离散信号与系统时域分析
《信号与系统》第三章 离散系统的时域分析
h(k) = h1(k) – h1(k – 2) =[(1/3)(– 1)k + (2/3)(2)k]ε(k) – [(1/3)(– 1)k –2 + (2/3)(2)k–2]ε(k – 2)
f (i)h(k i) ai (i)bki (k i)
i
i
当i < 0,ε(i) = 0；当i > k时，ε(k - i) = 0
1
a
k
1
yzs
(k
)
k i0
aibk
i
(k
)
bk
k i0
a b
i
(k
)
bk
bk
b 1 a
b (k 1)
注：ε(k)*ε(k) = (k+1)ε(k)
当ik时ki0???????????????iikiiikbiaikhif?????????????????????????????????????????????????bakbbabababkbabkbakykkkkiikkiikizs111100??注
《信号与系统》 第三章 离散系统的时域分析
λ n + an-1λn– 1 + … + a0 = 0 其根λi( i = 1，2，…，n)称为差分方程的特征根。 齐次解的形式取决于特征根。
参看教材第87页 表3-1。
2. 特解yp(k): 特解的函数形式与激励的函数形式有关
信号与系统课后习题答案第5章
y(k)=［2(－1)k+(k－2)(－2)k］ε(k)
76
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.23 求下列差分方程所描述的离散系统的零输入响应、 零状态响应和全响应。
77
第5章 离散信号与系统的时域分析 78
第5章 离散信号与系统的时域分析
确定系统单位响应: 由H(E)极点r=－2, 写出零输入响应表示式: 将初始条件yzi(0)=0代入上式，确定c1=0, 故有yzi(k)=0。
题解图 5.6-1
16
第5章 离散信号与系统的时域分析
题解图 5.6-2
17
第5章 离散信号与系统的时域分析
因此
18
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.7 各序列的图形如题图 5.2 所示，求下列卷积和。
题图 5.2
19
第5章 离散信号与系统的时域分析 20
第5章 离散信号与系统的时域分析 21
第5章 离散信号与系统的时域分析 46
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.16 已知离散系统的差分方程(或传输算子)如下，试求各 系统的单位响应。
47
第5章 离散信号与系统的时域分析 48
由于
第5章 离散信号与系统的时域分析
49
第5章 离散信号与系统的时域分析
因此系统单位响应为
50
第5章 离散信号与系统的时域分析 51
5.21 已知LTI离散系统的单位响应为
试求： (1) 输入为
时的零状态响应yzs(k)； (2) 描述该系统的传输算子H(E)。
69
第5章 离散信号与系统的时域分析
解 (1) 由题意知: 先计算:
70
第5章 离散信号与系统的时域分析
离散信号与系统时域分析
目录第1章设计任务及要求 (1)1.1课程设计内容 (1)1.2课程设计要求 (1)第2章设计原理 (2)2.1离散信号与系统的时域分析设计 (2)2.1.1描写系统特性的方法介绍 (2)2.1.2系统的时域特性 (2)第3章设计实现 (3)3.1实验内容与方法 (3)3.1.1实验内容 (3)第4章设计结果及分析 (4)4.1程序设计结果及分析 (4)总结 (7)参考文献： (8)附录： (9)第1章 设计任务及要求1.1课程设计内容编制Matlab 程序，完成以下功能，产生系统输入信号；根据系统差分方程求解单位脉冲响应序列；根据输入信号求解输出响应；用实验方法检查系统是否稳定；绘制相关信号的波形。
具体要求如下：(1) 给定一个低通滤波器的差分方程为 ()0.05()0.05(1)0.9(1)y n x n x n y n =+-+-输入信号分别为182()=()()()x n R n x n u n =， ① 分别求出系统响应，并画出其波形。
② 求出系统的单位脉冲响应，画出其波形。
(2) 给定系统的单位脉冲响应为1102()=()()() 2.5(1) 2.5(2)(3)h n R n h n n n n n δδδδ=+-+-+-，用线性卷积法求18()=()x n R n 分别对系统h1(n)和h2(n)的输出响应，并画出波形。
(3) 给定一谐振器的差分方程为() 1.8237(1)-0.9801(2)()(2)o o y n y n y n b x n b x n =--++-令b0=1/100.49,谐振器的谐振频率为0.4rad 。
1) 用实验方法检查系统是否稳定。
输入信号为u(n)时,画出系统输出波形。
2) 给定输入信号为()=sin(0.014)sin(0.4)x n n n +求出系统的输出响应，并画出其波形。
1.2课程设计要求1. 要求独立完成设计任务。
2. 课程设计说明书封面格式要求见《天津城市建设学院课程设计教学工作规范》附表13. 课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。
信号与系统课后习题答案第5章
yzi(k)=(－2)kε(k)
39
第5章 离散信号与系统的时域分析 40
第5章 离散信号与系统的时域分析 41
第5章 离散信号与系统的时域分析 42
第5章 离散信号与系统的时域分析 43
第5章 离散信号与系统的时域分析
(6) 系统传输算子:
22
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.9 已知两序列
试计算f1(k)*f2(k)。
23
解 因为
第5章 离散信号与系统的时域分析
所以
24
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.10 已知序列x(k)、y(k)为
试用图解法求g(k)=x(k)*y(k)。
25
第5章 离散信号与系统的时域分析
解 首先画出y(k)和x(k)图形如题解图5.10所示, 然后结合 卷积和的图解机理和常用公式,应用局部范围等效的计算方法 求解。
题解图 5.10
26
第5章 离散信号与系统的时域分析 27
总之有
第5章 离散信号与系统的时域分析
28
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.11 下列系统方程中，f(k)和y(k)分别表示系统的输入和输 出，试写出各离散系统的传输算子H(E)。
29
第5章 离散信号与系统的时域分析
解 由系统差分方程写出传输算子H(E)如下:
解 各序列的图形如题解图5.2所示。
题解图 5.2
5
第5章 离散信号与系统的时域分析
5.3 写出题图 5.1 所示各序列的表达式。
题图 5.1
6
第5章 离散信号与系统的时域分析 7
第5章 离散信号与系统的时域分析
信号与系统：第七章 离散信号与系统时域分析
k 0 k 0
推广： 1)
U (k
j)
0, k 1, k
j j
2) AU (k), AU (k j)
性质：
f
(k)U
(k)
f
(k) 0
k 0 k 0
可见，U(k)作用类似于U(t)，
但二者有较大差别：
U(t) ：奇异信号，数学抽象函数； U(k)：非奇异信号，可实现信号。
(k)与U(k)关系： (k) U(k) U(k 1)
y(k+1)Ey(k)
y(k-N)E-N y(k) y(k+N)EN y(k)
E-1 : 单位延迟算子
17
（2）算子形式的差分方程
1) uk 2 2a 1uk 1 u(k) 0 (E2 2a 1 E 1)u(k) 0
a
a
2） y(k)-(1+a)y(k-1)=f(k)
[1-(1+a)E-1 ]y(k)=f(k)
周期：N 20 无周期
13
7-2 离散时间系统基本概念
一、定义： 二、分类：
激励、响应均为离散时间信号的系统。
线性系统 非线性系统
时不变系统 时变系统
因果系统 非因果系统
线性系统： f1(k) y1(k) f2 (k) y2 (k) af1(k) bf2(k) ay1(k) by2(k)
k
y(k) f (i) i
y(k)
k
f1(i)
i
0 k 0
1.5 2.5
k 0 k 1
2 k 2
5
5.差分: 序列与其移序序列的差而得到一个新序列。
y(k)=f(k)-f(k-1)
（后向差分）
第5章离散信号与离散系统的时域分析
A (k )
k
A k (k )
A
1
0 1
A, , 为实数
A
0 1 2 3 4 5
k
0 1 2 3 4 5
k
A k (k )
A
1
A k (k )
A
3
1 4
A k (k )
3
A
4
1 2
3
4
0
2
0
2
0
A
k
A
k 1 0
f1 (t ) f 2 (t )
同样地， 我们定义:
f1 ( ) f 2 (t )d
f (k ) f1 (k ) f 2 (k ) f2 (k i ) f1 (i )
i
为序列f1(k)和f2(k)的卷积和运算， 简称卷积和 ( Convolution Sum)。
（8）z序列 定义：
f (k ) z k
k
z z e j0
j0 k
f (k ) z ( z e
k
) z e j0k
k
z [cos(0 k ) j sin(0 k )]
17
2013年8月13日8时9分
5.2 卷积和
5.2.1 卷积和的定义
定义两个连续时间信号f1(t)和f2(t)的卷积运算为:
t
0
T ( t )
s
t
0T
s
t
0 Ts
温度℃
30 20
人数
10000 5000
10
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
实验一离散时间信号与系统时域分析
实验一离散时间信号与系统时域分析实验目的1学习MATLAB语言编程和调试技巧2学会简单的矩阵输入和图形表示法3掌握简单的绘图命令一实验目的1学习MATLAB语言编程和调试技巧2学会简单的矩阵输入和图形表示法3掌握简单的绘图命令二、实验原理本实验主要为了熟悉MATLAB环境，重点掌握简单的矩阵（信号）输入和绘图命令，特别是绘图命令tem()和plot()。
实验内容中涉及到信号的无失真采样、离散卷积运算和差分方程求解这三个主要的问题。
其基本原理分别如下：对一个模拟信号某(t)进行采样离散化某(n)，为了不失真地从采样信号某(n)中恢复原始信号某(t)，采样时必须满足采样定理，即采样频率必须大于等于模拟信号中最高频率分量的2倍。
一个离散时间系统，输入信号为某(n)，输出信号为y(n)，运算关系用T[﹒]表示，则输入与输出的关系可表示为y(n)＝T[某(n)]。
（1）线性时不变(LTI)系统的输入输出关系可通过h(n)表示：y(n)=某(n)某h(n)=式中某表示卷积运算。
（2）LTI系统的实现可物理实现的线性时不变系统是稳定的、因果的。
这种系统的单位脉冲响应是因果的（单边）且绝对可和的，即：h(n)0,n0;nh(n)0在MATLAB语言中采用conv实现卷积运算，即：Y=conv(某,h),它默认从n=0开始。
常系数差分方程可以描述一个LTI系统，通过它可以获得系统的结构，也可以求信号的瞬态解。
利用MATLAB 自带的filter（），可以代替手工迭代运算求解系统的差分方程，求解的过程类似于对输入信号进行滤波处理。
三、实验内容1、试画出如下序列的波形（1）某(n)3(n3)(n2)2(n1)4(n1)2(n2)3(n3)（2）某(n)0.5R10(n)解：用MATLAB描述波形1(1)某=[3120-42-3];%矩阵输入某n=-3:1:3;%输入自变量n,以间隔为1从-3到3变化n实验目的1学习MATLAB语言编程和调试技巧2学会简单的矩阵输入和图形表示法3掌握简单的绘图命令tem(n,某);%tem()函数绘制火柴杆图，注意n,某元素个数必须相等某label('n');%横坐标显示nylabal('某(n)');%纵坐标显示某(n)grid;%绘制网格1(2)n=0:9;某=0.5.^n;tem(n,某);某label('n');ylabel('某(n)');gri实验目的1学习MATLAB语言编程和调试技巧2学会简单的矩阵输入和图形表示法3掌握简单的绘图命令2、用MATLAB计算序列{-201–13}和序列{120-1}的离散卷积，即计算某(n)2(n)(n2)(n3)3(n4)与h(n)(n)2(n1)(n3)解：用MATLAB描述波形。
6.离散时间信号与系统的时域分析
0, n 1 1 z ( n) x ( n) y ( n) , n 1 2 1 n 1 ( 2 )( n 1)( 2 ) , n 0
6 线性时不变离散系统的时域分析
5. 累加 设某一序列为x(n),则x(n)的累加序列 y(n)定义为
y ( n)
k
x(k ) x(n) * u(n)
n
根据上述性质可以推得以下结论：
f (n n1 ) * (n n2 ) f (n n1 n2 )
6 线性时不变离散系统的时域分析
例 已知 x1 (n) (n) 3 (n 1) 2 (n 2) x2 (n) u(n) u(n 3) 试求信号 x (n) ，它满足 x(n) x1 (n) x2 (n) 解：可利用上面讲述的性质求解。
1 1/ 2 1/4 -2 -1 0 1 1/8 ... 2
n
x(-n) 1 1/2 1/8 1/4 ... -2 -1 0
1
2
n
6 线性时不变离散系统的时域分析
3.序列的加减 两序列的加、减是指同序号(n)的序列值逐项对 应相加得一新序列。
6 线性时不变离散系统的时域分析
例：
x(n) 1 1/2 1/4 -2 -1 0 y(n) 2 1 1/4 1/2 1 2 n …
6 线性时不变离散系统的时域分析
2.单位阶跃序列
u（n）
1, u ( n) 0,
n0 n0
u(n)
...
-1 0 1 2 3 n
(n) u (n) u (n) u (n 1)
m 0
u (n) (n m) (n) (n 1) (n 2)
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目录第1章设计任务及要求 (1)1.1课程设计内容 (1)1.2课程设计要求 (1)第2章设计原理 (2)2.1离散信号与系统的时域分析设计 (2)2.1.1描写系统特性的方法介绍 (2)2.1.2系统的时域特性 (2)第3章设计实现 (3)3.1实验内容与方法 (3)3.1.1实验内容 (3)第4章设计结果及分析 (3)4.1程序设计结果及分析 (4)总结 (7)参考文献： (7)附录： (8)第1章 设计任务及要求1.1课程设计内容编制Matlab 程序，完成以下功能，产生系统输入信号；根据系统差分方程求解单位脉冲响应序列；根据输入信号求解输出响应；用实验方法检查系统是否稳定；绘制相关信号的波形。
具体要求如下：(1) 给定一个低通滤波器的差分方程为 ()0.05()0.05(1)0.9(1)y n x n x n y n =+-+- 输入信号分别为182()=()()()x n R n x n u n =， ① 分别求出系统响应，并画出其波形。
② 求出系统的单位脉冲响应，画出其波形。
(2) 给定系统的单位脉冲响应为1102()=()()() 2.5(1) 2.5(2)(3)h n R n h n n n n n δδδδ=+-+-+-，用线性卷积法求18()=()x n R n 分别对系统h1(n)和h2(n)的输出响应，并画出波形。
(3) 给定一谐振器的差分方程为() 1.8237(1)-0.9801(2)()(2)o o y n y n y n b x n b x n =--++-令b0=1/100.49,谐振器的谐振频率为0.4rad 。
1) 用实验方法检查系统是否稳定。
输入信号为u(n)时,画出系统输出波形。
2) 给定输入信号为()=sin(0.014)sin(0.4)x n n n +求出系统的输出响应，并画出其波形。
1.2课程设计要求1. 要求独立完成设计任务。
2. 课程设计说明书封面格式要求见《天津城市建设学院课程设计教学工作规范》附表13. 课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。
4. 简述离散系统时域分析方法和通过实验判断系统稳定性的方法；完成以上设计实验并对结果进行分析和解释；打印程序清单和要求画出的信号波形；写出本次课程设计的收获和体会。
5. 课设说明书要求：1) 说明题目的设计原理和思路、采用方法及设计流程。
2) 详细介绍运用的理论知识和主要的Matlab 程序。
3) 绘制结果图形并对仿真结果进行详细的分析。
2.1离散信号与系统的时域分析设计2.1.1描写系统特性的方法介绍在时域中，描写系统特性的方法是差分方程和单位脉冲响应，在频域可以用系统函数描述系统特性。
已知输入信号可以由差分方程、单位脉冲响应或系统函数求出系统对于该输入信号的响应。
在计算机上适合用递推法求差分方程的解，最简单的方法是采用MATLAB语言的工具箱函数filter函数。
也可以用MATLAB语言的工具箱函数conv函数计算输入信号和系统的单位脉冲响应的线性卷积，求出系统的响应。
2.1.2系统的时域特性系统的时域特性指的是系统的线性时不变性质、因果性和稳定性。
重点分析实验系统的稳定性，包括观察系统的暂态响应和稳定响应。
系统的稳定性是指对任意有界的输入信号，系统都能得到有界的系统响应。
或者系统的单位脉冲响应满足绝对可和的条件。
系统的稳定性由其差分方程的系数决定。
实际中检查系统是否稳定，不可能检查系统对所有有界的输入信号，输出是否都是有界输出，或者检查系统的单位脉冲响应满足绝对可和的条件。
可行的方法是在系统的输入端加入单位阶跃序列，如果系统的输出趋近一个常数（包括零），就可以断定系统是稳定的［12］。
系统的稳态输出是指当n→∞时，系统的输出。
如果系统稳定，则信号加入系统后，系统输出的开始一段称为暂态效应，随着n的加大，幅度趋于稳定，达到稳态输出。
3.1实验内容与方法3.1.1实验内容编制Matlab 程序，完成以下功能，产生系统输入信号；根据系统差分方程求解单位脉冲响应序列；根据输入信号求解输出响应；用实验方法检查系统是否稳定；绘制相关信号的波形。
具体要求如下：(4) 给定一个低通滤波器的差分方程为 ()0.05()0.05(1)0.9(1)y n x n x n y n =+-+-输入信号分别为182()=()()()x n R n x n u n =， ① 分别求出系统响应，并画出其波形。
② 求出系统的单位脉冲响应，画出其波形。
(5) 给定系统的单位脉冲响应为1102()=()()() 2.5(1) 2.5(2)(3)h n R n h n n n n n δδδδ=+-+-+-，用线性卷积法求18()=()x n R n 分别对系统h1(n)和h2(n)的输出响应，并画出波形。
(6) 给定一谐振器的差分方程为() 1.8237(1)-0.9801(2)()(2)o o y n y n y n b x n b x n =--++-令b0=1/100.49,谐振器的谐振频率为0.4rad 。
1) 用实验方法检查系统是否稳定。
输入信号为u(n)时,画出系统输出波形。
给定输入信号为()=sin(0.014)sin(0.4)x n n n +求出系统的输出响应，并画出其波形。
3.1.2实验方法在时域求系统响应的方法有两种， 第一种是通过解差分方程求得系统输出， 注意要合理地选择初始条件； 第二种是已知系统的单位脉冲响应， 通过求输入信号和系统单位脉冲响应的线性卷积求得系统输出。
用计算机求解时最好使用MATLAB 语言进行。
（2） 实际中要检验系统的稳定性， 其方法是在输入端加入单位阶跃序列， 观察输出波形， 如果波形稳定在一个常数值上， 系统稳定， 否则不稳定。
（3） 谐振器具有对某个频率进行谐振的性质， 本实验中的谐振器的谐振频率是0.4 rad,因此稳定波形为sin(0.4n)。
4） 如果输入信号为无限长序列， 系统的单位脉冲响应是有限长序列， 可用分段线性卷积法求系统的响应。
如果信号经过低通滤波器， 则信号的高频分量被滤掉， 时域信号的变化减缓， 在有阶跃处附近产生过渡带。
因此， 当输入矩形序列时， 输出序列的开始和终了都产生了明显的过渡带。
第4章 设计结果及分析4.1程序设计结果及分析1.给定一个低通滤波器的差分方程为y(n)=0.05x(n)+0.05x(n-1)+0.9y(n-1),输入信号x1(n)=R8(n)x2(n)=u(n)a)分别求出系统对x1(n)=R8(n)和x2(n)=u(n)的响应序列，并画出其波形。
b)求出系统的单位冲响应，画出其波形。
系统响应及系统稳定性调用filter解差分方程，由系统对u(n)的响应判断稳定性A=［1， -0.9］； B=［0.05， 0.05］；系统差分方程系数向量B和Ax1n=［1 1 1 1 1 1 1 1 zeros(1， 50)］；产生信号x1n=R8nx2n=ones(1， 128)；产生信号x2n=unhn=impz(B， A， 58)；求系统单位脉冲响应h(n)subplot(2， 2， 1)； y=′h(n)′； tstem(hn， y)；调用函数tstem绘图title(′(a) 系统单位脉冲响应h(n)′)y1n=filter(B， A， x1n)； %求系统对x1n的响应y1nsubplot(2， 2， 2)； y=′y1(n)′； tstem(y1n， y)；title(′(b) 系统对R8(n)的响应y1(n)′)y2n=filter(B， A， x2n)；求系统对x2n的响应y2nsubplot(2， 2， 4)； y=′y2(n)′； tstem(y2n， y)；title(′(c) 系统对u(n)的响应y2(n)′)系统响应2.给定系统的单位脉冲响应为h1(n)=R10(n),h2(n)=δ(n)+2.5δ(n-1)+δ(n-2)+δ(n-3)用线性卷积法分别求系统h1(n)和h2(n)对x1(n)=R8(n)的输出响应，并画出波形。
调用conv函数计算卷积x1n=［1 1 1 1 1 1 1 1 ］；产生信号x1n=R8nh1n=［ones(1， 10) zeros(1， 10)］；h2n=［1 2.5 2.5 1 zeros(1， 10)］；y21n=conv(h1n， x1n)；y22n=conv(h2n， x1n)；figure(2)subplot(2， 2， 1)； y=′h1(n)′； tstem(h1n， y)；调用函数tstem绘图title(′(d) 系统单位脉冲响应h1(n)′)subplot(2， 2， 2)； y=′y21(n)′； tstem(y21n， y)；(4)title(′(e) h1(n)与R8(n)的卷积y21(n)′)subplot(2，2，3)；y=′h2(n)′；tstem(h2n，y)；调用函数tstem绘图title(′(f) 系统单位脉冲响应h2(n)′) subplot(2，2，4)；y=′y22(n)′；tstem(y22n，y)；title(′(g) h2(n)与R8(n)的卷积y22(n)′)3. 给定一谐振器的差分方程为y(n)=1.8237y(n-1)-0.980y(n-2)+b0x(n)-b0x(n-1)令 b0=49.100/10，谐振器的谐振频率为0.4rad。
a)用实验方法检查系统是否稳定。
输入信号为)(nu时，画出系统输出波形。
b) 给定输入信号为 x(n)= sin(0,014n)+sin(0.4n)求出系统的输出响应，并画出其波形。
un=ones(1，256)；%产生信号unn=0：255；xsin=sin(0.014*n)+sin(0.4*n) ；产生正弦信号A=［1，－1.8237， 0.9801］；B=［1/100.49， 0，－1/100.49］；系统差分方程系数向量B和Ay31n=filter(B， A， un)；谐振器对un的响应y31ny32n=filter(B， A， xsin)；谐振器对正弦信号的响应y32nfigure(3)subplot(2， 1， 1)； y=′y31(n)′； tstem(y31n， y)title(′(h) 谐振器对u(n)的响应y31(n)′)subplot(2， 1， 2)； y=′y32(n)′； tstem(y32n， y)；title(′(i) 谐振器对正弦信号的响应y32(n)′)总结.这几天的课设更加加深了对数字信号处理这门课的理解，尤其是我们所做的这个课题的一些问题，有了更深一层的体会，和我一起的陈维多两个人在做这个课程设计，也从他那里学到了很多东西，再加上自己的看书总结，收获挺多。