信号与系统课件-第一章.ppt
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- 信号 系统 课件 第一章
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1、信号与系统信号与系统Signals&Systems主讲教师:熊主讲教师:熊 芝芝u总学时总学时:48;其中课内学时 44,实验学时 4;u使用教材使用教材:郑君里、应启珩、杨为里,信号与系统2011年第三版u参考教材参考教材:1奥本海姆著、刘树堂译,信号与系统,西安交通大学出版社,1998年第3版;2管致中、夏恭恪,信号与系统(第三版),北京高等教育出版社,1992;3信号与系统计算机练习利用MATLAB,刘树堂译,西安交通大学出版社,2000年6月。知识结构体系知识结构体系上册:上册:连续时间信号与系统连续时间信号与系统连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析傅里叶变换傅里叶变换拉普拉斯
2、变换、拉普拉斯变换、s s域分析域分析傅里叶变换的应用傅里叶变换的应用下册:下册:离散时间信号与系统离散时间信号与系统离散时间系统的时域分析离散时间系统的时域分析Z Z变换变换离散傅里叶变换及其快速算法离散傅里叶变换及其快速算法模拟与数字滤波器模拟与数字滤波器线性反馈系统线性反馈系统1.1 1.1 信号与系统信号与系统问题问题:1 1、什么是信号和系统?什么是信号和系统?2 2、信号与系统信号与系统的主要内容?的主要内容?3 3、学习学习信号与系统信号与系统的用途?的用途?4 4、如何学习这门课?如何学习这门课?一切信息活动都离不开系统的作用一切信息活动都离不开系统的作用!信号与系统的概念信号
3、与系统的概念信息时代的特征:信息时代的特征:用信息科学和计算机技术的理论和手段来解决科学、工程和经济问题。信息活动:信息活动:信息的获取、交换、传输、处理、存储、再现、控制与利用等。信号与系统的概念信号与系统的概念1、信号信号总是作为一个或几个独立变量(自变量)的函数函数而出现,并携带着某些物理现象或物理性质的相关信息信息。信号与系统的概念出现在范围相当广泛的各种领域。在不同领域所表现出的信号与系统的物理性质不同,但有两个基本点是共同的,即:t tf三相电流波形三相电流波形信号与系统的概念信号与系统的概念2.系统系统总会对给定的信号作出响应响应,产生另外一个信号或另外的几个信号。雷娜(雷娜(L
4、enaLena)信息(信息(InformationInformation):):存在于客观世界的一种事物形象。消息(消息(MessageMessage):):用来表达信息的某种客观对象。在通信系统中,一般将语言、文字、图像或数据统称为消息。信号(信号(SignalSignal):):信号是消息信号是消息的表现形式与传送载体,的表现形式与传送载体,消息是信号的传送内容消息是信号的传送内容。信号通常表现为随自变量变化的物理量,其分类包括光信号、声信号、电信号等。电信号是应用最广泛的物理量,如电压、电流、电荷、磁通等。系统(系统(SystemSystem):由若干相互作用和相互依赖的事物组合由若干相
5、互作用和相互依赖的事物组合而成的,具有稳定功能的整体而成的,具有稳定功能的整体。系统可以看作是变换器、处理器。信号与系统的概念信号与系统的概念 通信系统通信系统 为传送消息而装设的全套技术设备(包括传输信道)。转换器转换器发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备受信者受信者干扰或噪声干扰或噪声消息消息信号信号信号信号消息消息通信系统通信系统接收端接收端发送端发送端信息源信息源转换器转换器 收音机工作原理收音机工作原理声声-电转换电转换放大放大解调解调放大放大放大放大电电-声转换声转换调制调制无线电波无线电波信号与系统信号与系统的主要内容的主要内容n两大模块:信号分析信号分析、系统分析系统分析n
6、研究对象:以信号分解为核心思想,研究确知信号的分析方法:时域分析;变换域分析(包括频域、S域、Z域等);以信号分析为基础,建立分析LTI系统的相应方法:时域分析;频域分析;变换域分析(包括S域和Z域);建立建立确知信号分析确知信号分析的理论与方法;的理论与方法;建立建立LTILTI系统分析系统分析的理论与方法;的理论与方法;系统设计;系统设计;学习学习信号与系统信号与系统的用途的用途l信号分析信号分析:对信号进行描述、掌握性质,进行变换l系统分析系统分析:研究系统对给定输入信号所产生的输出响应l系统设计系统设计:为了使给定输入信号经过系统后其输出响应符合人们的希望或要求,系统应该具有什么样的特
7、性,进而设计出该系统 通信、电路设计、生物工程、远程医疗等;通信、电路设计、生物工程、远程医疗等;信号处理、图象恢复与增强、噪声抑制等;信号处理、图象恢复与增强、噪声抑制等;工业控制、化工过程控制、资源遥感、地震预报工业控制、化工过程控制、资源遥感、地震预报、测控导航与制导、人工智能、高效农业、交通监控等测控导航与制导、人工智能、高效农业、交通监控等 经济预测、财务统计、股市分析等;经济预测、财务统计、股市分析等;通信系统通信系统控制系统控制系统n主动学习、扩展学习主动学习、扩展学习n注重理解各种变换的物理含义注重理解各种变换的物理含义n应用所学解决实际问题应用所学解决实际问题如何学好这门课?
8、如何学好这门课?1.2 1.2 信号描述及信号描述及分类分类(一)信号的描述(一)信号的描述u 信号一般用一个或多个信号一般用一个或多个自变量的函数自变量的函数来表示,本课程来表示,本课程中中“信号信号”与与“函数函数”这两个术语经常通用;这两个术语经常通用;u 熟练掌握函数与波形间对应关系是学好信号与系统的熟练掌握函数与波形间对应关系是学好信号与系统的基本技能基本技能基本描述方法:基本描述方法:1 1、数学描述、数学描述:使用具体的数学表达式,把信号描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式2 2、波形描述:、波形描述:按照函数自变量的变化关系,把信号的波形画出来3 3、其它描述、其它描述:
9、表格、频谱分析、各种正交变换等(二)信号的分类(二)信号的分类u 信号的分类方法很多,可以从不同的角度对信号进行信号的分类方法很多,可以从不同的角度对信号进行分类。按分类。按实际用途实际用途划分:电视信号、雷达信号、控制划分:电视信号、雷达信号、控制信号、通信信号、广播信号信号、通信信号、广播信号u 按所具有的按所具有的时间特性时间特性划分划分:确定性信号确定性信号随机信号随机信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号连续时间信号连续时间信号离散时间信号离散时间信号能量信号能量信号功率信号功率信号一维信号一维信号多维信号多维信号u 连续时间信号:连续时间信号:除若干不连续点外,对于任意时间值都除
10、若干不连续点外,对于任意时间值都可以给出确定的信号值,简称为连续信号可以给出确定的信号值,简称为连续信号u 离散时间信号:离散时间信号:只在一些离散时刻有定义的信号,简只在一些离散时刻有定义的信号,简称为离散信号称为离散信号(二)信号的分类(二)信号的分类数字信号:数字信号:时间和幅值均为离散的信号时间和幅值均为离散的信号模拟信号:模拟信号:时间和幅值均为连续的信号时间和幅值均为连续的信号抽样信号:抽样信号:时间离散、幅值连续的信号时间离散、幅值连续的信号量化量化 nfnO nfnO抽样抽样(二)信号的分类(二)信号的分类判断下列波形是连续时间信号还是离散时间信号,判断下列波形是连续时间信号还
11、是离散时间信号,若是离散时间信号是否为数字信号?若是离散时间信号是否为数字信号?(二)信号的分类(二)信号的分类连续信号连续信号/模拟信号模拟信号离散信号离散信号 数字信号数字信号(离散信号)(离散信号)1.3 1.3 信号的运算信号的运算信号的运算信号的运算(一)信号的、(一)信号的、运算运算 两信号两信号f1()和和f2()的相的相 、指同一时刻两信指同一时刻两信号之值对应相加减乘。如号之值对应相加减乘。如:(一)信号的、(一)信号的、运算运算tsin()ttsin(8)ttsin()sin(8)tt(二)信号的微分和积分运算(二)信号的微分和积分运算)(tf101t)(tf 0t)1(1
12、)1(11)()1(tf0td()()()ddtf tf tft微分:微分:积分:积分:结论:结论:(1 1)信号经过信号经过微分微分运算后突出显示了它的变化部运算后突出显示了它的变化部分,起到了分,起到了锐化锐化的作用;的作用;(2 2)信号经过信号经过积分积分运算后,使得信号突出变化部分运算后,使得信号突出变化部分变得变得平滑平滑了,起到了了,起到了模糊模糊的作用;利用积分可的作用;利用积分可以削弱信号中噪声的影响。以削弱信号中噪声的影响。(三)信号的波形变换(三)信号的波形变换 0 0,左左移移(超前超前)左加右减)(tf101t)1(tf101t)1(tf101t2f f(t-t(t-
13、t0 0)将将f f(t)(t)延迟延迟时间时间t t0 0;即将;即将f f(t)(t)的波形向右移动的波形向右移动t t0 0 。f f(t+t(t+t0 0)将将f f(t)(t)超前超前时间时间t t0 0;即将;即将f f(t)(t)的波形向左移动的波形向左移动t t0 0。1 1信号的平移信号的平移)()(tftf将信号将信号f(t)沿沿t t轴平移轴平移即得时移信号即得时移信号)(tf(三)信号的波形变换(三)信号的波形变换2 2信号的信号的反褶反褶()()f tft以纵轴为轴折叠,把信号的过去与未来对调以纵轴为轴折叠,把信号的过去与未来对调 (三)信号的波形变换(三)信号的波形
14、变换()()f tf at3 3信号的信号的尺度变换尺度变换1 ()()01 af tf ata压缩,保持信号的时间缩短压缩,保持信号的时间缩短扩展,保持信号的时间增长扩展,保持信号的时间增长注意注意!()()()(0)f tf atbf a tb aaa11,压缩,压缩a 倍;倍;a11,扩展,扩展1/1/a倍倍 后展缩:后展缩:+,左移,左移 b b 单位;,右移单位;,右移 b b 单位单位 一切变换都是相对一切变换都是相对 t t 而言而言最好用先平移后压扩翻的顺序最好用先平移后压扩翻的顺序 加上倒置:加上倒置:()()fatbfa tb a4 4一般情况一般情况(三)信号的波形变换(
15、三)信号的波形变换先平移:先平移:解解:已知已知 f(t),求,求 f(-3t-2)。例例:()(2)(32)(32)f tf tftft 时间滞后时间滞后2 时间压缩时间压缩3倍倍 时间反褶时间反褶(三)信号的波形变换(三)信号的波形变换或或()()(3)(32)f tftftft 时间反折时间反折 时间压缩时间压缩3倍倍 时间滞后时间滞后2/3(三)信号的波形变换(三)信号的波形变换1.4 1.4 典型信号典型信号 典型信号典型信号 复杂信号可以分解为这些典型信号的复杂信号可以分解为这些典型信号的加权和加权和或或积分积分的形式。对这些典型的基本信号的研究对工程实际或是的形式。对这些典型的基
16、本信号的研究对工程实际或是理论分析都具有重要指导意义。理论分析都具有重要指导意义。抽样抽样信号信号指数指数信号信号典型信号典型信号正弦信号正弦信号单位脉冲信号单位脉冲信号单位阶跃信号单位阶跃信号斜坡信号斜坡信号表达式表达式波形波形性质性质 正弦信号正弦信号esin()00()00tKttf tt()sin()f tKt衰减衰减正弦信号:正弦信号:Ot tfK T 2 2振幅:振幅:K 周期:周期:频率:频率:f 角频率:角频率:初相:初相:fT12 f2 斜坡斜坡、阶跃、脉冲信号、阶跃、脉冲信号10(0)t dttt()()00()10tu tt0(0)()(0)tRamp ttt()(),(
17、)()tdR a m pt utud R a m ptd t()()du ttdt冲激冲激信号信号单位阶跃信号单位阶跃信号的单边特性的单边特性门函数门函数的定义的定义()()()22G tu tu t用单位阶跃信号来表达用单位阶跃信号来表达分段区间信号分段区间信号bta0tt 1tt()()()()f tf t u tau tb0()()()f tf t u tt11()()1()()()f tf tu ttf t utt 单位冲激信号的性质单位冲激信号的性质()()d(0)f tttf()()(0)()f ttft ()()tt1()()atta d()()du ttt()d()tu t 性
18、质性质数学描述数学描述(1)(1)抽样性抽样性(2)(2)奇偶性奇偶性(3)(3)比例性比例性(4)(4)微积分性质微积分性质冲激偶信号冲激偶信号 实实指数信号指数信号()etf tK单边指数单边指数信号信号通常把通常把 称为指数信号的时间常数,记作称为指数信号的时间常数,记作 ,代表信号衰减速度,代表信号衰减速度,具有时间的量纲。具有时间的量纲。其对时间的微分和积分仍然是指数形式其对时间的微分和积分仍然是指数形式。1 指数衰减指数衰减0 0 指数增长指数增长0 0 直流直流(常数常数)0 K0 O()f tt 00()e0ttf tt复指数信号复指数信号分析:分析:()()e e ()eco
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