信号通过线性系统
带通白噪声
显然当过程的每一个样本函数通过时不变系 统时，可表示为
y1(t) h ( )x1(t ) d
yn (t) h ( ) xn (t ) d
此时系统的输出可表示为 Y (t) {y1(t),}, yn (t), 即系统的输入与输出可表示为
RY (t,t ) E [Y (t )]
E
h(1)
h(
2
)Байду номын сангаас
X
(t
1)X
(t
2
)
d1d
2
E
h(1)
h(
2
)
X
(t
1)
X
(t
1)d1d
2
) e d j(21)
h(1)
e
j1
d1
h( 2 )
e
d j2 2
RX
()
e
jd
H ()H ()GX () GX ()H ()H ()
GX () H 2
5. 系统的输入输出的互谱密度
通过对（6.15）式求付氏变换，并利用
GY () GX () H() 2，可以得到系统输出的功率 谱密度为
这里假设输入信 号为有界平稳过程
E [Y (t] h( ) E [X (t )] d
h( )M X d M X
h ( ) d
信号通过线性系统的自相关函数能量谱和功率谱分析
§6.7 信号通过线性系统的自相 关函数、能量谱和功率谱分析
•能量谱和功率谱分析 •信号经线性系统的自相关函数
北京邮电大学电子工程学院 2002.3
2
第 页
时域
前面，从
频
域
s
域
中研究了
激励
响
应
三者的关系
系统
现在，从激励和响应的自相关函数，能量谱，功率谱 所发生的变化来研究线性系统所表现的传输特性。
X
3
一．能量谱和功率谱分析
第
页
et E j
ht rt H j H j
时域
rth t*et
频域
R j H j E j
假e定 t是能量有 et的 限能 信量 号谱 e， ， 密度 rt的能量谱 r密度
eEj2
rRj2
X
4
第
显然
页
R j2H j2E j2
所以
rH j2e
Se e j
因为
Re
Rh Rr
F h tH j F h * t H * j
所以 R r R e h t h * t R e R h
其中 R h h t h * t为系统冲激响应的自相关函数。
X
H j 2
Sr r
物理意义：响应的能谱等于激励的能谱与 H j 2的乘积。
同样，对功率信号有
SrH j2Se 物理意义：响应的功率谱等于激励的功率谱与 H j 2
的乘积。
X
5
二．信号经线性系统的自相关函数 第 页
由
rH j2e
SrH j2Se
得
r H j H * j e
S r H j H * j S e
信号和线性系统
1.1 信号的基本概念
3、信号总是以下面的形式传输： 信源 通过 信道 到达 信宿 甲(语言) （空气） 乙(耳朵)
信号的特性：（时间特性 频率特性）
一般地说 :信号是时间的函数;有一定的波形。 任一信号具有其自身特有的频率组成，所以信号 也是频率的函数。
1.2 信号的分类
1.3 系统的定义和分类
（3）时变系统与非时变系统
如果
ftyt
那么
ft t0 y t t0
1.3 系统的定义和分类
（4）因果系统与非因果系统 因果系统是指当且仅当输入信号激励系统时
才产生输出响应的系统 。 （5）记忆系统与即时系统
系统的输出只取决于该时刻的输入，与系统的 过去工作状态(历史)无关，则称之为无记忆系统 或即时系统。
2、常见非周期信号的傅氏变换 （1）门函数的傅氏变换
g
(t)
1，
0，
t
2
t
2
F( j) Sa( )
2
3.2 非周期信号的频谱分析
（2）冲激信号的傅氏变换
(t) 1
（3）单位直流信号的频谱
12()
注意推导的过程
3.2 非周期信号的频谱分析
（4）指数信号的频谱
eatu(t) 1
a j
（5）阶跃信号的频谱
3、信号的脉冲分解
2.4 系统的微分方程及其响应
1、系统的微分方程
a n y n t a n 1 y n 1 t a 1 y / t a 0 y t ＝ b m f m t b m 1 f m 1 t b 1 f / t b 0 f t
第四章 离散时间信号和系统分析
离散时间信号 差分方程 卷积和 离散系统时域分析 离散系统的频域分析
通信原理 3-5平稳随机过程通过线性系统
输出o(t)的统计特性
2
第3章 随机过程
1.输出过程o(t)的均值 对下式两边取统计平均：
0 (t ) h( ) i (t )d
得到
E[ 0 (t )] E
h( ) iFra bibliotek(t )d
h( )E[i (t )]d
H ( ) (1 e jT ). j 2 cos
所以
2
T
2
e
j
t
2
. j
pY ( ) H ( ) p X ( ) 2(1 cos T ). 2 p X ( )
8
R0 (t1 , t1 ) E[ 0 (t1 ) 0 (t1 )] E
R0 (t1 , t1 )
h( ) i (t1 )d h( ) i (t1 )d
h( )h( ) E[ i (t1 ) i (t1 )]dd
设输入过程是平稳的 ，则有
E[ i (t )] E[ i (t )] a
E[ 0 (t )] a h( )d a H (0)
式中，H(0)是线性系统在 f = 0处的频率响应，因此输出 过程的均值和时间无关。
3
第3章 随机过程
2. 输出过程o(t)的自相关函数：
0 (t ) lim
由于已假设i(t)是高斯型的，所以上式右端的每一项
在任一时刻上都是一个高斯随机变量。因此，输出过程
k 0
(t
k 0 i
实验三 随机信号通过线性时不变系统
实验三 随机信号通过线性系统的分析一、实验目的1 模拟产生特定相关函数的连续随机序列或者离散的随机序列，考察其特性。
2 模拟高斯白噪声环境下信号通过系统的问题，实现低通滤波。
3 掌握系统输出信号的数字特征和功率谱密度的求解。
二、实验设备1计算机2 Matlab 软件三、实验原理随机信号通过线性系统分析的中心问题是：给定系统的输入函数（或统计特性：均值和 自相关函数）和线性系统的特性，求输出函数。
如下图所示，H 为线性变换，信号X (t )为系统输入， Y (t )为系统的输出，它也是随机信号。
图3.1 随机信号通过系统的示意图并且满足： H [X (t )] = Y (t )在时域：若X(t)时域平稳，系统冲激响应为h(t),则系统输入和输出的关系为：()()*()()()()()Y t X t h t X h t d h X t d ττττττ∞∞-∞-∞==-=-⎰⎰ 输出期望：∑∞===0m XY )m (h m )]t (Y [E m 输出的自相关函数：)(h )(h )(R )(R X Y τ*τ-*τ=τ输出平均功率：⎰⎰∞∞-∞∞--=τdvdu )u (h )v (h )u v (R )(R X Y 互相关：)()()()()(ττσσσττh R d h R R X X XY *=-=⎰∞∞-在频域：输入与输出的关系：)(H )(X )(Y ωω=ω输出的功率谱：2X X Y )(H )(S )(H )(H )(S )(S ωω=ωω-ω=ω功率谱：)(H )(S )(S X XY ωω=ω四、实验内容与步骤1已知平稳随机过程X(n)的相关函数为：5),()(22==σδσm m R ； 线性系统的单位冲击响应为111,0,)(+-=≥=实验者学号后两位r k r k h k 。
编写程序求：1）输入信号的功率谱密度、期望、方差、平均功率；2）利用时域分析法求输出信号的自相关函数、功率谱密度、期望、方差、平均功率；3）利用频域分析法求输出信号的自相关函数、功率谱密度、期望、方差、平均功率；4）利用频域分析法或时域分析法求解输入输出的互相关函数、互功率谱密度。
信号与线性系统
信号与线性系统
1 信号与线性系统
信号是无起点，无终点和持续变化，可以说它是介于输入输出之
间的移动性数据。
线性系统是指输入引起输出的响应只依赖于输入本身，且不与输入的时间和相位有关的一类系统。
信号的研究可以帮助
人们了解物体的物理现象，并可以应用于很多不同的情况。
例如，在
通信中可以使用信号来传输和接收数据。
信号和线性系统之间有着紧密的联系。
信号是输入到系统中的数据，而系统会根据信号来处理数据，对其进行操作处理或改变，以产
生一个新的输出信号。
信号在线性系统中的行为会符合系统的特性，
信号的变化规律也可以用来表征线性系统的特性。
信号的研究可以帮助人们了解物体的物理现象，并可以应用于各
种不同的情况。
而线性系统的研究可以帮助人们更好地理解信号的行为，由此可以尽可能准确地实现信号中信息内容的处理和传输。
所以，信号与线性系统是相互 Depending on each other的，它们以及它们
之间的关系可以满足各种不同的应用需求。
离散时间信号通过线性时不变系统
数字信号处理实验报告实验名称：离散时间信号通过线性时不变系统姓名：专业：年级：学号：指导教师：P=16,N=32,q=2,FFT点数为512P=16,N=32,q=30 FFT点数为512时域：q取值的增大，信号波形变宽，变矮，在最大值处过度变的平缓。
频域：信号的频谱向低频靠近。
方差q=2 时，信号变化相对快，高频分量大。
方差q=30时，信号变化相对慢，低频分量大。
因为随着q取值的增大，高斯信号逐渐变得平缓，过渡带变得平滑并延P=30,N=32,q=10 FFT点数为512P=32,N=32,q=10 FFT点数为512时域：p取值的增大，信号波形逐渐向右平移。
频域：信号的频谱中高频分量逐渐增加，频谱泄漏逐渐明显，并逐渐出现频谱混叠现象。
当p=32时，能力泄漏至旁边的频率，出现较明显的频谱泄漏与频谱混叠现象。
随着p值增大，信号被截断部分增多，截断部分的过渡带过陡，产生高频分量增多，而造成频谱泄漏与混叠。
f=0.0625,N=32,FFT点数32当FFT点数为32时，频谱为单线谱，只在谱峰处有值，其他位置都为f=0.0625,N=32,FFT 点数512FFT 点数为512时除谱峰以外，其他位置也有值。
出现这种现象是由于栅栏效应引起的，导致采样时只采到谱峰与零值点。
利用频谱估计频率时，Nm f ，m 为谱峰的位置，估计值与实际值一致，所以谱峰的位置正确。
f=0.265625,N=32,FFT 点数32f=0.265625,N=64,FFT 点数32f=0.265625,N=64,FFT 点数64N=FFT 点数=32、64时没有出现单线谱 N=FFT 点数=64的时候出现单线谱因为当点数为32时，FFT 对频域采样点没有采到谱峰位置，而有一定的相位差，其他点采到了各个旁瓣的峰值。
而当点数为64点时，正好采样采到谱峰和旁瓣的零点。
要使频谱正好采到谱峰，满足Nk Fs f =。
a=0.01 f=0.21875 N=32 FFT点数32 a=0.01 f=0.4375 N=32 FFT点数32a=0.01 f=0.21875 N=32 FFT点数256 a=0.01 f=0.4375 N=32 FFT点数256FFT 点数256 （2）反三角序列⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-≤≤-=elsen n n n n x d 0743304)(FFT 点数为256FFT 点数=8，虽然两者的时域波形不同，但是频域波形却相同，因为二者满足循环移位关系，即)())4(()(88n R n x n x d e -=，从而)()(k X k X e d =，这种现象是栅栏效应引起的。
随机信号通过线性系统分析
4.1 线性系统的基本理论
若对于任意常数a和b、输入信号x1(t)和x2(t)，有
L[ax1(t) bx2 (t)] aL[x1(t)] bL[x2 (t)] 则称系统为线性系统。 若输入信号x(t)时移c段时间，输出y(t)也只引起一 个相同的时移，即
n
h(n) 1
2 j
l H (z)zn1dz
式中l表示包含 H (z)zn1 所有极点的单位圆。
4.1 线性系统的基本理论
如果系统的单位冲激响应满足 h(n) 0 当n 0时
那么该系统称为因果系统。所以实际运行的物理可实现 系统都是因果的。于是对于物理可实现的系统来说
1. 若输入X(t)是宽平稳的，则系统输出Y(t)也是宽平稳 的，且输入与输出联合宽平稳。
mY (t) mX 0 h( )d
RXY (t1,t2 ) 0 h(u)RX (t2 t1 u)du 0 h(u)RX ( u)du RXY ( )
RY (t1,t2 ) 0 0 h(u)h(v)RX (t2 t1 v u)dudv
重点及其要求：
（1）掌握以下五条性质： 1.双侧宽或严平稳随机 信号通过线性系统后的输出仍是宽或严平稳的，且 输入与输出联合宽平稳；2.双侧宽遍历随机信号通 过线性系统后的输出仍是宽遍历的；3.高斯随机信 号通过线性系统后的输出仍然是高斯随机信号；4. 若线性系统的输入随机信号的带宽远大于系统的带 宽，则无论输入信号具有何种概率密度函数，系统 输出的概率密度函数皆近似于高斯分布；5.线性系 统输出的随机信号的相关时间与系统的带宽成反比。
2. 输出的均值 输出的均值。
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一、实验目的：
信号通过线性系统
1、观察对称方波通过线性系统后波形的失真，了解线性 系统频率特性对信号传输的影响； 2、测试线性系统的时域特性—阶跃响应。
二、实验原理：
1、本实验所采用的激励信号为对称方波，此信号具有极 丰富的频率分量，当这样的信号通过线性系统时，若系统的 频率响应特性不满足无失真传输的条件，那么方波中的某些 频率分量必然被抑制，造成输出信号与输入信号的不同(失 真)；系统的频率响应特性不同被抑制的频率亦会不同。
C R
图3-4
串联谐振电路
当方波加至串联ห้องสมุดไป่ตู้振电路时，将引起电路的谐振，振荡
0 1 LC 的频率为： 此时只要满足方波的频率 1 0 ，就可以把响应的前半周 认为是阶跃响应。
三、实验电路(见下页) ： 四、实验前预习内容：
1、计算微分电路的截止频率（R=10KHZ,C=1000PF),并画 出幅拼特性曲线； 2、计算积分电路的截止频率（R=20KHZ,C=1000PF),并画 出幅拼特性曲线； 3、计算LC低通滤波器的截止频率（L=10mH,C=0.1μ F)； 4、计算图3-4所示串联谐振电路的阶跃响应，并画图。
R
τ ＜3T C τ ＞(3~5)T
图3-2
积分电路
同样从频域角度分析，积分电路实质上是一个低通滤波 器，其系统函数为： H(s)=(1/RC)／(S+1/RC) 其截止频率为：ω c＝1/RC 当方波通过低通滤波器时，高次谐波分量将受到衰减， 因而输出信号中只有低频分量，因此输出波形的前沿变倾 斜；而且RC越大(截止频率越小)，前沿倾斜越大，即波形失 真越大；反之波形失真较小，波形较接近方波。 (3)、对称方波通过LC低通滤波器 LC低通滤波器的电路如图3-3所示。
电路图：
C11 100pf 1
K1
1 2
K3 C
C12 1000pf
A C13 0.1μf 3
2
L32 10mH R3 360Ω
R21 5KΩ
4 R22 10KΩ 5 6 L31 10mH 7 L4 2.2mH 8 1 R1 10KΩ 2 C2 1000pf 3 C3 0.1μf
R23 20KΩ
K2
其截止频率为：ω c＝1/RC 当方波通过高通率波器时，基波及低次谐波分量将受到 衰减，从而产生平顶失真；而且RC越小(截止频率越大)失真 越大，即波形越尖；反之波形失真较小，波形较平坦。 (2)、对称方波通过积分电路(低通滤波器) 积分电路如图3-2所示，该电路的时常数为T=RC ，若 输入的方波的脉宽τ 远大于电路的时常数T，则输出的波形 近似方波；若方波的脉宽τ 远小于电路的时常数T，则输出 的精度大大降低，波形接近三角波如图3-2所示。
L1 C L2 R
图3-3
LC低通滤波器
LC低通滤波器的截止频率为： c 2 ( L1 L2)C 当对称矩形脉冲(方波)通过低通滤波器时，频率高于fc的 谐波分量将被截止(或衰减)到达不了输出端，只有f<fc的低 频分量可以到达输出端，所以当不同频率的方波通过此滤波 器时，能通过的频率分量将不同；方波的频率越高，通过的 频率分量越少即失真越大。 ①若方波的基波分量f1<fc，而三次谐波分量f3>fc ；则能 通过的只有f1，即输出端为正弦信号； ②若方波的三次谐波分量f3<fc ，而五次谐波分量 f5>fc ，则能通过的只有f1，f3，即输出端信号为基次和三 次谐波的合成波形； ③若方波的频率f<<fc ，则通过的谐波分量大大增加输出 波形更接近方波但此时在波形的前沿将出现一峰值这就是
4
C42 200pf C41 200pf 5 C43 200pf R41 8.1KΩ 6 R42 5.1KΩ
B
D
五、实验内容及步骤：
将函数发生器的CH1输出波形调为方波，频率调为 10KHz，幅度调为Vpp=5v，并将此方波接实验板的A、B两 点，示波器接实验板上的输出端CD两点。 1、将电路接成微分电路，观察并记录波形： 将实验电路中的K2置于1，K3置于1， K1分别置于1， 2，3，观察并记录波形；计算时间常数T=RC的值，并与方波 的脉宽τ 进行比较说明时间常数T的变化对输出波形的影 响。并从频域的角度(系统的频率特性)分析输出波形产生平 顶失真的原因。 2、将电路接成积分电路，观察并记录波形： 将实验电路中的K2置于2，K3置于1， K1分别置于4， 5，6，观察并记录波形；计算时间常数T=RC的值，并与方 波的脉宽τ 进行比较，说明时间常数T的变化对输出波形的 影响。并从频域的角度(系统的频率特性)分析输出波形产生 平顶失真的原因。
(1)、对称方波通过微分电路(高通滤波器)
微分电路如图3-1所示，该电路的时常数为T=RC ，若 输入的方波的脉宽τ 远大于电路的时常数T，则输出的波形 为尖脉冲；若方波的脉宽τ 远小于电路的时常数T，则输出 的波形近似方波如图3-1所示。
C τ＜ 3 T τ
R
图3-1
微分电路
τ＞3~6T
从频域角度分析，微分电路实质上是一个高通滤波器，其 系统函数为： H(s)=S／(S+1/RC)
吉伯斯现象。 2、阶跃响应的观测 阶跃响应则是指单位阶跃信号作用下系统的零状态响 应。我们用冲激响应和阶跃响应来描述系统的时域特性。由 于普通示波器无法捕捉到t=0时刻的瞬间跳变，所以我们用 方波作为激励信号；只要方波的重复周期T1足够大 (T1>>阶 跃响应建立的时间tr) ，则方波前半周的信号就可以看成是 阶跃信号，若将此方波通过系统其响应的前半周就可以认为 是阶跃响应。本实验的线性系统为一串联谐振系统，如图 3-4所示。 L
3、将电路接成LC低通滤波器，观察并记录波形： 将实验电路中的K1置于7，K2置于3， K3置于2，观察并 记录波形；然后改变信号源的频率f使之分别满足下面三个 条件①f<fc<3f，②3f<fc<5f，③f<<fc (fc=7.1KHz) ；分 别记录三种情况下的输出波形，并从频域角度进行解释。 4、将电路接成串联谐振回路，观察阶跃响应波形并记录 首先将信号源的频率调回10KHz，K1置于8，K3置于1， K2分别置于4，5，6，观察电路在不同损耗电阻值时的阶跃 响应波形，记录所见波形并进行解释。