信号与系统 第三章课件
信号与系统第三章:傅里叶变换

由于这里用于系统分析的独立变量是频率,故称为频域分析。
6
3.1 信号分解为正交函数
信号分解为正交函数的原理与矢量分解为正交矢量的
y
概念相似。
AC1vxC2vy
C 2v y
A
v x , v y 为各相应方向的正交单位矢量。 C 1v x
❖ 1、时域分析的基本概念 系统时域响应的概念和四种主要响应形式。
❖ 2、离散系统的时域分析 差分和差分方程的含义和建立;差分方程的经典解法,以及各种响应的具体求解。
❖ 3、单位冲击响应与单位样值响应 单位冲击响应和单位样值响应的概念和实质;通过微分方程或差分方程的求解方法。
❖ 4、卷积积分 卷积积分的基本概念和意义;采用定义法和图解法进行求解的方法和步骤;卷积积分 的重要性质。
❖ 采用变换域分析的目的:主要是简化分析。这章傅里叶变 换主要从信号分量的组成情况去考察信号的特性。从而便 于研究信号的传输和处理问题。
5
本章以正弦函数或(虚指数函数)为基本信号 任意周期信号可以表示为一系列不同频率的正弦或虚
指数函数之和。 sin(n1t),cos(n1t),ejn1t
n0,1,2
❖ 5、卷积和 卷积和的基本概念和意义;通过定义、性质以及图解法和不进位乘法熟练进行求解的 方法和步骤。
2
第三章主要内容
❖3.1 信号分解为正交函数 (一般了解) ❖3.2 傅里叶级数 ❖3.3 周期信号的频谱 ❖3.4 非周期信号的频谱(傅里叶变换) ❖3.5 傅里叶变换的性质 ❖3.6 卷积定理 ❖3.7 周期信号的傅里叶变换 ❖ 3.8.抽样信号的傅里叶变换与取样定理
x
它们组成一个二维正交矢量集。
信号与系统第三章PPT课件

.
它们都是傅里叶级数收敛的充分条件。相当广泛的 信号都能满足Dirichlet条件,因而用傅里叶级数表 示周期信号具有相当的普遍适用性。
几个不满足Dirichlet条件的信号
.
三.Gibbs现象 满足 Dirichlet 条件的信号,其傅里叶级数是如
• “非周期信号都可以用正弦信号的加权积分来 表示”——傅里叶的第二个主要论点
.
傅立叶分析方法的历史
古巴比伦人 “三角函数和” 描述周期性过程、预测天体运
动
1748年 欧拉 振动弦的形状是振荡模的线性组合
1753年 D·伯努利 弦的实际运动可用标准振荡模的线性组合来表示
1759年 拉格朗日 不能用三角级数来表示具有间断点的函数
x[k]h[nk]
x[k]h[n k]
k
.
对时域的任何一个信号 x ( t ) 或者 x ( n ) ,若能将其
表示为下列形式: x(t) a 1 es1 t a 2 es2 t a 3 es3 t
由于 es1t H(s1)es1t
es2t H(s2)es2t
es3t H(s3)es3t
利用齐次性与可加性,有
k
例: y(t)x(t3) ❖ 系统输入为 x(t) ej2t
系统 H(s) ? y(t) ?
H(s) h(t)estdt
❖ 系统输入为 x(t)cos(4t)cos(7t)
系统 y(t) ?
.
*问题:究竟有多大范围的信号可以用复指数信号的 线性组合来表示?
.
3.3 连续时间周期信号的傅里叶级数表示
第k次谐波 e jk 0t 的周期为
信号与系统(奥本海默)课件3

1通信科学与工程系四用微分和差分方程描述的因果LTI 系统1. 线性常系数微分方程()()()t bx t ay dt t dy =+给出了系统的隐含特性,要得到明确表达式,需求解方程,并且还需一个或多个附加条件。
对于因果线性时不变系统,附加条件的形式特殊简单。
2通信科学与工程系一般的N 阶线性常系数微分方程:()()∑∑===M k kk kNk k k k dt t x d b dt t y d a 00()()∑==M k kkk dtt x d b a t y 001当N=0时,输出是输入及其导数的明确函数:当N>0时,输出是输入的隐含形式,需要求解。
四用微分和差分方程描述的因果LTI 系统3通信科学与工程系求解该微分方程,通常是求出通解和一个特解,则。
()p y t ()h y t ()()()p h y t y t y t =+四用微分和差分方程描述的因果LTI 系统()p y t ()x t 特解是与输入同类型的函数.()h y t 0()0k Nk k k d y t a dt==∑通解是齐次方程的解,即的解。
0Nkk k a λ==∑欲求得齐次解,可根据齐次方程建立一个特征方程:求出其特征根。
4通信科学与工程系若t ≤ t 0时x (t )=0,则t ≤ t 0 时y (t )=0,初始松弛条件1(),k Nth k k y t C e λ==∑其中是待定的常数。
k C 当特征根均为单阶根时,可得出齐次解的形式为:四用微分和差分方程描述的因果LTI 系统()()()010100====--N N dt t y d dt t dy t y 可采用如下初始条件:5通信科学与工程系()()()t x t y dtt dy =+2()()t u Ke t x t 3=例2.14:考虑输入为时,系统的解。
()()()t y t y t y h p +=5KY =()3,05t p Ky t e t =>方程的解由特解和齐次解组成:()tp Ye t y 3=求解特解:令t > 0时,根据方程可得33332t t t Ye Ye Ke +=受迫响应自然响应四用微分和差分方程描述的因果LTI 系统6通信科学与工程系()()02=+t y dtt dy 求解齐次解:根据方程,得特征方程为()23,05t t Ky t Ce e t -=+>0/5C K =+5KC =-()[]()t u e e K t y t t 235--=20λ+=2λ=-()2th y t Ce -=齐次解四用微分和差分方程描述的因果LTI 系统根据初始条件确定C :考虑因果LTI 系统,如果t<0 时x (t )=0,则t<0 时y (t )=0. 将t = 0, y (0) = 0代入有7通信科学与工程系2. 线性常系数差分方程一般的线性常系数差分方程可表示为:与微分方程一样,它的解法也可以通过求出一个特解和齐次解来进行,其过程与解微分方程类似。
信号与系统第三章

a0 ∞ fT ( t ) = + ∑ 2 n=1
Fne jnΩt + F− ne − jnΩt ) (
jnΩt
=
n =−∞
∑
∞
Fn e
F0
a0 2
an + jbn = 2 ∗ = Fn
第
指数形式的傅立叶级数(2) 指数形式的傅立叶级数(2)
1. 傅里叶系数
a − jbn 1 Fn = n = 2 T T
ε =0
2
∫
t2 t1
f (t ) d t = ∑ C 2 K j j
2 j =1
∞
(Parseval 公式 公式)
第
§3.2
周期信号的频谱分析
-----傅里叶级数 傅里叶级数
5 页
一、三角形式的傅立叶级数 二、周期信号的频谱 三、指数形式的傅立叶级数 周期信号的功率——Parseval等式 Parseval等式 四、周期信号的功率 Parseval 五、函数对称性与频谱特性
bn ϕn = −arctg an an = An cos (ϕn ) , bn = − An sin (ϕn )
A0 a0 = 2 2
An = an 2 + bn 2
第
二、周期信号的频谱
概念:周期信号中各次谐波分量的幅度、初相位随频率的变化关系。 概念:周期信号中各次谐波分量的幅度、初相位随频率的变化关系。 An~ω:幅度谱; :幅度谱; 例1: :
在正交函数集 满足: 满足:
1
之外, {ϕ ( t ) ,ϕ ( t ) ,L,ϕ ( t )} 之外,不存在 ϕ ( t ) ≠ 0
2 n
∫
t2 t1
信号与系统第三章

设 f (t) 2 a 2, b 1 则有
dy(t) 2 y(t) 2 dt
已知初始值 y(0) 4 求 t 0时系统的响应 y(t)
解:第一步,由方程可知系统的特征方程为 2 0
2 由此可得系统的齐次解为
2
处理教研室
第三章 连续信号与系统的时域分析
教学重点:
1、常微分方程的建立及其解的基本特点; 2、阶跃响应和冲激响应的概念; 3、卷积及其在系统分析中的应用。
2020/6/7
信号
3
处理教研室
应用实例:汽车点火系统
汽车点火系统主要由电源(蓄电池和发电机)、电阻、 点火开关、点火线圈、分压器等组成。
系数 a,b都是常量。系统的阶数就是其数学模型——
微分方程的阶数。
而 n 阶常系数线性微分方程的一般形式为
an
dn y(t) dt n
an1
dn1 y(t) dt n1
L
a1
dy(t) dt
a0
y (t )
bm
dm f (t) dt m
bm1
dm1 f (t) dt m1
L
b1
df (t) dt
b0
即yf’(0+) = yf’(0-) = 0,yf(0+) = yf(0-) = 0
对t>0时,有 yf”(t) + 3yf’(t) + 2yf(t) = 6
不难求得其齐次解为Cf1e-t + Cf2e-2t,其特解为常数3,
于是有
yf(t)=Cf1e-t + Cf2e-2t + 3
代入初始值求得
《信号与系统》第三章

它的解: y(k ) y h k y p k
齐次解 特解
齐次解:齐次差分方程
y(k) an1 y(k 1) a0 y(k n) 0
的解,称为齐次解。
例y(k ) ay(k 1)
0
yk yk 1
当a是特征单根
a p k ak p 1k 1ak p1kak p0ak 当 是 重特征根。
cosk P cosk Q sink
当所有的特征根均不等于 e j
sin k Acosk , Ae j P jQ
全解:n阶线性差分方程的全解是齐次解与特解之和。 如果方程的特征根均为单根,则差分方程的全解为:
F k, yk,yk,,n yk 0
n 阶差分方程。
由于各阶差分均可写成 yk及其各移位序列的线
性组合,故通常所说的差分方程是指如下的形式:
Gk, yk, yk 1,, yk n 0
n 阶差分方程。
例如 yk 3yk 1 2 yk 2 f k
5、线性常系数差分方程
如果 yk及其各移位序列 yk 1,, yk n 均为
·主要内容 一、差分与差分方程 二、差分方程的经典解 三、零输入响应和零状态响应
一、差分与差分方程(书上这部分符号有错误,请改正) 1、一阶差分的定义及序列求和运算(85页)
设有序列 f k,则称 f k 1, f k 1, f k 2
等为 f k的移位序列。
仿照连续信号的微分运算,定义离散信号的差分运算。
a1f1k a2f2k 因此差分具有线性性质。
3、二阶及更高阶差分定义
2 f k f k f k f k 1
f k f k 1
信号与系统 第三章 信号分析
进一步定义均方误差(方均误差)
1 1 2 * (t ) (t ) (t )dt f 1 (t ) C12 f 2 (t ) dt t 2 t1 t1 t 2 t1 t1
2 t2 t2
与矢量的分解相似,要使均方误差最小应 取它的垂直投影,所以分量系数
t2
f1 (t ), f 2 (t ) C12 f 2 (t ), f 2 (t )
t1 t2
t2
f1 (t ) f 2* (t )dt
2
t1
f1 (t ) f 2* (t )dt
t2
f
t1
(t ) f (t )dt
* 2
t1
f 2 (t ) dt
2
这个结论也可仿照前面的做法,令均方误 差对分量系数的偏导数等于0来推出。显然也有 类似的结论当f1(t),f2(t)正交时C12=0,当f1(t)=f2(t) 时C12=1,C12也与两个函数的的相似程度有关。 但一般不直接将它作为相关系数,这是因为当 f1(t)=f2(t)+f3(t)并且f2(t),f3(t)正交时
上的分量系数,对于函数集与矢量一样有类似 的结论: 1、n维函数空间中的任一函数可分解为n个分 量; 2、如果分量小于n个则产生误差,如要均方误 差最小则应取它的垂直投影; 3、函数的分解一般也采用正交函数集,即正 交分解。
现在我们来看两个函数的情况,假定f1(t),f2(t) 是定义在区间[t1,t2]上的两个函数,取f1(t)在f2(t) 上的分量C12 f2(t)近似f1(t)。那么也将产生误差 εΔ(t)。
A1 , A2 ,, An,如它们是线性无关
《信号与系统》第3章 连续信号与系统的频域分析 PPT课件
3.1 信号的正交分解
3.1.1 矢量的正交分解 V2
1. 正交矢量
90 °
o
V1
图 3.1-1 两个矢量正交
两矢量V1与V2正交时的夹角为90°。不难得到两正交矢量的点积为零, 即
V1V 2 V1 V2 cos90 0
V1 Ve
o c12 V2
V2
图 3.1-2 矢量的近似表示及误差
t2 t1
gi
(t)
g
* j
(t
)dt
0 Ki
则该函数集就称为区间(t1, t2)上的正交函数集。 如果
t2 t1
gi
(t)
g
* j
(t
)dt
0 1
则称该函数集为归一化正交函数集。
i j i j
i j i j
用一个在区间(t1, t2)上的正交函数集{gi(t)}中各函数的线性组合就可逼近定 义在(t1, t2)区间上的信号f(t),即
A6 0.8
6 30
其余 An 0
An 3 3
2 2
1
0.8
0.4
o 2 3 4 5 6
(a)
n 45 °
45 °
30 ° 30 °
20 °
15° 10°
图 3.3-1 例 3.3-1 信号
(a) 振幅谱;
o
2
3
4 5
6
(b) 相位谱
(b)
|F n |
上述正交三角函数集中,当n=0时,cos 0°=1, sin 0°=0,而0不应计在此正交函数集 中,故一正交三角函数集可具体写为
信号与系统 第三章 周期信号的傅里叶级数展开
2 n 2
T1
f (t ) dt
F ( n1 )
左边是周期信号f(t)在一个周期里的平均功率(即单位时间内的能量)
2 2 1 1 2 jnt F ( n ) e dt F ( n ) dt F ( n ) 而同时有 T 1 1 1 T1 1 T1 T1
n 1
——余弦形式
x(t ) d 0 d n sin( n1t n )
n 1
——正弦形式
(1). f (t ) a0 an cosnt bn sin nt
n1
三角函数形式
(2). f (t ) A0 An cos(nt n )
而无物理意义。将来可以看出,指数函数形式比正弦函数形式在数 学上处理起来要方便的多。
§3.2 周期矩形脉冲的谱线特点
x(t )
E
T1
t
2 2
T1
脉冲为 ,脉冲高度为E,周期为T1
1 21 1 E 1 jn1t jn1t 2 X (n1 ) T1 x(t )e dt E e dt e jn1t T1 2 T1 2 T1 jn1 jn jn 1 2E 1 1 2 2 e sin(n1 ) e jn1T1 2 n1T1 sin(n1 ) E E 2 Sa (n1 ) T1 n T1 2 1 2
电子信息与电气工程学院
本章内容
连续时间周期信号的傅立叶级数表示 周期矩形脉冲的谱线特点
§3.1 连续时间周期信号的傅立叶级数表示
{1, cos n1t ,sin n1t} n=1,2, , 是一个完备的正交函数集
信号与系统讲义第三章T
3)奇谐函数信号(半波对称函数 )
奇谐函数信号:若波形沿时间轴平移半个周期并相对于 该轴上下反转,此时波形并不发生变化,即满足:
f (t) f (t T1 ) 2
a0 0
n为偶,an bn 0
n为奇,an
4 T1
T1
2 0
f (t) cos(n1t)dt
bn
4 T1
T1
2 0
f (t) sin(n1t)dt
单边频谱图:cn ~ n1 信号的幅度谱
cn
c1 c2
c0
c3
n ~ n1 信号的相位谱
各频率分量的幅度称为为包络线。
n
0 w1 3w1
nw1
周期信号频谱图的特点: 离散性、谐波性、收敛性
w
14
二、指数形式的傅里叶级数
由三角形式的傅里叶级数:
f (t) a0 an cos(n1t) bn sin(n1t) n1
其中
n ~
1 T1
t0 T1 f (t)
t0
jn1tdt
直流分量:F0 c0 a0
16
2、傅里叶级数各系数之间的关系
e f (t)
F (n1) jn1t
n
f (t) a0 an cos(n1t) bn sin(n1t) n1
f (t) c0 cn cos(n1t n )
~
T1或
T1 2
~
T1 2
7
三角函数集是一组完备的正交函数
t0 T1
t0
cosn1t.sin m1t.dt
0
t0 T1 t0
T1
sin
n1t
sin
m1tdt
2 0
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Chapter 3 Fourier Series Representation of Periodic Signals第3章周期信号的傅里叶级数表示Main content :1.The Frequency Analysis of PeriodicSiganl(周期信号的频域分析)2.The Frequency Analysis of LTI(LTI系统的频域分析)3.Properties of Fourier Series(傅立叶级数的性质)3.0 Introduction(引言)⏹The basis for time domain(chapter2)1)Signal can be represented as linear combination of shift impulses。
2)System is LTI。
⏹Periodic Singal can be represented as linear combination of complex exponentials.3.1 Historical Perspective (历史的回顾)1、The concept of using trigonometric sums to describe periodic phenomena goes back to Babylonians2、Euler examined the motion of Vibrating string is a linear combination of a few normal mode in 1748.3.1 Historical Perspective (cont)3、Largange criticized the use of trigonometric series to examine vibrating string in 1759.4、Fourier claimed that any periodic signal could be represented by harmonically related sinusoids in1807.some story about Fourier•Born in France in 1768•Fourier claimed that any periodicsignal could be represented byharmonically related sinusoids in1807•Due to Lagrange …s objection his 1768—1830paper never appeared•His paper appeared in “TheAnalytical Theory of Heat” in 1822•Dirichlet provide precise conditionsin 1829傅里叶的两个最重要的贡献——•“周期信号都可以表示为成谐波关系的正弦信号的加权和”——傅里叶的第一个主要论点•“非周期信号都可以用正弦信号的加权积分来表示”——傅里叶的第二个主要论点3.2 The Response of LTI Systems to Complex Exponentials(LTI 系统对复指数信号的响应)stenz()h n ()h t ste()y t nz()y ncontinuios timediscrete timeUsing Time domain method ,()()()()()s t sts sty t eh d eh e d H s eττττττ∞∞---∞-∞===⎰⎰()()()()()n k nknk k y n zh k zh k zH z z∞∞--=-∞=-∞===∑∑EigenvalueGain is called “Eigenvalue”Eigenfunction in-> Same function out with gain Eigenfunctiondiscrete time()h n ()h t ste()stH s enz()nH z Zcontinuious timeEigenfunctionEigenvalue()()stH s h t e dt∞--∞=⎰()()nk H z h n z∞-=-∞=∑The usefulness of decomposition in term of eigenfuction is important for the analysis of LTI systems . ts kk k k es H a t y ∑=)()(ts kk k ea t x ∑=)(If :nkkk Za n x ∑=)(n kkk k ZZ H a n y ∑=)()(complex exponential signal 、are eigenfuctionof LTI systems、are eignevalue.ste nz ()H s ()H z Conclusion:How broad a class of signals could be represented as a linear combination of complex exponentials?qustionExample 1 ( 3.1):• a LTI systems y(t)=x(t-3) , now the input x(t)=cos(4t)+cos(7t), detemin y(t)?ss ed es H 3)3()(--+∞∞-=-=⎰ττδτy(t)= 1/2e -j12e j4t + 1/2e j12e -j4t + 1/2e -j21e j7t + 1/2e j21e -j7t=cos[4(t-3)}+cos[7(t-3)]x(t)= 1/2e j4t +1/2e -j4t +1/2e j7t +1/2e -j7tThe set of harmonically related complex exponentials0(){}jk tk t eωΦ=0,1,2,k =±±Each of these signals has a fundamental frequency that ismultiple of ω0,each is periodic with period 02T πω=3.3 Fourier Series Representation of Continuous-Time Periodic Signals(连续时间周期信号的傅里叶级数表示)3.3.1. Linear Combinations of Harmonically RelatedComplex exponentialsThus , is also periodic,the form is referred to as the Fourier series representation这表明用傅里叶级数可以表示连续时间周期信号,即: 连续时间周期信号可以分解成无数多个复指数谐波分量。
0(),0,1,2jk tk k x t a e k ω∞=-∞==±±∑Example 2:0()cos x t t ω=001122j t j te e ωω-=+112a ±=Example 3 :00()cos 2cos3x t t tωω=+0000331[]2j t j t j t j t e e e e ωωωω--=+++112a ±=31a ±=Some alternative form for the Fourier series 0000*()jk t jk t jk t jk t k k k k k k k k x t a e a e a e a eωωωω∞∞∞∞-***-=-∞=-∞=-∞=-∞⎡⎤====⎢⎥⎣⎦∑∑∑∑ork ka a*-∴=*kka a -=)()(t x t x *=Suppose x(t) is real ,then is expressed in polar form as kj k k a A e θ=k a 0001()()01()kk k j jk tj k t j k t kkk k k k x t A eea A eA eθωωθωθ∞-∞++=-∞=-∞===++∑∑∑Some alternative form for the Fourier series (CONT)0001[]kkjk tj jk tj k k k a A eeA ee ωθωθ-∞--==++∑*kkj j kkk k a a A eA eθθ----=∴=Q thus :k kA A -=k kθθ-=-Conclusion: is even ,and k a k θis odd0001()[]kkjk tj jk tj k k k x t a A eeA eeωθωθ-∞--=∴=++∑0012cos()k k k a A k t ωθ∞==++∑——trigonometric functions formis expressed in rectangular form as k k ka B jC =+k a 00101()()()jk tjk tkk k k k k x t a BjC eB jC eωω-∞=-∞==++++∑∑0001()()jk tjk tk k k k k a B jC eB jC eωω∞---=⎡⎤=++++⎣⎦∑*kka a -=Q k k k kB jC B jC --∴-=+thus k kB B -=k kC C -=-Conclusion: the real part of is even ,the imaginary part of is odd k a ka0001()()()jk tjk tk k k k k x t a B jC e B jC eωω∞-=⎡⎤=+++-⎣⎦∑[]00012cos sin k k k a B k t C k t ωω∞==+-∑——trigonometric functions form(another form)3.3.2. Determination of the Fourier SeriesRepresentation of a continuous-time Periodic Signal Assuming periodic signal x(t) can be represented with the Fourier series0(),jk tk k x t a eω∞=-∞=∑002T πω=00()()jn tj k n tkk x t ea eωω∞--=-∞=∑000()0()T T jn tj k n tkk x t e dt a edtωω∞--=-∞=∑⎰⎰000()000cos()sin()T T T j k n tedt k n tdt j k n tdtωωω-=-+-⎰⎰⎰{00,,T =k n ≠k n=0000()T jn tn x t edt a T ω-∴=⎰consequently00001()T jn tn a x t e dt T ω-=⎰Notice : the integration can be over anyinterval of length T01()jk tk a x t edtω-=⎰01()T a x t dtT =⎰a 0is simply the average value of x(t) over one period1T 0T -t()x t ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅The spectrum of periodic square waveExample4 (3.5) :11||1,()|/20,t T x t T t T <⎧=⎨<<⎩The spectrum of periodic square wave (Cont)10011101000002sin 11T jk tjk t T k T T k T a edt eT jk T k T ωωωωω----==-=⎰101111010010002sin 222Sa()sinc()T k T T T T k T k T k T T T T ωωω===sin Sa()x x x=sin sinc()xx xππ=Whereππ-()Sa x 1πx121-sin ()c x 1x1根据可绘出的频谱图。