第四章 傅里叶变换和系统1

第四章傅里叶变换和系统的频域分析本章提要信号分解为正交函数傅里叶级数和傅里叶级数的形式傅里叶变换和傅里叶变换的性质周期信号和非周期信号的频谱分析周期信号的傅里叶变换LTI系统的频域分析抽样定理序列的傅里叶分析•复习：时域分析的要点是，以冲激函数为基本信号，任意输入信号可分解为一系列冲激函数的叠加；而yzs(t)=h(t)*f(t)。•本章将以正弦信号和虚指数信号ejωt为基本信号，任意输入信号可分解为一系列不同频率的正弦信号或虚指数信号之和。•这里用于系统分析的独立变量是频率。故称为频域分析。4.1信号分解为正交函数矢量Vx=(vx1,vx2,vx3)与Vy=(vy1,vy2,vy3)正交的定义：其内积为0。即•由两两正交的矢量组成的矢量集合---称为正交矢量集•如三维空间中，以矢量•vx=（2，0，0）、vy=（0，2，0）、vz=（0，0，2)•所组成的集合就是一个正交矢量集。•例如对于一个三维空间的矢量A=(2，5，8)，可以用一个三维正交矢量集{vx，vy，vz}分量的线性组合表示。即A=vx+2.5vy+4vz？？•矢量空间正交分解的概念可推广到信号空间：在信号空间找到若干个相互正交的信号作为基本信号，使得信号空间中任意信号均可表示成它们的线性组合。这就是信号的正交分解。二、信号正交与正交函数集•1.定义：•定义在(t1，t2)区间的两个函数1(t)和2(t),若满足则称1(t)和2(t)在区间(t1，t2)内正交。2.正交函数集：若n个函数1(t)和2(t)，…，n(t)构成一个函数集，当这些函数在区间(t1，t2)内满足则称此函数集为在区间(t1，t2)上的正交函数集。3.完备正交函数集：•如果在正交函数集{1(t),2(t),…,n(t)}之外，不存在任何函数φ(t)(≠0）满足则称此函数集为完备正交函数集。例如：三角函数集{1，cos(nΩt)，sin(nΩt)，n=1,2,…}和虚指数函数集{ejnΩt，n=0，±1，±2，…}是两组典型的在区间(t0，t0+T)(T=2π/Ω)上的完备正交函数集。三、信号的正交分解•设有n个函数1(t)，2(t)，…，n(t)在区间(t1，t2)构成一个正交函数空间。将任一函数f(t)用这n个正交函数的线性组合来近似，可表示为•f(t)≈C11+C22+…+Cnn•问题：如何选择各系数Cj使f(t)与近似函数之间误差在区间(t1，t2)内为最小。•通常使误差的方均值(称为均方误差)最小。均方误差为•为使上式最小（系数Cj变化时），有展开上式中的被积函数，并求导。上式中只有两项不为0(??)，写为即所以系数•误差21)(2ttiidttK])()(2)()([12121211122212ttnjnjttjjttjjdtttfCdttCdttftt]2)([12111222122ttnjnjjjjjKCKCdttfttdtttfktt21)()(111C1=？？在用正交函数去近似f(t)时，所取得项数越多，即n越大，则均方误差越小。当n→∞时（为完备正交函数集），均方误差为零。此时有即：函数f(t)可分解为无穷多项正交函数之和上式称为(Parseval)巴塞瓦尔定理（公式），表明：在区间(t1,t2)f(t)所含能量恒等于f(t)在完备正交函数集中分解的各正交分量能量的总和。当n时，024.2周期信号的傅里叶级数•一、傅里叶级数的三角形式•设周期信号f(t)，其周期为T，角频率=2/T，当满足狄里赫利(Dirichlet)条件时，它可分解为如下三角级数——称为f(t)的傅里叶级数系数an,bn称为傅里叶系数可见，an是n的偶函数，bn是n的奇函数。•将上式同频率项合并，可写为式中，A0=a0可见An是n的偶函数，n是n的奇函数。（？？）an=Ancosn，bn=–Ansinn，n=1,2,…上式表明，周期信号可分解为直流和许多余弦分量。其中，A0/2为直流分量；A1cos(t+1)称为基波或一次谐波，其角频率与原周期信号相同；A2cos(2t+2)称为二次谐波，其频率是基波的2倍；一般而言，Ancos(nt+n)称为n次谐波。例4―1试将下图所示的方波信号f(t)展开为傅里叶级数。0T2T2T2T－T1－1tf(t)•解：傅里叶系数,an,bn为22020202022()cos(2)22(1)cos(2)1cos(2)2121[sin(2)][sin(2)]220TTnTTTTaftnftdtTnftdtnftdtTTnftnftTnfTnf=2f0,2,4,6,41,3,5,nnn2002|)]2cos([212|)2cos(212TTnftnftTnftnftT)]cos(1[2nn二、奇、偶函数的傅里叶级数•1、f(t)为偶函数——对称纵坐标bn=0，展开为余弦级数。2.f(t)为奇函数——对称于原点an=0，展开为正弦级数。3.f(t)为奇谐函数——f(t)=–f(t±T/2)•此时其傅里叶级数中只含奇次•谐波分量，而不含偶次谐波分•量即a0=a2=…=b2=b4=…=0三、傅里叶级数的指数形式三角形式的傅里叶级数，含义比较明确(??)，但运算常感不便，因而经常采用指数形式的傅里叶级数。可从三角形式推出：利用cosx=(ejx+e–jx)/2例4.2-2•上式中第三项的n用–n代换，A–n=An(An是n的偶函数)，–n=–n（n是n的奇函数），则上式写为令0,00000tjjeeAA•令复数称其为复傅里叶系数，简称傅里叶系数。表明：任意周期信号f(t)可分解为许多不同频率的虚指数信号之和。Fn是频率为n的分量的系数，F0=A0/2问：如何求Fn？？四、周期信号的功率•周期信号一般是功率信号，其平均功率为含义：直流和n次谐波分量在1电阻上消耗的平均功率之和。n≥0时，|Fn|=An/2。作业•4.7•熟悉例题4.2-2•熟悉表4-1