奇异信号1.连续信号与离散信号 如果t是一个连续变量,那么信号x(t)是连续时间信号,简称连续信号。如果一个连续时间信号x(t)为连续区间(a,b)内的任意值,则把该连续时间信号x(t)称为模拟信号。【a为,b为】时间为离散变量的信号称作离散时间信号,它可以看作是对连续时间信号的取样;而时间和幅值都离散化的信号称作为数字信号。nx(-2)x(-1)x(0)x(1)x(2)x(n)-2-1012 连续信号与离散信号连续信号与离散信号 如果在某一时间间隔内,对于一切时间值,如果在某一时间间隔内,对于一切时间值,除若干不连续点外,该函数都能给出确定除若干不连续点外,该函数都能给出确定的
4、函数值,此信号称为连续信号。的函数值,此信号称为连续信号。和连续信号相对应的是离散信号。代表离和连续信号相对应的是离散信号。代表离散信号的时间函数只在某些不连续的时间散信号的时间函数只在某些不连续的时间值上给定函数值。值上给定函数值。一般而言,模拟信号是连续的(时间和幅一般而言,模拟信号是连续的(时间和幅值都是连续的),数字信号是离散的值都是连续的),数字信号是离散的连续信号f(t)0t0tf(t)f0f1f2离散信号01234-1tf(tk)(3)(2)(4.5)(1.5)(6)(-1)2.实数信号与复数信号 如果一个信号 的值为实数,则把该信号称为实数信号;如果一个信号 的值为复数,则把该
5、信号称为复数信号。复数信号一般可表示为如下形式:其中 和 是实数信号。x t x t 12x tttjxx 1tx 2tx 当信号是一确定的时间函数时,给定某一时间值,就可以确定一相应的函数值。这样的信号称为确定信号。随机信号不是确定的时间函数,只知道该信号取某一数值的概率。带有信息的信号往往具有不可预知的不确定性,是一种随机信号。除实验室发生的有规律的信号外,通常的信号都是随机的,因为确定信号对受信者不可能载有信息。3.确定信号与随机信号确定信号的时间特性确定信号的时间特性 表示信号的时间函数,包含了信号的全表示信号的时间函数,包含了信号的全部信息量,信号的特性首先表现为它的部信息量,信号的
6、特性首先表现为它的时间特性。时间特性。时间特性时间特性主要指信号随时间变化快慢、主要指信号随时间变化快慢、幅度变化的特性。幅度变化的特性。同一形状的波形重复出现的周期长短同一形状的波形重复出现的周期长短 信号波形本身变化的速率(如脉冲信号的脉信号波形本身变化的速率(如脉冲信号的脉冲持续时间及脉冲上升和下降边沿陡直的程冲持续时间及脉冲上升和下降边沿陡直的程度)度)以时间函数描述信号的图象称为以时间函数描述信号的图象称为时域图时域图,在时域上分析信号称为在时域上分析信号称为时域分析时域分析。确定信号的频率特性确定信号的频率特性 信号还具有频率特性,可用信号的频谱函数来表示。在频谱信号还具有频率特性
7、,可用信号的频谱函数来表示。在频谱函数中,也包含了信号的全部信息量。函数中,也包含了信号的全部信息量。频谱函数表征信号的各频率成分,以及各频率成分的振幅和频谱函数表征信号的各频率成分,以及各频率成分的振幅和相位。相位。频谱:对于一个复杂信号,可用傅立叶分析将它分解为许频谱:对于一个复杂信号,可用傅立叶分析将它分解为许多不同频率的正弦分量,而每一正弦分量则以它的振幅和多不同频率的正弦分量,而每一正弦分量则以它的振幅和相位来表征。将各正弦分量的振幅与相位分别按频率高低相位来表征。将各正弦分量的振幅与相位分别按频率高低次序排列成频谱。次序排列成频谱。频带:复杂信号频谱中各分量的频率理论上可扩展至无限
8、,频带:复杂信号频谱中各分量的频率理论上可扩展至无限,但因原始信号的能量一般集中在频率较低范围内,在工程但因原始信号的能量一般集中在频率较低范围内,在工程应用上一般忽略高于某一频率的分量。频谱中该有效频率应用上一般忽略高于某一频率的分量。频谱中该有效频率范围称为该信号的频带。范围称为该信号的频带。以频谱描述信号的图象称为频域图,在频域上分析信号称为以频谱描述信号的图象称为频域图,在频域上分析信号称为频域分析。频域分析。4.偶信号与奇信号 偶信号:奇信号:任意一个信号可以表示为偶信号与奇信号的和,即:其中 xtxtxnx n xtx txnx n eoeox tttx nnnxxxx 1212e
9、otx txttx txtxx 01212enx nxnnx nxnxx 用确定的时间函数表示的信号,可以分为周期信号和非周期信号。当且仅当 则信号f(t)是周期信号,式中常数T 是信号的周期。换言之,周期信号是每隔固定的时间又重现本身的信号,该固定的时间间隔称为周期。非周期信号无此固定时间长度的循环周期。()f tTf tt 5.周期信号与非周期信号严格数学意义上的周期信号,是无始严格数学意义上的周期信号,是无始无终地重复着某一变化规律的信号。无终地重复着某一变化规律的信号。实际应用中,周期信号只是指在较长实际应用中,周期信号只是指在较长时间内按照某一规律重复变化的信号。时间内按照某一规律重
10、复变化的信号。实际上周期信号与非周期信号之间没实际上周期信号与非周期信号之间没有绝对的差别,当周期信号有绝对的差别,当周期信号f fT T(t t)的周期的周期T T 无限增大时,则此信号就转化为非无限增大时,则此信号就转化为非周期信号周期信号f f(t t)。即。即lim()()TTftf t6.能量信号与功率信号 2lim()TTTWt dtx21lim()2TTTPt dtTx 信号还可以用它的能量特点加以区分。信号还可以用它的能量特点加以区分。在一定的时间间隔内,把信号施加在一负载上,负载上就在一定的时间间隔内,把信号施加在一负载上,负载上就消耗一定的信号能量。消耗一定的信号能量。把该
11、能量值对于时间间隔取平均,得到该时间内信号的平把该能量值对于时间间隔取平均,得到该时间内信号的平均功率。均功率。如果时间间隔趋于无穷大,将产生两种情况。如果时间间隔趋于无穷大,将产生两种情况。信号总能量为有限值而信号平均功率为零,称为能量信号;信号总能量为有限值而信号平均功率为零,称为能量信号;考察信号能量在时域和频域中的表达式,非周期的单脉冲信考察信号能量在时域和频域中的表达式,非周期的单脉冲信号就是常见的能量信号;信号平均功率为大于零的有限值而号就是常见的能量信号;信号平均功率为大于零的有限值而信号总能量为无穷大,称为功率信号,考察信号功率在时域信号总能量为无穷大,称为功率信号,考察信号功
12、率在时域和频域中的表达式。周期信号就是常见的功率信号。和频域中的表达式。周期信号就是常见的功率信号。dttfETT2/2/2|)(|dttfTPTTT2/2/2|)(|1lim如:(连续确定周期信号)(离散确定非周期信号)10cos 1004f tt 0.5nf nn7.奇异信号时域和频域 信号的频谱函数和信号的时间函数既然都包含了信号的全部信息量,都能表示出信号的特点,那么,信号的时间特性与频率特性必然具有密切联系。例:周期性脉冲信号的重复周期的倒数就是该信号的基波频率,周期的大或小分别对应着低的或高的基波和谐波频率;信号分析中将进一步揭示两者的关系。不同频率信号的时域图和频域图不同频率信号
13、的时域图和频域图第二节 信号分析与处理概述一、信号分析 信号处理二、模拟信号处理 数字信号处理三、信号分析、处理与自动控制系统 时域分析信号时域分析(线性系统叠加原理)卷积积分的应用及其数学描述 频域分析周期信号的频域分析(三角与指数傅立叶级数)非周期信号的频域分析(傅立叶积分)信号在频域与时域之间的变换(正反傅立叶变换式)频谱与时间函数的关系 系统的输入信号称为激励,输出称为响应 激励与响应都是时间的函数 激励函数s(t)响应函数r(t)系统对激励的的响应称为冲激响应函数h(t)对激励的响应是激励函数与系统冲激响对激励的响应是激励函数与系统冲激响应函数的应函数的卷积卷积 考察信号考察信号 式
14、中式中1 1=2=2f f1 1。1 1称为称为基波频率基波频率,简称基频,简称基频,1 1的倍数称为的倍数称为谐波谐波。该信号的波形图和其频谱图见下图。该信号的波形图和其频谱图见下图。对于周期信号而言,其频谱由离散的频率成分,对于周期信号而言,其频谱由离散的频率成分,即基波与谐波构成。图中,每一条谱线代表一个即基波与谐波构成。图中,每一条谱线代表一个正弦分量,谱线的位置代表这一正弦分量的角频正弦分量,谱线的位置代表这一正弦分量的角频率,谱线的高度代表该正弦分量的振幅。信号率,谱线的高度代表该正弦分量的振幅。信号f f(t t)的成分正好是角频率为的成分正好是角频率为1 1、331 1、551
15、 1和和771 1的正弦波。的正弦波。1111111sinsin3sin5sin7357f ttttt第三节 系统及其分类一、系统的描述 系统定义:若干相互作用、相互联系的事务按一定规律组成具有特定功能的整体称为系统(广义定义)。在信息学科领域,系统是为了实现信息可靠和有效的传输、变换而对信号进行必要的加工、处理、变换的设备的总称。系统的状态:指的是各个变量。初始状态由这些变量的初始值活初始条件来描述,若初始条件为零,则该系统就是松弛的。复频域实频域系统函数描述信号流图描述是框图描述的简化表示流图描述 组合连接表述系统 组合连接表述系统框图描述动态方程输入输出方程方程描述离散系统连续系统 系统
16、类型 描述形式 00nmijiiijttyfab00nmn imjijkikjyfab xtA xtB ftytC xtD ft1xkAxkBfkykC xkD fkDHj H sjHe H z说明:系统的各种描述方式之间可以相互转换。对于一个确定的系统,输入、输出方程形式唯一,系统 函数唯一,而状态方程、框图、信号流图均可由多种形式。二、连续时间与离散时间系统二、连续时间与离散时间系统输入信号与输出响应都是连续时间信号的系统。输入信号与输出响应都是连续时间信号的系统。连续时间系统连续时间系统()x t()y t连续时间系统:连续时间系统:(Continuous-Time and Discre
17、te-Time Systems)离散时间系统离散时间系统()x n()y n离散时间系统:离散时间系统:输入信号与输出响应都是离散时间信号的系统。输入信号与输出响应都是离散时间信号的系统。可以通过对简单系统(子系统)的分析并通可以通过对简单系统(子系统)的分析并通过子过子系统互联而达到分析复杂系统的目的。系统互联而达到分析复杂系统的目的。也可以通过将若干个简单子系统互联起来而实现也可以通过将若干个简单子系统互联起来而实现一个相对复杂的系统。这一思想对系统分析和系统一个相对复杂的系统。这一思想对系统分析和系统综合都是十分重要的。综合都是十分重要的。三三.系统的互联系统的互联 (Interconn
18、ection of Systems)现实中的系统是各式各样的,其复杂程度也大相现实中的系统是各式各样的,其复杂程度也大相径庭。但许多系统都可以分解为若干个简单系统的径庭。但许多系统都可以分解为若干个简单系统的组合。组合。2.并联并联(parallel interconnection)()x t()x n()y t()y n1.级联级联 (cascade interconnection)()x t()x n()y t()y n3.反馈联结反馈联结(Feedback interconnection)()x n()x t()y t()y n工程实际中也经常将级联、并联混合使用,如:工程实际中也经常将
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