信号与系统-第2章-连续信号与系统的时域分析课件.ppt

1、冲激函数及其性质冲激函数及其性质2.1系统的冲激响应系统的冲激响应2.2 信号的时域分解和卷积积分信号的时域分解和卷积积分2.3卷积积分的性质卷积积分的性质2.5卷积的数值计算卷积的数值计算2.6 卷积的图解和卷积积分限的确卷积的图解和卷积积分限的确定定2.42.1.1 冲激函数冲激函数 冲激函数是对于集中于一个瞬间（或冲激函数是对于集中于一个瞬间（或一点）出现的物理量的一种理想描述。一点）出现的物理量的一种理想描述。单位冲激函数的工程定义单位冲激函数的工程定义:000)(ttt和和 1)(dtt 单位冲激函数的工程定义直观地反映单位冲激函数的工程定义直观地反映了它出现时间极短和面积为了它出现

2、时间极短和面积为1两个特点。两个特点。从它从它t=0时函数值趋于无穷大，可以看时函数值趋于无穷大，可以看出，不是通常意义下的函数。出，不是通常意义下的函数。人们将这类非常规函数称为广义函数人们将这类非常规函数称为广义函数（generalized function），或称分配函数），或称分配函数（distribution function）。）。这类函数的数学定义不是象普通函数这类函数的数学定义不是象普通函数那样，由对应于自变量的变化值所取的函那样，由对应于自变量的变化值所取的函数值来定义，而是由它对另一个函数（常数值来定义，而是由它对另一个函数（常称为测试函数）的作用效果来定义的，也称为测试函

3、数）的作用效果来定义的，也就是说，不是用它就是说，不是用它“是是”什么来定义，而什么来定义，而是用它能是用它能“做做”什么来定义的。什么来定义的。单位冲激函数的严格的数学定义。单位冲激函数的严格的数学定义。)0(d)()(ttt（2.1-42.1-4）2.1.2 冲激函数的性质冲激函数的性质 作为广义函数，冲激函数除了式（作为广义函数，冲激函数除了式（2.1-4）和式（）和式（2.1-16）所描述的取样性质（或）所描述的取样性质（或称筛选性质）外，还具有如下常用性质：称筛选性质）外，还具有如下常用性质：1.加权特性加权特性2.单位冲激函数为偶函数单位冲激函数为偶函数3.单位阶跃函数的导数是单位

4、冲激函数单位阶跃函数的导数是单位冲激函数4.尺度变换尺度变换5.冲激函数的导数及其性质冲激函数的导数及其性质 单位冲激函数及其各阶导数和积分是单位冲激函数及其各阶导数和积分是一族最常用的奇异函数。一族最常用的奇异函数。线性时不变时间系统的单位冲激响应，线性时不变时间系统的单位冲激响应，是指系统初始状态为零，激励为单位冲激是指系统初始状态为零，激励为单位冲激信号作用下的响应，简称冲激响应，用信号作用下的响应，简称冲激响应，用 h(t)表示。表示。它反映了系统的特性，同时也是利用它反映了系统的特性，同时也是利用卷积积分进行系统时域分析的重要基础。卷积积分进行系统时域分析的重要基础。1.对于简单电路

5、，直接计算该电路在单位对于简单电路，直接计算该电路在单位冲激信号作用下的零状态响应，即可求得冲激信号作用下的零状态响应，即可求得冲激响应冲激响应h(t)。2.先计算系统的阶跃响应先计算系统的阶跃响应s(t)，然后利用冲，然后利用冲激响应和阶跃响应的关系计算冲激响应激响应和阶跃响应的关系计算冲激响应h(t)。3.从系统的微分方程求解冲激响应。从系统的微分方程求解冲激响应。上一节讨论了系统对于单位冲激信号上一节讨论了系统对于单位冲激信号这一特殊激励下的零状态响应，本节将研这一特殊激励下的零状态响应，本节将研究任意波形信号可以分解为连续的冲激信究任意波形信号可以分解为连续的冲激信号之和，以及任意信号

6、作用下的零状态响号之和，以及任意信号作用下的零状态响应问题，进而说明卷积积分的物理意义。应问题，进而说明卷积积分的物理意义。2.3.1 信号的时域分解信号的时域分解 任意波形的信号可以分解为连续的加任意波形的信号可以分解为连续的加权冲激信号之和。权冲激信号之和。任意波形的信号也可以分解为无限多任意波形的信号也可以分解为无限多个连续的加权阶跃信号之和。个连续的加权阶跃信号之和。2.3.2 零状态响应零状态响应-卷积积分卷积积分 任意波形信号作用于线性系统引起任意波形信号作用于线性系统引起的零状态响应，为的零状态响应，为dthxty)()()(（2.3-102.3-10）式（式（2.3-10）是卷

7、积积分的一般形式，）是卷积积分的一般形式，当与受到某种限制时，其积分上、下限会当与受到某种限制时，其积分上、下限会有所变化。有所变化。若若tt1时，时，x(t)=0，式（，式（2.3-10）中）中的积分下限应从的积分下限应从t1开始，式（开始，式（2.3-10）应）应表示为表示为y txh tdt()()()1（2.3-122.3-12）相反，若相反，若x(t)不受此限，而不受此限，而tt2时，时，h(t)=0，积分上限应取，积分上限应取t-t2，式（，式（2.3-10）应表示为应表示为y txh tdtt()()()2（2.3-132.3-13）若若tt1时，时，x(t)=0，而，而tt2时

8、，时，h(t)=0，式（式（2.3-10）积分上）积分上,下限为下限为y txh tdttt()()()12（2.3-142.3-14）更一般的确定卷积积分的积分限的方更一般的确定卷积积分的积分限的方法将在下一节中进一步进行分析讨论。法将在下一节中进一步进行分析讨论。上一节讨论了一般形式的卷积积分，上一节讨论了一般形式的卷积积分，以及以及x(t)和和h(t)均为有始函数时积分上下限均为有始函数时积分上下限的表示方法，但实际上卷积积分限还要根的表示方法，但实际上卷积积分限还要根据具体情况来确定，特别是当据具体情况来确定，特别是当x(t)和和h(t)两两者或两者之一是分段定义的函数时，图解者或两者

9、之一是分段定义的函数时，图解能帮助正确地确定卷积积分的上下限。能帮助正确地确定卷积积分的上下限。2.4.1 卷积的图解卷积的图解 卷积的图解能够直观地理解卷积积分卷积的图解能够直观地理解卷积积分的计算过程。的计算过程。卷积的图解归纳起来有下列五个步骤：卷积的图解归纳起来有下列五个步骤：1.换元：将和中的变量换元：将和中的变量t更换为变量更换为变量；2.折叠：作出相对于纵轴的镜象；折叠：作出相对于纵轴的镜象；3.位移：把平移一个位移：把平移一个t值；值；4.相乘：将位移后的函数乘以；相乘：将位移后的函数乘以；5.积分：和乘积曲线下的面积即为积分：和乘积曲线下的面积即为t时刻的时刻的卷积值。卷积值

10、。由于卷积积分的计算步骤包括换元、由于卷积积分的计算步骤包括换元、折叠、位移、相乘与积分，故卷积也称为折叠、位移、相乘与积分，故卷积也称为褶积或卷乘等。褶积或卷乘等。2.4.2 卷积的另一种计算方法卷积的另一种计算方法 如果如果x(t)和和h(t)两者或两者之一是分段两者或两者之一是分段连续的函数时，采用式（连续的函数时，采用式（2.3-14）进行卷积）进行卷积计算也是一种较为简便的方法。计算也是一种较为简便的方法。作为一种数学运算方法，卷积积分具作为一种数学运算方法，卷积积分具有某些特殊的性质。有某些特殊的性质。利用这些性质可使卷积运算大为简化。利用这些性质可使卷积运算大为简化。2.5.1

11、卷积代数卷积代数 通常，卷积积分与代数中的乘法运算通常，卷积积分与代数中的乘法运算性质相类似。性质相类似。（1）卷积运算满足交换律）卷积运算满足交换律（2）卷积积分满足分配律）卷积积分满足分配律（3）卷积积分满足结合律）卷积积分满足结合律2.5.2 卷积的微分与积分卷积的微分与积分 上述卷积代数运算的规律与普通乘法上述卷积代数运算的规律与普通乘法类似，但卷积的微分或积分运算却与普通类似，但卷积的微分或积分运算却与普通两函数的乘积的微分、积分运算不同。两函数的乘积的微分、积分运算不同。（1）卷积的微分性质）卷积的微分性质（2）卷积的积分性质）卷积的积分性质（3）卷积的微积分性质）卷积的微积分性质

12、 任意函数任意函数x(t)与单位冲激函数与单位冲激函数(t)卷积卷积的结果仍然是本身，根据式（的结果仍然是本身，根据式（2.3-3）和卷）和卷积的定义，有积的定义，有xttdx tt()()()11（2.5-172.5-17）由此可见任意函数由此可见任意函数x(t)与一个延迟时间与一个延迟时间为为t1秒的单位冲激函数秒的单位冲激函数(t-t1)的卷积，只是的卷积，只是使使x(t)在时间上延迟了在时间上延迟了t1，而波形不变。，而波形不变。这一性质称为重现特性（这一性质称为重现特性（replication property）。）。2.5.3 卷积的时移卷积的时移 若若)()()(thtxty，则则)()()()()(000ttythttxtthtx(2.5-22)(2.5-22)卷积积分除通过直接积分或查表的方卷积积分除通过直接积分或查表的方法进行求解外，还可以利用计算机求解，法进行求解外，还可以利用计算机求解，这就是卷积积分的数值计算。这就是卷积积分的数值计算。