《信号与系统分析》课件第1章.ppt

1、第第1章绪论章绪论 1.1 信号与系统1.2信号的描述与分类1.3系统的描述与分析1.4信号与系统分析方法概述1.5MATLAB基本知识1.1信号与系统信号与系统 信号和系统在我们生活中无处不见。某电路中的电压、电流是信号，而这个电路则是一个系统；我们日常使用的手机也是一个系统：在通话过程中，手机内置的麦克风将人的声音转变为电信号，电信号再经过手机系统的处理最后转变为电磁波辐射出去。在这个过程中，麦克风转换的电信号作为手机这个系统的输入信号，辐射的电磁波作为手机这个系统的输出信号。一架数码相机也是一个系统：它接收不同光源和目标反射的光，通过CCD图像传感器(光电转换器件)将光转换为电信号，再经

2、过相机上的显示器输出一幅数字图像。上面提到的这些信号有两个非常基本的共同点：首先，它们都是时刻变化的，可以看成是关于单个或多个独立变量的函数，一般以时间为变量；其次，这些信号一般都包含某种相关的信息和消息。所谓信息，是指存在于客观世界的一种事物形象，如语言、文字、图像等。前面提到手机系统中的电信号就包含有声音信息，数码相机输出的数字图像信号就包含有图像信息。对信号的处理和传输，其最终目的是传递其中所包含的信息。由于对语言、文字、图像这些信息进行直接处理和传输会受到很多限制，如传输速度慢、传输距离和传输容量有限等，因此，随着科技的发展，现如今对信息的处理和传输都以电磁信号作为媒介和载体(光信号可

3、以看成是电磁波的一种)。如一个典型的现代通信系统，它的主要任务是传输信息(语言、文字、图像、数据、指令等)，为了便于传输，先由转换设备将所传信息按一定规律变换为相对应的信号(如光信号、电信号，它们通常是随时间变化的电压、电流和光强等)，经过适当的信道(即信号传输的通道，如传输线、电缆、自由空间、光纤等)，将信号传递到接收方，再经过转换设备转换为声音、文字、图像等信息。综上所述，信号可以定义为带有信息的随时间变化的物理量。信号有电信号和非电信号，本课程着重研究电信号的分析、处理和传输。系统和信号是密不可分的，系统对输入的特定信号(输入信号)响应，然后产生另外一些信号(输出信号)。我们将系统定义为

4、具有特定功能的整体，由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成。系统的概念不仅适用于自然科学领域，还适用于社会科学领域，例如企业会根据产品的产量、货存与销售速率等信息建立一个经验系统，用来研究如何根据市场销售状况调节生产速度，使产品既不脱销也不积压，以节省资金提高收益。本书主要讨论处理电信号的系统，一般是具有某些特定功能的电路，因此，在本书中，电路与系统二者通用。图1-1就是一个典型的通信系统示意图。图1-1典型的通信系统信号与系统的分析，有各种各样的研究内容。有时，我们面对的是一个特定的系统，我们感兴趣的是这个系统输入一个信号会得到什么样的响应，也就是找出系统输入输出之间的关系。这一类问题我们归

5、为系统的分析，如在“模拟电子线路”课程中分析一个放大器电路，就是对一个系统的分析。而在另一些场合，我们需要设计出一个系统来对输入信号进行处理，使处理后的输出信号满足我们的要求，这一类问题我们归为系统的设计。例如，当飞机驾驶员和空运交通管制台通信时，通信会受到驾驶舱的背景噪声影响而使通信系统恶化，在这种情况下，需要设计一个系统，使通信信号经过该系统的处理后，保留需要的信号(此处指驾驶员的声音)而排除不需要的信号(驾驶舱的背景噪声)；再比如，在接收来自卫星探测的太空图像时，一般由于成像设备的缺陷和大气影响，收到的图像可能非常不清晰，需要设计一个图像处理系统来补偿图像的某些恶化，或者根据应用要求增强

6、图像的某些特征，如突出图像上的某些线条等。1.2信号的描述与分类信号的描述与分类 1.2.1确定信号与随机信号确定信号与随机信号若信号被表示为一确定的时间函数，对于指定的某一时刻，可确定一相应的函数值，这种信号称为确定信号或规则信号，例如我们所熟知的正弦信号。但是，实际传输的信号往往具有未可预知的不确定性，如果信号不是自变量（时间）的确定函数，即对某时刻t，信号值并不确定，而只知道信号值取某一数值的概率。此类具有统计规律的信号称为无规则信号或随机信号。无线信道中的干扰和噪声就是这类随机信号。本书仅讨论确定信号。但应该指出，随机信号及其通过系统的研究，是以确定信号通过系统的理论为基础的。1.2.

7、2连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号信号是随时间变化的物理量，在1.1节的举例中，有的信号随时间连续地变化，例如模拟放大电路中的电压信号，而另一些信号只在某些特定的时间点上变化，或者说我们只关注信号在这些特定时间点上的变化情况，例如经济系统中的产品库存量这一信号，可能是每天变化，也可能是每周变化一次。用时间函数来表示信号，我们可以根据信号在对应时间函数取值的连续性与离散性，将信号划分为连续时间信号与离散时间信号(简称连续信号与离散信号)。如果在所考虑的时间区间内，除有限个间断点外，对于任意时间值都有确定的函数值与之对应，这样的信号称为连续信号(例如前面提到的放大器中的电压信号

8、)，通常用f(t)表示，例如ttfcos 10)(1，tttf1)(2或者可用波形表示离散信号f1(n)和f2(n)，如图1-3所示。图1-2连续时间信号实际上，连续信号就是函数的定义域是连续的。至于值域，可以是连续的，也可以不连续。如果函数的定义域和值域都是连续的，则称该信号为模拟信号。但在实际应用中，模拟信号和连续信号两词往往不予区分。如果只在某些不连续的时间瞬时才有确定的函数值对应，而在其他时间没有定义，这样的信号称为离散信号(例如前面提到的经济系统中产品库存量信号)，通常用f(n)表示。有定义的离散时间间隔可以是均匀的，也可以不均匀，一般都采用均匀间隔，将自变量用整数序号n表示，即仅当

9、n为整数时f(n)才有定义。例如 或者可用波形表示离散信号f1(n)和f2(n)，如图1-3所示。图1-3离散时间信号同样，离散信号就是函数的定义域是离散的，只取规定的整数的信号。若函数的值域也是离散的，则该信号称为数字信号。在实际中，离散信号和数字信号也不予区分。1.2.3周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号所谓周期信号,就是依一定时间间隔周而复始，而且是无始无终的信号，它们的数学表达式满足f(t)=f(t+nT)n=0,1,2，式中，T为信号的周期。只要给出此信号在任一周期的变化过程，便可确知它在任一时刻的数值。非周期信号在时间上不具有周而复始的特性。若令周期信号的周期T趋于无限大，则

10、成为非周期信号。1.2.4能量信号与功率信号能量信号与功率信号为了知道信号能量或功率的特性，常常研究信号f(t)(电流或电压)在1电阻上所消耗的能量或功率。如果消耗的能量是个有限值，称为能量信号；如果消耗的功率是有限值，称为功率信号。1.2.5一维信号与多维信号一维信号与多维信号在1.1节中提到，信号可以看成是关于单个或多个独立变量的函数，如语音信号可表示为声压随时间变化的函数，只有一个独立的时间变量t，这是一维信号；而一张黑白图像每个点(像素)具有不同的光强度，任一点又是二维平面坐标中的两个变量的函数，这是二维信号。实际上还可能出现更多维数变量的信号，例如电磁波在三维空间中传播，若同时考虑时

11、间变量就构成四维信号。在以后的讨论中，一般情况下只研究一维信号，且自变量为时间。1.3系统的描述与分析系统的描述与分析 从1.1节内容我们知道，系统与信号密切相关，用图1-4可以说明二者之间的关系。从外部引入系统的量称为输入信号或激励信号，通常记为f(t)；在输入信号作用下，系统的响应称为输出信号，通常记为y(t)。系统分析就是要找出输入和输出信号之间的关系。为此，首先要对系统进行描述，即要建立系统的数学模型，然后用数学方法进行求解，并对所得结果进行物理解释，赋予其物理含义。图1-4信号与系统的关系本书中对系统采用两种描述方法：数学模型和模拟框图。系统的数学模型就是找出系统输入信号f(t)和输

12、出信号y(t)的等量关系方程，在已知输入信号f(t)的前提下，代入系统的数学模型可以求出y(t)，达到了系统分析的目的。例如一个系统(放大电路)的数学模型是y(t)=2f(t)，当系统输入信号f(t)=5 cos(3t)时，通过该数学模型可以求出输出信号y(t)=25 cos(3t)=10 cos(3t)。系统的模拟框图是用流程图的方式描述输入信号在系统中经过哪些处理最终到达系统的输出端。这两种方式都是对同一系统的不同描述，因此可以相互转换。由于连续时间系统和离散时间系统的两种描述方式有所不同，因此，系统的这两种描述方法的详细叙述在后续章节中介绍。关于系统的分类，也有许多划分方法。通常将系统分

13、为连续时间系统与离散时间系统、线性系统与非线性系统、时变系统与时不变系统、因果系统与非因果系统、稳定系统与非稳定系统等。本书主要讨论线性时不变(Linear TimeInvariant,LTI)系统，包括连续时间LTI系统和离散时间LTI系统。1.3.1线性时不变线性时不变(LTI)系统系统具有线性和时不变性的系统称为线性时不变系统。1.线性线性系统的线性性质包含两个内容：齐次性和可加性。对于图1-5所示的一个LTI系统，激励为f(t)或f(n)，用f()表示；响应为y(t)或y(n)，用y()表示，则有f()y()(1-1)图1-5LTI系统设a为任意常数，若f()增大a倍，则其响应y()也

14、增大a倍，即af()ay()(1-2)则称该系统是齐次的或均匀的，具有齐次性。若系统对于激励f1()或f2()之和的响应等于各个激励单独作用所引起的响应之和，即 f1()y1()，f2()y2()f1()+f2()y()=y1()+y2()(1-3)则称该系统是可加的，具有可加性。若系统既是齐次的，又是可加的，则称该系统是线性的，具有线性特性，即a1f1()+a2f2()a1y1()+a2y2()(1-4)【例1-1】某连续系统的输入、输出关系为 65)(121)(tfty判断该系统是否是线性系统。解解设f1(t)y1(t)，f2(t)y2(t)则有 65)(121)(11tfty65)(12

15、1)(22tfty将式与式相加得而若激励为f1(t)+f2(t)时，相应的响应y(t)为 可见，式与式并不一致，即y(t)y1(t)+y2(t)也就是该系统不满足可加性，故该系统不是线性系统。610)()(121)()(2121tftftyty65)()(121)(21tftfty【例1-2】某离散系统的输入、输出关系为y(n)=nf(n)，试判断该系统是否是线性系统。解解设f1(n)y1(n),f2(n)y2(n),f1(n)+f2(n)y(n)则有y1(n)=nf1(n)y2(n)=nf2(n)将式与式相加得y1(n)+y2(n)=nf1(n)+f2(n)而 y(n)=nf1(n)+f2(

16、n)可见性与式相等，故该系统满足可加性。又因为 a1f1(n)na1f1(n)=a1y1(n)a2f2(n)na2f2(n)=a2y2(n)所以该系统满足齐次性。故有a1f1(n)+a2f2(n)a1y1(n)+a2y2(n)即该系统是线性系统。2.时不变性时不变性如果系统的参数都是常数，不随时间改变，系统的零状态响应与激励施加的时刻无关。也就是说，若激励为f()时，产生的零状态响应为yf()；若激励延迟一定时间t0(m)接入，即为f(t-t0)或f(n-m)时，其响应也应延迟t0(m)，为yf(t-t0)或yf(n-m)。具有这种特性的系统称时不变(或非时变)系统。反之，称为时变系统。本书只

17、讨论线性时不变系统，我们所研究的系统的数学模型是常系数线性微分(或差分)方程。【例1-3】一连续系统的系统方程(即输入、输出关系)为y(t)=tf(t)+4;一离散系统的系统方程为y(n)=f2(n)。这两个系统是否是时不变的？解解对于连续系统，设f1(t)y1(t)则有 y1(t)=tf1(t)+4若激励为f1(t-t0)时，设其响应为y(t)则有 y(t)=tf1(t-t0)+4若该系统是时不变的，应该有y(t)-y1(t-t0)但从上式可知y(t)=tf1(t-t0)+4(t-t0)f1(t-t0)+4即 y(t)y1(t-t0)故该连续系统是时变的，不是时不变系统。对于离散系统，设 f

18、1(n)y1(n)则有若激励为f1(n-m)时，设其响应为y(n)则有显然y(n)=y1(n-m)即有f1(n)y1(n)f1(n-m)y1(n-m)所以，该系统为时不变系统。)()(211nfny)()(211mnfny对于线性时不变连续系统，除了具有线性特性和时不变特性之外，还具有微分特性，即对一LTI连续系统，其具有的微分特性为若f(t)y(t)则有(1-5)ttyttfd)(dd)(d1.3.2因果性和因果系统因果性和因果系统如果系统现在的输出只取决于现在或过去的输入，则称该系统为因果系统。反之，称为非因果系统。本书主要讨论因果系统。1.3.3稳定性和稳定系统稳定性和稳定系统一个系统，

19、当输入是有界的，其系统的输出也是有界的，则称该系统为稳定系统，该系统具有稳定性。有关系统稳定性的详细讨论，将在后续章节中进行。1.4信号与系统分析方法概述信号与系统分析方法概述 系统分析的主要任务是在给定已知系统和激励的条件下求得响应，所以响应既与激励信号有关，又与系统有关。系统分析的过程就是信号分析过程和系统分析过程。信号的分析包括信号的定义、性质、运算与变换、信号的分解等。系统分析方法有两大类：时域法和变换域法。时域法比较直观，直接分析时间变量的函数来研究系统的时域特性，将在第2章和第5章中详细讨论。变换域法是将信号与系统的时间变量函数变换成相应变换域中的某个变量函数，如第3章中讨论的频域

20、分析是将时域函数变换到以频率为变量的函数，利用傅里叶变换来研究系统的特性。第4章中讨论的复频域分析是将时域函数变换到以复变量为变量的函数，利用拉普拉斯变换来研究系统的特性。第6章中讨论的z域分析是将时域函数变换到z域中分析，利用z变换来研究离散系统的特性。而对系统的数学模型，在时域中使用微分(或差分)方程，在变换域中便转换成代数方程。1.5MATLAB基本知识基本知识 1.5.1MATLAB简介简介MATLAB的含义是Matrix Laboratory矩阵实验室，最初是为了方便矩阵的存取而开发的一套软件。经过几十年的扩充和完善，MATLAB已发展成为集科学计算、可视化和编程于一体的高性能的科学

21、计算语言和软件环境，几乎成为各类科学研究和工程应用中的标准工具。MATLAB是一个交互的系统，输入一条命令，立即就可以得到该命令运行的结果，其基本元素是无需定义维数的矩阵(或数组)。与其他语言相比，MATLAB的语法更简单，更贴近人的思维，用MATLAB编程犹如在草稿纸上排出数学公式进行演算那样方便、高效。因此，MATLAB被称为“草稿纸式”的科学工程计算语言。MATLAB的这些特性使之可以方便地解决大量的工程计算问题，尤其当问题包含有矩阵和矢量运算时，用MATLAB 编程比传统的非交互式标量编程语言，如C，Fortran等在编程上耗费的时间与精力少得多。目前，MATLAB的数值计算、信号处理

22、、图像处理、自动控制、算法设计和通信仿真等众多领域都获得了广泛的应用。在美国许多高校，MATLAB甚至成为了数学、科学和工程学科的标准教学工具，是理工科学生必须掌握的编程语言之一。在工业上，MATLAB也常被用来作为产品研发、算法分析和预研仿真的工具。MATLAB除了其基本组件外，还附带了大量的专用工具箱，用于解决各种特定类别的问题。本书以MATLAB 7.0为基础，主要涉及信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)和控制系统工具箱(Control System Toolbox)。1.5.2MATLAB快速入门快速入门1.MATLAB的工作界面的工作界面MATLAB第

23、一次启动时，包含有四个界面窗口，如图1-6所示。图中是命令窗口(Command Window)，是MATLAB的主窗口，默认位于MATLAB桌面的右侧，用于输入命令、运行命令并显示运行结果。是历史命令窗(Command History)，位于MATLAB桌面左下侧，默认为前台显示。历史命令窗可以保存用户输入过的所有历史命令，为用户下一次使用同一命令提供方便。是当前目录浏览器(Current Diretory)，位于MATLAB桌面的左上侧，默认为前台显示。该窗口显示当前目录及其所的文件。是工作空间窗(Workspace)，位于MATLAB桌面的左上侧，默认为后台显示。可以通过单击左上方的“Wo

24、rkspace”按钮使它在前台展现。图1-6MATLAB的工作界面2.命令窗口及其基本操作命令窗口及其基本操作在命令窗口中可以输入一条命令、变量或函数名，回车后MATLAB即执行运算并可JP2以显示运行结果。例如要计算“34+2”，在提示符“”之后是要键入的算式，MATLAB将计算的结果以ans显示。如果算式是x=34+2，MATLAB将计算结果以变量x显示。即3*4+2ans=14x=3*4+2x=14 如果在输入结尾加上“；”，则计算结果不会显示在命令窗口中，要得知计算值只需在命令窗键入该变量名即可：x=3*4+2;xx=14 MATLAB的基本变量是矩阵形式的，即使是标量，MATLAB也

25、将之视为11的矩阵。要在MATLAB命令窗口输入一个矩阵，例如输入一个33的矩阵，可以按如下方式输入命令：x=1 2 3;4 5 6;7 8 9;或x=1 2 34 5 67 8 9;以上两种输入方式效果是一样的，命令末尾的分号用于禁止显示该命令的执行结果，矩阵的所有元素放在一对中括号 内，矩阵每一行的各个元素之间以空格或逗号“,”隔开，而矩阵的不同行以分号“；”或回车来分隔。除了变量和数学计算式外，在命令窗中键入M文件名(M文件在后面介绍)，即可运行该文件并实现相应的功能。MATLAB提供了方便实用的功能键用于编辑、修改命令窗口中当前和以前输入的命令行。Windows下这些功能键如表1-1所

26、示。表表1-1命令窗口中常用的功能键命令窗口中常用的功能键 3.MATLAB的帮助系统的帮助系统MATLAB提供了强大而完善的帮助系统，包括命令行帮助、联机帮助和演示帮助。要学会使用MATLAB，必须充分利用其帮助系统，尤其是命令行帮助功能。命令行帮助可以通过help命令获得。其命令格式是：help或help目录名/命令名/函数名/主题名/符号HT5SS第一种格式在命令窗口直接输入help，不带任何参数，此时将显示MATLAB的分类目录和对目录内容的简要说明，如下所示：helpHELP topicsmatlageneral-General purpose commands.matlaops-O

27、perators and special characters.matlalang-Programming language constructs.matlaelmat-Elementary matrices and matrix manipulation.matlaelfun-Elementary math functions.matlaspecfun-Specialized math functions.matlamatfun-Matrix functionsnumerical linear algedra.matladatafun-Data analysis and Fourier tr

28、ansforms.matlapolyfun-Interpolation and polynomials.matlafunfun-Function functions and ODE solvers.matlasparfun-Sparse matrices.matlascribe-Annotation and Plot Editing第二种格式可以显示出具体目录所包含的命令和函数，或者具体的命令、函数、符号和某个主题的详细信息。例如，在命令窗口键入help sin 将会显示关于正弦函数sin的详细信息，如下所示：help sinSIN Sine of argument in radians.SI

29、N(X)is the sine of the elements of X.See also asin,sind.Overloaded functions or methods(ones with the same name in other directories)help sym/sin.mReference page in Help browserdoc sin此外，可以用Demo命令演示MATLAB的使用实例，或者通过访问命令窗口的Help菜单中的菜单项获得联机帮助。4.MATLAB的搜索路径的搜索路径MATLAB利用自身的搜索路径来寻找M文件函数，如果要执行的文件不在搜索路径中，就无法

30、执行。利用MATLAB主界面File菜单中的“Set Path”项可以将需要的目录/文件夹添加到MATLAB的搜索路径中。5.M脚本文件与脚本文件与M函数文件函数文件MATLAB有两种运行方式，即命令行运行方式和M文件运行方式。当用户实现一些简单的功能，如简单的计算与画图时，因为输入的语句不多，可以采用命令行方式，即在命令窗口中一行一行地输入命令，并能方便地修改。但如果要实现较复杂的功能，或是一次要执行大量的MATLAB指令，且需要经常修改其中的参数或多次调用，就需要采用M文件方式来运行。简单地说，就是将一些命令预先在文件中编辑好，然后在需要时将文件调出来执行即可。这个文件就称为M文件。M文件

31、是用MATLAB语言编写的文件，其扩展名为.m，可以用MATLAB的M文件编辑器生成。从功能上来讲，M文件可以分成M脚 本(Mscript)文件和M函数(Mfunction)文件两类。M脚本文件就是一系列MATLAB命令的组合，如同操作系统中的批处理文件一样，调用M脚本文件时，MATLAB依次执行文件中的每一行命令。M函数文件与M脚本文件的内容大致相同，主要区别在于：M函数文件第一行开头包含有关键字“function”，关键字后是函数的名称，名称后用小括号包括其需要的输入参数，参数之间用逗号“，”隔开，也可以不包括任何输入参数；函数名称前可以有等号，在此等号的左方是它的输出参数，当有多个输出参

32、数时，将所有输出参数放在中括号 内并用逗号分隔。【例1-4】编写M文件，求1+2+3+50。解解用M脚本文件实现，程序如下：n=50;result=sumn(1:n);%sum函数将数组中的所有元素相加打开M文件编辑器，输入上述两行代码“%”号后为程序的注释，将该脚本文件存为chl_exl.m。如下在命令窗中输入chl_exl,即执行上述求和运算，可在窗口中输入result查看结果：chl_exl;resultresult=1275如果要实现任意数值的连加，用上述M脚本文件，每次运行前需修改n的数值，很不方便。这时可以用M函数文件实现。function y=chl_ex2(n)%this function is an example,adding up from 1 to n;y=sum(1:n);将上述代码编辑为一个M函数文件，并存为chl_exl2.m。这时，在命令窗口如下输入，即可得到和【例1-4】相同的结果。result=chl_ex2(50)result=1275如果要实现其他数值的连加，调用时改变输入参数的值即可。