信号与系统——频域分析
信号与系统-信号与系统的频域分析
§3.1 周期信号的分解与合成
1768年生于法国 1807年提出“任何周期信号都可用收敛 的正弦函数级数表示” 1829年狄里赫利第一个给出收敛条件 拉格朗日反对发表 1822年首次发表在“热的分析理论”一 书中。
§3.1 周期信号的分解与合成
一、周期信号分解为三角级数
周期信号 f t,周期为T1
F () 0 0
F () , j
F () 0 0
说明：
F() F(0) f (t)dt
0
时域积分性质多用于F(0)=0的情况，而F(0)=0表明f(t)的频谱函数中直
0
2
bn
2 T
T
2 T
2
f
(t)sin n1tdt
4 T
T
2 0
Asin
n1tdt
图1
T
4A T
co sn1t n1
2 0
4 A (n 1, 3, 5,) nπ 0 (n 2, 4, 6,)
所以f( t )的傅里叶级数为
f
(t )
4A π
(sin
1t
1 3
sin
31t
1 5
sin
51t
)
2
( n1 )
)
A Sa( n1 )
2
T
2
其中Sa( )形式如下。
抽样函数：
Sa(t) sin t t
Sa (0) 1
当 t k (k 1,2,3 时，) Sa( t ) = 0
图6
f( t ) 的双边谱
Sa( t ) ： Fn ：
图7
周期矩形脉冲信号含有无穷多条谱线，也就是说，周期矩形脉冲信号 可表示为无穷多个正弦分量之和。在信号的传输过程中，要求一个传输系 统能将这无穷多个正弦分量不失真地传输显然是不可能的。实际工作中， 应要求传输系统能将信号中的主要频率分量传输过去，以满足失真度方面 的基本要求。周期矩形脉冲信号的主要能量集中在第一个零点之内， 因而， 常常将ω=0~ 这段频率范围称为矩形脉冲信号的频带宽度。记为
信号与系统分析
信号与系统分析在现代科学技术领域中，信号与系统分析是一门重要的学科。
它主要研究信号以及信号在系统中的传输和处理过程。
本文将从信号与系统的基本概念、数学模型、频域分析以及实际应用等方面对信号与系统进行分析。
一、信号与系统的基本概念1.1 信号的定义与分类信号是指随时间、空间或其他自变量的变化而变化的物理量。
根据信号的特征和性质，可以将信号分为连续时间信号和离散时间信号。
连续时间信号是在连续时间内取值的信号，例如模拟音频信号；离散时间信号是在离散时间点上取值的信号，例如数字音频信号。
1.2 系统的定义与分类系统是指对信号进行处理或者传输的设备或物理构造。
根据系统的输入和输出形式，可以将系统分为线性系统和非线性系统。
线性系统满足加法性和齐次性的特性，而非线性系统则不满足。
二、信号与系统的数学模型2.1 连续时间信号模型连续时间信号可以用连续函数来描述。
常见的连续时间信号模型有周期函数、指数函数和三角函数等。
在实际应用中，还可以利用微分方程来描述连续时间信号与系统之间的关系。
2.2 离散时间信号模型离散时间信号可以用序列来表示。
序列是由离散的采样点构成的数列。
常见的离散时间信号模型有单位样值序列、周期序列和随机序列等。
在实际应用中，离散时间信号与系统之间可以通过差分方程进行建模。
三、频域分析频域分析是对信号在频域上的特性进行分析的方法。
通过将信号从时域转换到频域，可以更加清晰地观察信号的频率成分及其变化规律。
常见的频域分析方法有傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换等。
3.1 傅里叶变换傅里叶变换是将一个信号在频域上进行表示的方法。
它可以将信号分解成一系列的正弦函数或者复指数函数的组合。
傅里叶变换广泛应用于信号的频谱分析、滤波器设计以及通信系统等领域。
3.2 拉普拉斯变换拉普拉斯变换是对信号在复域上的频域表示。
它具有傅里叶变换的扩展性质，可以处理更加一般的信号和系统。
拉普拉斯变换在控制系统分析和设计、电路分析以及信号处理等方面有重要应用。
频域分析
频域分析频域分析是信号处理中的一种重要方法，它用于研究信号在频率领域上的性质和特征。
频域分析是根据信号的频率分布情况来分析信号的变化规律，与时域分析相互补充，为我们深入理解信号提供了一个新的视角。
本文将从频域分析的基本概念、常用方法以及应用领域等方面进行介绍。
频域分析是通过对信号进行傅里叶变换来实现的。
傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学工具，可以将信号分解成不同频率的正弦和余弦波的叠加。
通过傅里叶变换，我们可以得到信号在频域上的频率成分和能量分布。
频域分析可以帮助我们更加直观地了解信号的周期性、频率特征以及频谱特性。
在频域分析中，最基本的方法是功率谱分析。
功率谱是指信号在频域中各个频率分量的能量大小。
通过功率谱，我们可以了解信号的主要频率成分及其能量分布情况。
功率谱分析是频域分析中最常用的方法之一，广泛应用于声音处理、图像处理、通信系统等领域。
除了功率谱分析，还有其他一些常用的频域分析方法。
例如，自相关函数是用于测量信号的周期性和相关性的方法。
自相关函数可以帮助我们确定信号中的周期性成分。
另外，互相关函数则用于分析信号之间的相关性，常用于信号检测和通信系统中。
频域滤波是频域分析的重要应用之一。
频域滤波可以通过对信号的频谱进行幅度和相位调整来实现对信号的滤波处理。
频域滤波可以有效地去除信号中的噪声和干扰，以及增强信号中所需的频率成分。
频域滤波在音频处理、图像处理以及通信系统中都有广泛的应用。
此外，频域分析还可以用于信号的特征提取和模式识别。
通过分析信号的频率成分和能量分布，我们可以提取出信号的特征，进而进行分类和识别。
频域特征提取在语音识别、图像识别等领域有很重要的应用。
除了上述应用，频域分析还被广泛应用于信号恢复、数据压缩、信号调制等领域。
通过对信号在频域上的分析，我们可以更加全面地了解信号的特性，并且能够更加灵活地对信号进行处理。
总之，频域分析是信号处理中的重要方法，它通过对信号进行傅里叶变换来实现对信号的频率特性的分析。
信号与系统—信号的频域分析
信号与系统—信号的频域分析频域分析是指将信号从时间域转换为频域的过程，并通过对信号在频域上的性质和特征进行分析与研究。
频域分析对于理解信号的频率特性、频谱分布等方面的特性有很大的帮助，是信号处理领域中不可或缺的分析工具。
频域分析的基本方法之一是傅里叶变换。
傅里叶变换可以将连续时间域中的信号转换为离散频域中的信号，也可以将离散时间域中的信号转换为连续频域中的信号。
它通过将信号分解为不同频率的正弦波的组合来分析信号的频谱分布。
傅里叶变换的基本公式为：两个公式其中，X(f)表示信号在频域中的频谱，x(t)表示信号在时间域中的波形，f表示频率。
傅里叶变换得到的频谱图可以展示信号在不同频率上的能量分布情况，从而能够更直观地了解信号的频率成分。
频谱图通常以频率为横轴，信号在该频率上的幅度或相位为纵轴，用于描述信号在频域中的变化情况。
除了傅里叶变换，还有其他一些常用的频域分析方法，如离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）等。
离散傅里叶变换是对离散时间域中的信号进行频域分析的方法，快速傅里叶变换是一种高效的计算离散傅里叶变换的方法。
频域分析主要包括信号的频谱分析和系统的频率响应分析两个方面。
在信号的频谱分析中，我们可以通过观察信号在频域上的能量分布情况来判断信号的频率成分、频率范围等信息。
而在系统的频率响应分析中，我们可以通过研究系统在不同频率上的响应特性来了解系统对不同频率信号的传输、增益、衰减等情况。
频域分析在实际应用中有着广泛的应用。
例如，在音频处理领域中，频域分析可以用于声音信号的频谱分析和音效处理等方面。
在通信系统中，频域分析可以用于信号的调制解调、信道估计、信号检测等。
在图像处理中，频域分析可以用于图像的锐化、降噪、压缩等方面。
总结起来，信号的频域分析是信号与系统课程中的重要内容，它通过将信号从时间域转换为频域来研究信号的频率特性和频谱分布等问题。
傅里叶变换是频域分析中常用的方法之一，它可以将信号分解为不同频率的正弦波的组合。
连续时间信号与系统的频域分析报告
连续时间信号与系统的频域分析报告1. 引言连续时间信号与系统的频域分析是信号与系统理论中的重要分支，通过将信号和系统转换到频域，可以更好地理解和分析信号的频谱特性。
本报告将对连续时间信号与系统的频域分析进行详细介绍，并通过实例进行说明。
2. 连续时间信号的频域表示连续时间信号可以通过傅里叶变换将其转换到频域。
傅里叶变换将信号分解成一系列不同频率的正弦和余弦波的和。
具体来说，对于连续时间信号x(t)，其傅里叶变换表示为X(ω)，其中ω表示频率。
3. 连续时间系统的频域表示连续时间系统可以通过频域中的频率响应来描述。
频率响应是系统对不同频率输入信号的响应情况。
通过系统函数H(ω)可以计算系统的频率响应。
系统函数是频域中系统输出与输入之比的函数，也可以通过傅里叶变换来表示。
4. 连续时间信号的频域分析频域分析可以帮助我们更好地理解信号的频谱特性。
通过频域分析，我们可以获取信号的频率成分、频谱特性以及信号与系统之间的关系。
常用的频域分析方法包括功率谱密度估计、谱线估计等。
5. 连续时间系统的频域分析频域分析也可以用于系统的性能评估和系统设计。
通过分析系统的频响特性，我们可以了解系统在不同频率下的增益和相位变化情况，进而可以对系统进行优化和设计。
6. 实例分析以音频信号的频域分析为例，我们可以通过对音频信号进行傅里叶变换，将其转换到频域。
通过频域分析，我们可以获取音频信号的频谱图，从而了解音频信号的频率成分和频率能量分布情况。
进一步，我们可以对音频信号进行系统设计和处理，比如对音乐进行均衡、滤波等操作。
7. 结论连续时间信号与系统的频域分析是信号与系统理论中重要的内容，通过对信号和系统进行频域分析，可以更好地理解和分析信号的频谱特性。
频域分析也可以用于系统的性能评估和系统设计，对于音频信号的处理和优化具有重要意义。
总结：通过本报告，我们了解了连续时间信号与系统的频域分析的基本原理和方法。
频域分析可以帮助我们更好地理解信号的频谱特性和系统的频响特性，对系统设计和信号处理具有重要意义。
第三章 信号与系统的频域分析
其中：
2 2 An a n bn
第n次谐波的振幅
bn n arctg( ) an
第n次谐波的初相角
三角频谱：余弦形式的傅氏级数的振幅An随n0变化的规律，称为振幅频
谱，习惯上简称频谱；相位n随n0变化的规律，称为相位频谱。
三角傅氏级数总有 n 0 ,谱线只出现在n0～An或者n0～n平 面的右半平面，故称作单边频谱。
直流系数
利用信号的对称性简化傅立叶系数的求解 偶函数fe(t)的傅立叶级数只含有直流分量和余弦分量；
奇函数fo(t)的傅立叶级数只含有正弦分量；
奇半波对称信号只含有奇次谐波，又称奇谐函数 偶半波对称信号只含有偶次谐波，又称偶谐函数
2、余弦形式的傅氏级数
三角函数变换公式
其中，
An a b
F n F n
*
总是成对出现
负频率的出现只是数学形式，实际并不存在
Fn Fn e j n
F n F n e j n Fn e j n
F n Fn
偶函数
n n
奇函数
(2) 与三角形式的傅氏级数的关系
a0 A0 F0 2 2 an jbn Fn 2 an jbn * F n Fn 2 An | Fn | 2
一般周期信号都满足这些条件余弦分量系数正弦分量系数称为傅里叶系数基波角频率直流系数直流分量基波分量n周期信号可以分解为各次谐波分量的代数和利用信号的对称性简化傅立叶系数的求解偶半波对称信号只含有偶次谐波又称偶谐函数2余弦形式的傅氏级数其中为第n次谐波的振幅为第n次谐波的初相角三角函数变换公式二指数型傅里叶级数在时间区间tt内基波角频率的正交虚指数函数集是完备的对于周期为t的周期信号ft当它在该时间区间内有定义时可以由上述虚指数函数的线性组合来表示即
《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
信号与系统课件：连续信号与系统的频域分析
双边谱指的是当 n 为任何值时( -∞< n <∞ )， 和 θn 随频
率 nω 0变化的图形。
连续信号与系统的频域分析
若某周期信号傅里叶级数为
连续信号与系统的频域分析
图 3.3－1 周期信号频谱
连续信号与系统的频域分析
【例 3.3－1 】 试画出图 3. 2－1 所示的周期方波信号
的单边频谱和双边频谱。
A 2 =8 ， A 3 =0 ， A 4 =2 ，相位 φ 1 =-180° ， φ 2 =0° ，
φ 3 =0° ， φ 4 =90° 。于是 f ( t )的单边频谱如图 3. 3 4 所
示。
连续信号与系统的频域分析
图 3.3－4 信号 f ( t )的单边谱
连续信号与系统的频域分析
由单边频谱和双边频谱的关系，可得 f (t )的双边频谱如
种简洁形式:
连续信号与系统的频域分析
两种表达式中的系数的关系为
由式( 3. 2－5 )可知， A n 是 n 的偶函数; φ n 是 n 的奇函数。
连续信号与系统的频域分析
也可由式(3. 2－4 )得到式( 3. 2－2 )，系数的关系为
连续信号与系统的频域分析
式( 3. 2－4 )表明，任意周期信号可以分解为直流和许
指函数 ej ωt 为基本信号，将任意连续信号分成一系列不同频
率的正弦信号或虚指函数信号线性组合，并加分析。对周期
信号的分解工具是傅里叶级数，对非周期信号的分解工具是
傅里叶变换。利用信号的正弦分解思想，系统的响应可看做
各不同频率正弦信号产生响应的叠加，这种思想将时域映射
到频域，揭示了信号内在的频率特性以及信号时间特性与频
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A2
A1
Ae
A2
C12 A2
C12
A1 A2 A2 2
A1 A2
A2 A2
C12表明了两个矢量的相似程度 大小和方向
两矢量互相垂直时有 C12 0
信号与系统分析（第2版）电子教案
90o
7
A1和A2无法相互表示
3.1 信号的能量与功率
2. 信号的正交分解
②、误差矢量的解析表示
① 用实信号x2(t)来逼近实信号x1(t)，
即 x1(t) C12x2 (t) xe (t) C12x2 (t) t1 t t2
误差
xe (t) x1 (t) C12 x2 (t)
② 使误差信号能量W获得极小值的C12
W t2 xe2 (t)dt t2 x1 (t) C12 x2 (t) 2 dt
5
3.1 信号的能量与功率
1. 能量信号与功率信号
1.能量信号与功率信号
任何信号通过系统时都伴随着一定能量或功率的传输， 表明信号具有能量或功率特性。
将信号 x(t)施加于 1Ω电阻上，它所消耗的瞬时功率为 x(t)，2 则定义：
信号的能量
W
x(t) 2 dt
信号的功率 P 1
T
k1 两矢量互相垂直时有
误差矢量最 小的解析解
C12
A1k A2k
k 1
2
A22k
A1 A2 A2 A2
C12 0 内积 A1 A2 0
k 1
此结果可推广到任意维
信号与系统分析（第2版）电子教案
8
3.1 信号的能量与功率
（2）、信号的正交分解
2. 信号的正交分解
“非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示”
—— 傅里叶的第二个主要论点
信号与系统分析（第2版）电子教案
2
3. 傅里叶分析的工程意义
（1）傅里叶分析的基本信号单元
① ejt cost jsin t是LTI系统的特征函数，
响应易求且简单。 ②各种频率的正弦信号的产生、传输、分离和变换 容易工程实现。 ③正弦量只需三要素即可描述，LTI系统的输入和 输出的差别只有两要素，即系统的作用只改变信号 的振幅和相位。
电子教案目录
第3章 频域分析
➢ 3.1 信号的能量和功率
➢ 3.2 周期信号的傅里叶级数与频谱
➢ 3.3 傅里叶变换
➢ 3.4 傅里叶变换的性质
➢ 3.5 周期信号的傅里叶变换
➢ 3.6 频率响应函数与理想滤波器
➢ 3.7 抽样定理
➢ 3.8 幅度调制、解调与多路复用
信号与系统分析（第2版）电子教案
④ 正交函数集（n维）
如果在区间t1 ,t2 内，函数集r t r 1,2, ,n 满足以下关系
t2 t1
i
(t) j
(t)dt
0
t2 t1
信号与系统分析（第2版）电子教案
3
（2）适用于广泛的信号 由虚指数或正弦信号的线性组合可以组成工程中各
种信号，使得对任意信号作用下的LTI系统进行频域 分析成为一件容易的事情。
（3）频域分析的优势
①任意信号分解成不同频率虚指数（正弦）信号的线 性组合，分析LTI系统对这些不同频率单元信号作用 的响应特性的过程就是频域分析。
2
Ae 2 ( A11 C12 A21) 2 ( A12 C12 A22 ) 2 ( A1k C12 A2k ) 2
使误差取极小值的 C12 应满足
k 1
C12
2
( A1k
k 1
C12 A2k )2
2
0
2
(2 A1k A2k 2C12 A22k ) 0
②频率分析可以方便求解系统响应。 例如相量法。
③频域分析的结果具有明显的物理意义，例如抽样 定理和无失真传输概念都是频域分析的结果。
④可直接在频域内子教案
4
3.1 信号的能量与功率
➢ 1.能量信号与功率信号 ➢ 2.信号的正交分解
信号与系统分析（第2版）电子教案
1
1. 傅里叶生平
• 1768年生于法国
引言
• 1807年提出“任何周期信号都可用正
弦函数级数表示”
• 拉格朗日反对发表
• 1822年首次发表在“热的分析理论”
一书中
• 1829年狄里赫利第一个给出收敛条件
2. 傅立叶的两个最主要的贡献
“周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和”
—— 傅里叶的第一个主要论点
C12
t2 t1
C12
t1
t1
x1
(t) C12 x2
t2 t1
x1 (t)x2
(t) 2 dt (t)dt
t2 t1
x
2 2
(t)dt
t2
0
t1
类似于
x1 (t)x2 (t) C12 x22 (t) dt
2
C12
A1k A2k
k 1
2
A22k
A1 A2 A2 A2
0
③ 信号正交条件
k 1
C12
t2 t1
x1(t)x2 (t)dt
t2 t1
x22
(t)dt
0
即
信号与系统分析（第2版）电子教案
9
t2 x1 (t)x2 (t)dt 0 t1
3.1 信号的能量与功率
2. 信号的正交分解
2
x(t) dt
T0
能量信号：信号的能量有限，即 W , P 0
具有有限幅值的时限信号都是能量信号。
功率信号：信号的功率有限，即 P ,W 具有有限值的周期信号都是功率信号。
信号与系统分析（第2版）电子教案
6
3.1 信号的能量与功率
2. 信号的正交分解
2.信号的正交分解
（1）、矢量的正交分解
①、正交矢量——相互垂直的两个矢量 两个矢量A1和 A2，若想用C12A2近似A1，有
A1 C12 A2 Ae
A1
Ae A2
C12 A2
A1
Ae A2
C12 A2
误差矢量 最小的几
何解
A1 A2 A1 A2 cos
A1
cos
A1 A2 A2
C12
令平面（2维）直角坐标系坐标轴的单位矢量分别为 e x 和 e y
则 A1与 A2就可表示为
A1 A11e x A12e y
A1 A11e x A12e y
A2 A21e x A22e y
Ae A1 A2C12AA212ex ( AA1212eyC12 A21)e x ( A12 C12 A22 )e y