信号与系统_04频域分析方法
信号与系统连续周期信号的频域分析
信号与系统连续周期信号的频域分析频域分析是信号与系统中一种重要的分析方法，用于研究信号的频谱特性。
连续周期信号是一种在时间域上具有周期性的信号，其频域分析包括傅里叶级数展开和频谱图表示。
傅里叶级数展开是一种将连续周期信号分解为若干个频率成分的方法。
对于周期为T的连续周期信号x(t)，其傅里叶级数展开可以表示为：x(t) = ∑[Cn * exp( j *2πn/T * t )]其中，Cn为信号中频率为n/T的分量的振幅，j为虚数单位。
通过计算信号的傅里叶系数Cn，可以得到信号的频率成分和其对应的振幅。
在频域分析中，经常使用的一个重要工具是频谱图。
频谱图是一种将信号在频域上进行可视化展示的方法，通过绘制信号的频谱，可以直观地观察到信号的频率信息。
频谱图中的横轴表示频率，纵轴表示振幅。
对于连续周期信号，其频谱图是离散的，只有在频率为基频及其倍数的位置上有分量值。
基频是连续周期信号的最低频率成分，其他频率成分都是基频的整数倍。
频谱图中的峰值代表了信号在不同频率上的能量分布情况，而峰值的高度代表了对应频率上的振幅大小。
通过分析频谱图，可以获得信号中各个频率成分的相对强度，从而对信号进行进一步的特征提取和处理。
在实际应用中，频域分析经常用于信号处理、系统建模和通信等领域。
例如，在音频处理中，通过频域分析可以实现音频信号的降噪、音乐特征提取和音频编码等任务。
在通信系统中，频域分析可用于频率选择性衰落信道的估计和均衡、多载波调制技术等。
总结起来，频域分析是信号与系统中对连续周期信号进行分析的重要方法。
通过傅里叶级数展开和频谱图表示，可以揭示信号的频率成分及其振幅特性，为信号处理和系统设计提供依据。
04四章 连续时间信号与系统的S域分析
相应的傅里叶逆变换为
• Fb(s)称为f(t)的双边拉氏变换（或象函数），f(t)称为 Fb(s) 的双边拉氏逆变换（或原函数）。
二、双边拉氏变换的收敛域
能使
收敛的S值的范围。
若f(t)绝对可积，则 F(jω)=F(s)|σ=0 或F(jω)= F(s)|s= jω
S平面与零点、极点
N (s) F ( s) D( s )
例5.1－5求复指数函数（式中s0为复常数）f(t)=es0t(t)的 象函数
• 解： L[e (t )] 0 e e dt 0 e
s0 t s0t st
( s s0 ) t
dt
1 , Re[ s] Re[ s0 ] s s0 1 t , Re[ s ] 若s0为实数，令s0＝，则有 e (t ) s
三、 S域平移（Shifting in the s-Domain）: 若 x(t ) X (s), ROC: R 则
x(t )e X ( s s0 ), ROC : R Re[s0 ]
s0t
表明 X (s s0 ) 的ROC是将 X ( s)的ROC平移了 一个Re[ s0 ] 。
1 s2 X 1 ( s) 1 , s 1 s 1
1 X 2 ( s) , s 1
ROC: 1
ROC: 1
而 x1 (t ) x2 (t ) t 1 ROC为整个S平面 • 当R1 与R2 无交集时，表明 X ( s) 不存在。
二、 时移性质（Time Shifting）:
ROC : 包括 R1 R2
x1 (t ) x2 (t ) X1 (s) X 2 ( s)
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。
信号与系统第4章 连续信号的频域分析
1
信号与系统
出版社 理工分社
4.1 周期信号的傅里叶级数
所有具有各自不同频率的正弦函数 sin nΩt（n =1，2，…）和余弦函数 cosnΩt（n =0，1，2， …）在时间区间（ t0，t0+2π /Ω）范围内构成一个 完备的正交函数集。同样，所有虚指数函数ejnΩt （n = ±0，±1，±2，…）在此时间范围内也构成 一个正交函数集。傅里叶提出，一个周期信号可以 用以上两种正交函数集中相互正交的若干函数的线 性组合来表示。或者说，可以将周期信号分解为这 些正交函数的加权和。
35
信号与系统
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4.6.1 帕塞瓦尔定理 对周期功率信号 f（t），假设其傅里叶系数为 Fn，则其平均功率为
对能量信号 f（t），假设其傅里叶变换为 F（ jω），则其能量为
36
信号与系统
出版社 理工分社
这说明，式（4.6.1）右边的每一项代表周期 信号中每个复简谐分量的平均功率，而式中右边的 积分是根据时域表达式计算信号平均功率的定义式 。因此，式（4.6.1）所示周期信号的帕塞瓦尔定 理说明，周期信号的平均功率等于各分量的平均功 率之和。考虑到 |Fn|为偶函数，并且由式（4.1.6 ）可知 |Fn|=An/2，代入式（4.6.1）还可以得到周 期功率信号帕塞瓦尔定理的另一种描述，即
33
信号与系统
出版社 理工分社
③非周期信号只有傅里叶变换和频谱密度。而 周期信号既有频谱，也有频谱密度，它们之间可以 通过式（4.5.4）进行转换。
④周期信号的频谱密度都是由冲激函数构成的 。此外，许多不满足绝对可积条件的信号，如果存 在傅里叶变换，其频谱密度中一般都含有冲激函数 ，如单位阶跃信号。
图 4.5.1 复简谐信号、余弦信号和正弦信号的频谱图
信号系统(陈后金)第4章-信号的频域分析
0 2 lim[ 2 ] 2 0 + w
2 w dw 2arctg( ) 2 2 2 +w
f (t )
dt (t )e jwt dt 1
(t )
(1)
1
F (w )
0
t
0
w
单位冲激信号及其频谱
(4) 直流信号
直流信号不满足绝对可积条件,可采用极限 的方法求出其傅里叶变换。
F [1] lim F [1 e
0
| t|
2 ] 2 (w ) ] lim[ 2 2 0 + w
符号表示：
F ( jw ) F[ f (t )] f (t ) F 1[ F ( jw )]
或
f (t ) F ( jw )
F
狄里赫莱条件
（1）非周期信号在无限区间上绝对可积
f (t ) dt
（2）在任意有限区间内，信号只有有限个最大值 和最小值。 （3）在任意有限区间内，信号仅有有限个不连续点， 且这些点必须是有限值。 狄里赫莱条件是充分不必要条件
P 1
2 2 2 | C ( n w ) | C ( 0 ) + 2 | C ( n w ) | 0.1806 0 0 n =1 4 4
n =—4
P 0.1806 1 90 % P 0.200
周期矩形脉冲信号包含在有效带宽内的各谐波平均功 率之和占整个信号平均功率的90%。
虚指数信号 正弦型信号单位冲激序列
• 常见周期信号的频谱密度
1. 常见非周期信号的频谱
(1) 单边指数信号
频域分析方法
解为许多个周期性信号之和，然后分别求解，
最后求和（积分）。 在某频率点 ω ，实际（复）振幅是一个无穷
小量：
E&(ω) = lim 1 E( jω) = lim Ω E( jω) = E( jω) dω
T→∞ T
Ω→0 2π
2π
所以其响应为：
∴R& (ω) = H( jω)E&(ω) = H( jω)E( jω) dω 2π
4、系统的频率特性
H ( jω) 在特定 ω 点上的取值实际上表示了系统
对该频率点上的信号的幅度和相位的影响。由
H ( jω ) 可以引出系统的频域特性：
1） 频域特性定义：系统的频率特性是指系统对各 个频率的复正弦信号的影响：包括对复正弦信 号幅度和相位的影响。
2）频率特性曲线 系统的传输特性也可以用图形的方法表示。
如果要在理论上更加严格的话，还可以进一步证
明只有 R( jω ) ⋅ e jωt 可能是系统对 E( jω ) ⋅ e jωt 信
号的响应。
令系统的传输函数为：
H ( jω) = bm ( jω )m + bm−1( jω )m−1 + ... + b1( jω ) + b0
( jω )n + an−1( jω )n + ... + a1( jω ) + a0 它实际上可以将时域中的转移算子 H ( p) 中的算 子 p 用 jω 替代后得到。这里的 H 完全是一个代
E(
jω )
= H ( jω)E( jω)
非周期信号通过线性系统的 rzs 求解公式还 有第三种推导方法： 根据卷积积分公式，有：
r(t) = e(t) ⊗ h(t)
第三、四章连续时间信号与系统的频域分析内容总结
第
连续时间信号与系统的频域分析总结
8 页
例15、试求信号f(t)=cos(4t+ )的频谱 。 3
解：
X
第
连续时间信号与系统的频域分析总结
9 页
例16、一因果LTI系统的输入和输出，由下列微分方程表示：（采用傅里叶变
换计算）。 （1）求系统的单位冲激响应 h( t ) ；
d 2 y( t ) dy( t )
X
第
连续时间信号与系统的频域分析内容总结
2 页
第四章是傅里叶变换在LTI系统分析中的应用。 在第三章信号频域分解、分析基础上，研究不同激励信号 通过系统的响应、信号通过系统无失真条件、理想低通滤波器 模型以及物理可实现条件、希尔伯特变换、抽样定理等主要内 容。
X
第
连续时间信号与系统的频域分析总结
3) (j
5)
1ห้องสมุดไป่ตู้
j
3
1
j 5
2
j
4
y z s(t ) e 3t (t ) e 5t (t ) 2e 4t (t )
X
第
连续时间信号与系统的频域分析总结
10 页
例17、如图所示系统，其乘法器的两个输入端分别为：f (t) sin(2t) , s(t) cos(6t)
系统的频率响应为
8
15y( t ) 2 f ( t )
dt 2
dt
（2）若 f ( t ) e4t( t ) ，求该系统的零状态响应 yzs (t) 。
解： （1）
H ( j)
2
11
j2 8 j 15 j 3 j 5
h(t) e 3t(t) e 5t(t)
（2）
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F s
L f
t
0
f
t es td t
f t L1 f t
1
σ j
F
s
estd s
2π j σ j
二．拉氏变换的收敛
第 10
页
收敛域：使F(s)存在的s的区域称为收敛域。
记为：ROC(region of convergence)
实际上就是拉氏变换存在的条件；
lim f (t) eσ t 0
L
f (at)
f (τ
)
e
s a
τ
d
τ
1
0
a a
0
f (τ
s τ
) e a dτ
1 a
F s a
时移和标度变换都有时:
若L
f
(at
b)u(at
b)
1
F
s
e
s
b a
a 0,b 0
a a
七．初值
第 24
页
若f (t)及 d f (t) 可以进行拉氏变换，且f (t) F (s),则 dt
dt
lim f (t) lim sF (s)
t
s0
终值存在的条件:
sF s在右半平面和 jω 轴 (原点除外)上无极点。
证明：
根据初值定理证明时得到的公式
sF (s)
f 0
d f (t) (s)
s0
f
0
lim s0
d f (t) estd t 0 d t
1
IC s sC
1 s
vC
0
VC s
1
C
iC (1) (0 )
1 C
0
iC
(
)
d
vC (0 )
电容元件的s模型
第
四．延时（时域平移）
21
页
若L f (t) F (s)，则
证明：
L f (t t0 )u(t t0 ) F (s)est0
L
f (t t0 )u(t t0 )
f2 t
0
0
f1 τ
uτ
f2
t
ut
τ
dτ
estd
t
交换积分次序
L f1t
f2t
0
f1 τ
0
f2 t
τ
ut
τ
e
std
t
dτ
令x t , t x ,积分区间： 同 － 0
L f1t f2t
0 f1 τ
e sτ
0
f2
x
e
sxd
x
dτ
F1(s)F2(s)
十．对s微分
第 27
页
若L f (t) F (s)，则
L
tn
f (t)
(1)n
dn F(s) dn s
n取正整数
常用形式：Ltf (t) d F (s)
ds
十一．对s积分
第 28
页
若L
f
(t)
F (s)，则L
f
(t) t
s
F(s)d
s
证明：
F (s) f (t) estd t
两边对s积分：
(0 )
证明：
0
ft
estd t
f
t
est
0
0
sf
t
e
st
d
t
推广：
f 0 sF (s)
L d
f 2(t)
dt
sF s
f
0
f
(0 )
s2F (s) sf (0 ) f (0 )
L
d
f n(t)
dt
snF(s)
n1 r0
s n r 1
f
(r)(0 )
第
L f (t) eα t F (s α )
证明：
L f (t) eα t f (t) eα testd t F (s α ) 0
六．尺度变换
第 23
页
若L f (t) F (s), 则
证明： 令τ at，则
L f (at) 1 F s a 0
a a
L f (at) f (at)estd t 0
电感元件的s域模型
18 页
iL(t) L vL(t)
vL(t)
L
d
iL(t) dt
设
LiL(t) IL(s), LvL(t) VL(s)
应用原函数微分性质
VL (s) LsI L (s) iL (0 ) sL I L (s) LiL (0 )
I L s Ls LiL 0
VL s
电感元件的s模型
极点 p1, p2 , p3 pn是Bs 0的根, 称为F s的极点
因为B(s) 0 F(s)
三．拉氏逆变换的过程
第 33
页
找出F s的极点 将F s展成部分分式 查拉氏变换表求 f t
四．部分分式展开法(m<n)
第 34
页
1.第一种情况：单阶实数极点
A(s) F(s)
(s p1 )(s p2 ) (s pn )
§ 4.2 拉普拉斯变换的定义、 收敛域
主要内容
第 6
页
从傅里叶变换到拉普拉斯变换 拉氏变换的收敛 一些常用函数的拉氏变换
一．从傅里叶变换到拉普拉斯变换
第 7
页
1．拉普拉斯正变换
信号 f (t), 乘以衰减因子e t (为任意实数)后容易满足
绝对可积条件, 依傅氏变换定义:
F1
本章内容及学习方法
第 4
页
本章首先由傅氏变换引出拉氏变换，然后对拉氏正 变换、拉氏反变换及拉氏变换的性质进行讨论。
本章重点在于，以拉氏变换为工具对系统进行复频 域分析。
最后介绍系统函数以及H(s)零极点概念，并根据他 们的分布研究系统特性，分析频率响应，还要简略介绍 系统稳定性问题。
注意与傅氏变换的对比，便于理解与记忆。
例题：
f (t) cos(ωt) 1 ejω t ejω t 2
已知
L eα t 1 s α
则 同理
Lcosω
t
1 2
s
1 jω
s
1 jω
s2
s ω2
Lsinω
t
s2
ω ω2
二．原函数微分
第 17
页
若L f
(t)
F
( s ), 则L
d
f d
(t t
)
sF (s)
f
一．由象函数求原函数的三种方法
第 31
页
(1)部分分式法 (2)利用留数定理——围线积分法 (3)数值计算方法——利用计算机
二．F(s)的一般形式
第 32
页
通常F s具有如下的有理分式形式 :
F(s)
A(s) B(s)
am sm am1sm1 a1s a0 bnsn bn1sn1 b1s b0
6.一般求函数的单边拉氏变换可以不加注其收敛范围。
三．一些常用函数的拉氏变换
第 12
页
1.阶跃函数
L u(t)
1
estd
t
1 est 1
0
s 0 s
2.指数函数
L eα t eα testd t
eα st
1
0
αs αs
3.单位冲激信号
0
σ α
L
t
0
t
estd
t
1
全s域平面收敛
第 15
页
线性 原函数积分 s域平移 初值 卷积 对s域积分
原函数微分 延时（时域平移） 尺度变换 终值 对s域微分
一．线性
第 16
页
若
L f1(t) F1(s),
L
f2
(t )
F2 (s),
K1,
K
为
2
常
数
，
则 L K1 f1(t ) K2 f2 (t ) K1F1(s) K2F2 (s)
t
jω 收敛轴
σ σ0
收敛区
收敛坐标
σ0 O
σ
例题及说明
第 11
页
1.满 足 lim t
f
(t) e
t
0σ
σ0 的信号成为指数阶信号；
2.有界的非周期信号的拉氏变换一定存在；
3. lim t ne t 0 0 t
4. lime te t 0 α t
5.et2 等信号比指数函数增长快，找不到收敛坐标， 为非指数阶信号，无法进行拉氏变换。
1 t f testd t F s
s0
s
第
电容元件的s域模型
20 页
iC t C vC t
1 vC (t) C
t
ic ( )d
设LiC (t) IC (s), LvC (t) VC (s)
VC
(s)
1 C
IC (s) s
iC (1) (0 s
)
1
1
sC IC (s) s vC (0 )
0
f (t t0 )u(t
t0 )estd t
t0
f
(t
t0
) e std
t
令 τ t t0，则有t t0 , d t dτ , 代入上式
L
f (t t0 )u(t t0 )
f (τ ) est0esτ dτ
0
F ( s) est0
五．s域平移
第 22
页
若L f (t) F (s)，则