第一章信号与系统

教材：郑君里《信号与系统》，高等教育出版社，2000年5月第2版参考书：1、管致中，《信号与线性系统》上、下册，高等教育出版社，2004年第4版2、AlanV.oppenheim，《信号与系统》刘树棠译，西安交通大学出版社，1998年3月第1版3、徐守时，《信号与系统-理论、方法与应用》，中国科技大学出版社，2006年第2版学时：72学时考试方式：闭卷考试第一章信号和系统信号的概念、描述和分类信号的基本运算典型信号系统的概念和分类1.1绪论一、信号的概念消息(message)：常常把来自外界的各种报道统称为消息。信息(information)：通常把消息中有意义的内容称为信息。信号(signal)：信号是反映信息的各种物理量，是系统直接进行加工、变换以实现通信的对象。信号是信息的表现形式，信息是信号的具体内容。信号是信息的载体，通过信号传递信息。二、系统的概念系统(system)是指若干相互关联的事物组合而成具有特定功能的整体。自然和物理信号：语音、图像、地震信号、生理信号等人工产生的信号：人类为了达到某种目的人为产生的信号。雷达信号、通讯信号、医用超声信号、机械探伤信号等。1.2信号的描述和分类一、信号的描述1、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、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。“信号”与“函数”两词常相互通用。二、信号的分类1.确定信号和随机信号确定信号或规则信号：可以用确定时间函数表示的信号随机信号:若信号不能用确切的函数描述，它在任意时刻的取值都具有不确定性，只可能知道它的统计特性f(t)t000ttttf(t)f(t)连续时间信号：在连续的时间范围内(-∞t∞）有定义的信号称为连续时间信号，简称连续信号。离散时间信号：仅在一些离散的瞬间才有定义的信号称为离散时间信号，简称离散信号。实际中也称为数字信号。2.连续信号和离散信号离散信号可表示为x(nT)，通常取等间隔T，简写为x(n)，这种等间隔的离散信号也常称为序列。其中k称为序号。x(n)={…，0，1，2，-1.5，2，0，1，0，…}↑n=0通常将对应某序号m的序列值称为第m个样点的“样值”。f(t)f(t)tt3.周期信号和非周期信号周期信号：是指一个每隔一定时间T，按相同规律重复变化的信号。(在较长时间内重复变化)连续周期信号f(t)满足f(t)=f(t+mT)，离散周期信号x(n)满足x(n)=x(n+mN)，满足上述关系的最小T(或整数N)称为该信号的周期。非周期信号：不具有周期性的信号称为非周期信号。tttf(t)f(t)f(t)TT[例1.2.1]判断下列信号是否为周期信号，若是，确定其周期。（1）f1(t)=sin2t+cos3t（2）f2(t)=cos2t+sinπt解：两个周期信号x(t)，y(t)的周期分别为T1和T2，若其周期之比T1/T2为有理数，则其和信号x(t)+y(t)仍然是周期信号，其周期为T1和T2的最小公倍数。（1）sin2t是周期信号，其角频率和周期分别为ω1=2rad/s，T1=2π/ω1=πscos3t是周期信号，其角频率和周期分别为ω2=3rad/s，T2=2π/ω2=(2π/3)s由于T1/T2=3/2为有理数，故f1(t)为周期信号，其周期为T1和T2的最小公倍数2π。（2）cos2t和sinπt的周期分别为T1=πs，T2=2s，由于T1/T2为无理数，故f2(t)为非周期信号。结论：①两连续周期信号之和不一定是周期信号，而两周期序列之和一定是周期序列。②连续正弦信号一定是周期信号，而正弦序列不一定是周期序列。4．能量信号与功率信号信号可看作是随时间变化的电压或电流，信号f(t)在１欧姆的电阻上的瞬时功率为|f(t)|²，在时间区间所消耗的总能量和平均功率分别定义为：能量信号：信号总能量为有限值而信号平均功率为零。功率信号：平均功率为有限值而信号总能量为无限大。tdtfETTT2)(lim总能量tdtfTPTTT2)(21lim平均功率特点：时限信号(仅在有限时间区间不为零的信号)为能量信号。周期信号都是功率信号；非周期信号可能是能量信号[t,f(t)=0],也可能是功率信号[t,f(t)≠0]。信号f(t)可以是一个既非功率信号，又非能量信号，如单位斜坡信号。但一个信号不可能同时既是功率信号，又是能量信号。5．一维信号与多维信号信号可以表示为一个或多个变量的函数，称为一维或多维函数。本课程只研究一维信号，且自变量多为时间。6．因果信号若当t0时f(t)=0,当t0时f(t)≠0的信号,称为因果信号。而若t0时f(t)0，t≥0，f(t)=0的信号称为非因果信号。注意非因果信号指的是在时间零点之前有非零值。1.2信号的基本运算)(1tf101t)(2tf101t)()(21tftf101t2)()(21tftf101t一、信号的＋、－、×运算两信号f1(·)和f2(·)的相＋、－、×指同一时刻两信号之值对应相加减乘。如)(tf101t)1(tf101t)1(tf101t2二、信号的时间变换运算1.平移将f(t)→f(t+t0)，x(n)→x(n+n0)称为对信号f(·)的平移或移位。若t0(或n0)0，则将f(·)右移；否则左移。f(t-t0)将f(t)延迟时间t0；即将f(t)的波形向右移动t0。f(t+t0)将f(t)超前时间t0；即将f(t)的波形向左移动t0。2.反转将f(t)→f(–t)，x(n)→x(–n)称为对信号f(·)的反转或反折。从图形上看是将f(·)以纵坐标为轴反转180度。如)(tf101t)(tf01t3.尺度变换（横坐标展缩）将f(t)→f(at)，称为对信号f(t)的尺度变换。若a1，则波形沿横坐标压缩；若0a1，则展开。如（1）a1则f(at)将f(t)的波形沿时间轴压缩至原来的1/a压缩)(tf101t2)2(tf101t25.0（2）0a1则f(at)将f(t)的波形沿时间轴扩展至原来的1/a。扩展)(tf101t2)(21tf104t2对于离散信号，由于x(an)仅在为an为整数时才有意义，进行尺度变换时可能会使部分信号丢失。因此一般不作波形的尺度变换。[例1.3.1]（1）已知信号f(t)的波形如图所示，试画出f(-2t-4)的波形解：平移、反转、尺度变换相结合，三种运算的次序可任意。但一定要注意始终对时间t进行。法一：也可以先平移、再压缩、最后反转法二：也可以先压缩、再平移、最后反转（2）若已知f(–4–2t)，画出f(t)。解：三、信号的微分和积分1、微分：信号f(t)的微分运算指f(t)对t取导数，即2、积分：信号f(t)的积分运算指f(t)在（-∞，t）区间内的定积分，表达式为：dft)()()('tfdtdtf结论：（1）信号经过微分运算后突出显示了它的变化部分，起到了锐化的作用；（2）信号经过积分运算后，使得信号突出变化部分变得平滑了，起到了模糊的作用；利用积分可以削弱信号中噪声的影响。)(tf101t)(tf01t)1()1()()1(tf101t1.4阶跃信号和冲激信号一、典型的连续时间信号1(1)f(t),Katae实指数信号：（对时间的微、积分仍是指数）0a信号将随时间而增长0a信号将随时间而衰减；0a信号不随时间而变化，为直流信号:指数信号的时间常数，越大，指数信号增长或衰减的速率越慢。（对时间的微、积分仍是指数）（对时间的微、积分仍是同频率余弦）（2）正弦信号：)sin()(wtKtf(3)f(t),cos()sin()KstttKtjjKsteee复指数信号：（实际不存在，但可描述各种基本信号）时，直流信号；且时，实指数信号；信号；时，等幅振荡正、余弦信号；时，衰减振荡正、余弦信号；时，增幅振荡正、余弦000000实部、虚部都为正（余）弦信号，指数因子实部表征实部与虚部的正、余弦信号的振幅随时间变化的情况，表示信号随角频率变化的情况。(3)复指数信号Sa(tsin(4))tt抽样信号：0,,()0;;();()2(0)1tnSatSatdtSatdtSa时，Sa(t)具有以下性质：(4)抽样信号0,,()0;;();()2(0)1tnSatSatdtSatdtSa时，0,,()0;;();()2(0)1tnSatSatdtSatdtSa时，二、单位阶跃函数1、定义t01u(t)定义式：u(t)=0，（t0）1，（t0）（采用求函数序列极限的方法定义阶跃函数）2)(tt201)(lim)(0ttu00t01t2、阶跃函数的性质：（1）可以方便地表示某些信号eg:f(t)=2u(t)-3u(t-1)+u(t-2)（2）用阶跃函数表示信号的作用区间（3）积分)()(ttudut三、单位冲激函数单位冲激函数是个奇异函数，它是对强度极大，作用时间极短一种物理量的理想化模型。1、定义：2)(tpt201)(t)(tt0)1()(lim)(0tpt00t0t00)(tt11)(面积为dtt面积为12、冲激函数与阶跃函数关系:dttdut)()(tdtu)()(加权特性)()()()();()0()()(000tttftttftfttf)0()()(fdtttf抽样特性)()()(00tfdttttf3、性质：)()(tt单位冲激函数为偶函数2、δ(t)的尺度变换)(1)(taat)(1)(00attatat这里a和t0为常数，且a0。)0(1)()(fadtattf)(1)()(00atfadttattf3、冲激函数的导数δ’(t)（也称冲激偶）（1）定义：冲激函数的微分将呈现正、负极性的一对冲激，称为冲激偶。dttdt)()(t)(t)1(0（2）冲激偶的性质冲激偶的抽样特性:冲激偶的加权特性:冲激偶’(t)是t的奇函数:)0()()(fdtttf)()()(00tfdttttf)()0()()0()()(tftfttf)()()()()()(00000tttftttftttf)()(tt冲激偶所包含的面积等于0：0)(dtt五、信号的分解信号从不同角度分解：直流分量与交流分量偶分量与奇分量脉冲分量实部分量与虚部分量正交函数分量利用分形理论描述信号1、直流分量与交流分量其中fD为直流分量即信号的平均值；fA(t)为交流分量,直流分量fD与交流分量fA(t):)()(tfftfAD1()()21()f()2foeftftftft其中为偶分量——为奇分量——2、偶分量与奇分量)()()()(tftftft：fooee即分解为)(tf)(tfe)(tfo（1）一种分解为矩形窄脉冲分量：f()组合极限其中为窄脉冲分量冲激信号的叠加3、脉冲分量（2）另一分解为阶跃信号分量之叠加。dttttftf)()()(114.实部分量与虚部分量对于瞬时值为复数的信号f(t)可分解为实、虚部两个部分之和。分解为)(tf)(tfr)(tjfi其实部为：)]()([21)(*tftftfr其复数信号的模为：)()()()()(22*2tftftftftfirj其虚部为：)]()([21)(*tftftfi分解其中正交函数集各分量相互正交如矩形脉冲各次谐波的正弦与余弦表示5、正交函数分量用正