时域离散系统的频域分析
第3章离散时间信号与系统的频域分析

结论: 结论:序列共轭对称分量 的傅里叶变换是序列傅里 叶变换的实数部分; 叶变换的实数部分; 序列共轭反对称分量的傅 里叶变换是序列傅里叶变 换的虚数部分。 换的虚数部分。
第3章 离散时间信号与系统的频域分析
5.时域卷积定理 时域卷积定理 如果 FT [ x( n)] = X (e jω ), FT [h( n)] = H (e jω ) 且有
第3章 离散时间信号与系统的频域分析
(1)有限长序列: 有限长序列:
序列x(n)只在有限区间 1≤n≤n2之内才具有非零的有限值,在此 只在有限区间n 之内才具有非零的有限值, 序列 只在有限区间 区间外,序列值皆为零。 区间外,序列值皆为零。 其Z变换为 变换为
X (z) =
n = n1
x ( n) z − n ∑
第3章 离散时间信号与系统的频域分析
常用的Z变换是一个有理函数,用两个多项式之比表示: 常用的 变换是一个有理函数,用两个多项式之比表示: 变换是一个有理函数
P(z) X (z) = Q( z )
分子多项式P 的根是X 的零点,分母多项式Q 分子多项式P(z)的根是X(z)的零点,分母多项式Q(z) 的根是X 的极点。在极点处Z变换不存在, 的根是X(z)的极点。在极点处Z变换不存在,因此收 敛域中没有极点, 收敛域总是用极点限定其边界。 敛域中没有极点, 收敛域总是用极点限定其边界。
X (z) =
n = −∞
RN ( n ) z − n = ∑ z − n ∑
n=0
∞
N −1
= 1 + z −1 + z − 2 + L + z − ( N −1 )
这是一个有限项几何级数之和。 这是一个有限项几何级数之和。因此
时域离散信号和系统的频域分析

序列的傅里叶变换的定义和性质
周期序列的离散傅里叶级数及傅里叶变换表示式 时域离散信号的傅里叶变换与模拟信号的傅里叶变换之间 的关系 序列的Z变换 利用Z变换分析信号和系统的频域特性
2.1 引言
信号和系统的两种分析方法: 时域分析方法和频率分析方法 (1)模拟信号和系统 信号用连续变量时间t的函数表示; 系统则用微分方程描述;
2.2 序列的傅里叶变换的定义和性质 2.2.2 序列傅里叶变换的性质
1. FT的周期性 在FT定义式中, n取整数, 因此下式成立
X (e j )
结论:
n
x( n)e j ( 2 M ) n , M为整数
(1) 序列的傅里叶变换是频率ω的连续周期函数,周期是2π。 (2) X(ejω)可展成傅里叶级数, x(n)是其系数。 X(ejω)表示了信 号在频域中的分布规律。 (3) 在ω=0,〒2π,〒4π…表示信号的直流分量,在ω=(2M+1)π
j j
2.2 序列的傅里叶变换的定义和性质
(5) 研究FT的对称性 (a) 将序列x(n)表示成实部xr(n)与虚部xi(n)的形式
x(n)=xr(n)+jxi(n)
将上式进行FT, 得到: X(e jω)=Xe(e jω)+Xo(e jω)
j j j jjj n j n n j n n n
1 1 [ X (e jj ) X (e jj )] X e (e ) [ X (e ) X (e )] X e (e ) 2 2 1 j j ) 1 [ X ( e j ) X ( e j )] X o (e ) [ X (e j ) X (e j )] X o (e 2 2
第二章(1)时域离散信号和系统的频域分析

2.1 引言
一. FT是重要的变换
1.分析有限长序列的有用工具。 2.在信号处理的理论上有重要意义。 3.在运算方法上起核心作用,谱分析、 卷积、相关都可以通DFT在计算机上 实现。
二、本章主要讨论内容
♦ 付里叶变换的推导 ♦ 付里叶变换的有关性质 ♦ 离散序列付里叶变换逼近连续时间信号的问题 ♦ 序列的Z变换 ♦ Z变换与系统的关系
实部为偶 对称序列 虚部为奇 对称序列
0
n
0
n
(2)定义:若xo(n)满足 xo(n)= -xo*(-n); (2.2.13), 则称xo(n)为共轭反对称序列。 将其分成实部和虚部: 用-n取代 n并取共轭:
xo (n) = xor (n) + jxoi (n)
xo*(-n)= xor(-n)-jxoi(-n)
∞
(2.2.8) (2.2.9)
证: FT [ x(n ± n0 )] =
k = n ± n0 → =
n =−∞
∑
x(n ± n0 )e − jω n
k =−∞
∑
∞
x(k )e − jω ( k ∓ n0 ) = e ± jω n0
k =−∞
∑
∞
∞
x(k )e − jω k = e ± jω n0 X (e jω ) x ( n ) e − j (ω ∓ ω 0 ) n = X ( e j (ω ∓ ω 0 ) )
∞
n =−∞
∑
∞
x(n)e− jω n
= ∑ RN (n)e n
n =−∞
− jω n
N-1 ∞ = ∑ e − jω n
n =0
设N=4其幅度和相 位随ω变化如下图所 示
数字信号处理第三版第2章.ppt

| z | 2
试利用部分分式展开法求其Z反变换。
解:
X (z)
A1 1 2z 1
1
A2 0.5
z
1
4 1 1 1 3 1 2z1 3 1 0.5z1
x(n)
4 3
2n
1 3
(0.5)n
u(n)
第2章 时域离散信号和系统的频域分析
例: 设
X (z)
7)终值定理:设x(n)为因果序列,且X(z)=Z[x(n)]的全部
极点,除有一个一阶极点可以在z=1 处外,其余都在单位
圆内,则 : lim x(n) lim[(z 1)X (z)]
n
z1
第2章 时域离散信号和系统的频域分析
8)序列卷积(卷积定理)
若: y(n) x(n) h(n) x(m)h(n m) m
3z (z 3)2
z2
3z , 6z 9
试利用长除法求其Z反变换。
解:
| z | 3
第2章 时域离散信号和系统的频域分析
2.5.4 Z 变换的性质和定理
1)线性性质
Z[ax(n)+by(n)]=aX(z)+bY(z)
2)序列的移位 Z[x(n m)] zm X (z) Rx | z | Rx
2 j c
c (Rx , Rx )
直接利用围线积分的方法计算逆Z变换比较麻烦。 下面介绍几种常用的逆Z变换计算方法: 1)用留数定理求逆Z变换(了解) 2)部分分式展开法(掌握) 3)幂级数展开法(长除法)
第2章 时域离散信号和系统的频域分析
例: 设
1
数字信号处理课件第3章 时域离散信号和系统的频域分析2-DTFT的定义

例3、已知 f (n) anu(n) a 1 ,计算其DTFT。 解:
由此可以得到DTFT的幅频特性和相频特性
F (e j )
1
(1 a cos)2 (a sin )2
【随堂练习】
1.设X (e j )是 x(n)的DTFT,试求下面序列的DTFT。
(1) x(n - n0)
(2) x(n) (3) x(n)
X_abs=abs(X)
X_angle=angle(X)
subplot(211)
plot(w/pi,X_abs,'k','lineWidth',2) title('离散时间傅里叶变换幅度')
subplot(212)
plot(w/pi,X_angle,'k','lineWidth',2) title('离散时间傅里叶变换相位')
0, n q
解:
q
X(e j ) x(n)e jn a ne jn
q
(ae j )n
n
n0
n0
1
(ae j ) 1 ae j
q1
等比数列求和公式:
an a1 qn1
Sn
a1
(1 qn ) , 1 q
n 1,2,3,
q 1
X(e j ) x(n)e jn
n
1
(ae j )q 1 ae j
可引入冲激函数,一些绝对不可和的 序列的傅里叶变换可用冲激函数的形式表 示出来。在后面的章节予以介绍。
例1、计算矩形序列 x(n) R N (n) 的DTFT。
解:
X(e j ) RN (n)e jnnFra bibliotekN 1
用DFT对时域离散信号进行频谱分析

用DFT对时域离散信号进行频谱分析DFT(离散傅里叶变换)和FFT(快速傅里叶变换)是用于对时域离散信号进行频谱分析的常用方法之一、在本文中,我将介绍DFT和FFT的原理和应用,并探讨它们的优势和劣势。
频谱分析是一种研究信号频率成分的方法。
它可以用于分析信号的频域特征,例如信号频谱的幅度和相位信息。
频谱分析广泛应用于通信、声学、图像处理、金融等领域。
DFT是傅里叶变换在时域离散信号上的一种离散形式。
傅里叶变换将信号从时域转换到频域,使我们能够分析信号包含的不同频率的成分。
DFT计算离散信号的系数,这些系数表示了信号在不同频率上的幅度和相位信息。
DFT的计算复杂度为O(N^2),其中N是信号的长度。
这意味着DFT对于长时间序列的计算是非常昂贵的。
为了解决DFT计算复杂度高的问题,人们引入了FFT算法。
FFT是一种基于DFT的快速算法,可以大大提高计算效率。
FFT的计算复杂度为O(NlogN)。
当信号的长度是2的幂次时,FFT的计算速度尤为快速。
FFT算法利用了傅里叶变换中的对称和周期性特性,通过分治法将DFT计算分解成多个小规模的DFT计算,从而加快了计算速度。
FFT算法有多种变体,包括Cooley-Tukey算法、Gentleman-Sande算法等。
使用DFT和FFT进行频谱分析有很多应用。
其中一种常见的应用是信号滤波。
通过分析信号的频谱,我们可以确定信号中所包含的不同频率的成分,从而选择性地滤除或增强一些频率的信号成分。
另一种应用是频谱分析可用于频率识别。
通过观察信号频谱的峰值和分布情况,我们可以确定信号的主要频率成分,从而进行信号的识别和辨别。
尽管DFT和FFT在频谱分析中非常有用,但它们也存在一些局限性。
首先,这些方法假设信号是离散、周期且稳定的。
对于非周期信号和突发信号,DFT和FFT的结果可能会产生混淆或误导。
其次,DFT和FFT的分辨率取决于采样率和信号长度,这可能会导致频域分辨率较低。
第2章 时域离散信号和系统的频域分析

3、 非周期离散信号的傅里叶变换:频率函数是周期的连续函数 4、 离散周期序列的傅里叶变换:具有既是周期又是离散的频谱,即
时域和频域都是离散的、周期的 规律:一个域的离散就必然造成另一个域的周期延拓。 1、如果信号频域是离散的,则该信号在时域就表现为周期性的时间函 数。 2、在时域上是离散的,则该信号在频域必然表现为周期性的频率函 数。 3、如果时域信号离散且是周期的,由于它时域离散,其频谱必是周期 的,又由于时域是周期的,相应的频谱必是离散的, 4、离散周期序列一定具有既是周期又是离散的频谱,即时域和频域都 是离散周期的。
对于,将以为周期进行周期延拓,得到所示的周期序列, 周期为16, 求的DFS。 可以看出,在时,处频谱的幅度和处是一样的。也就是说,点数越多, 频谱越精确。
..2 离散周期序列的傅里叶变换 各种形式的傅里叶变换 1、 非周期实连续时间信号的傅里叶变换: 频谱是一个非周期的连续
函数 2、 周期性连续时间信号的傅里叶变换: 频谱是非周期性的离散频率
例:设, f0=50 Hz,以采样频率对进行采样, 得到采样信号和时域离 散信号, 求)、和的傅里叶变换的FT。
2.5 序列的Z变换 双边Z变换的定义:序列x(n)的Z变换定义为: 式中:z是一个复变量,它所在的复平面称为z平面。 注意在定义中,对 n求和是在±∞之间求和,可以称为双边Z变换。
为单边Z变换: 适用于因果序列,如果不特别强调,均用双边Z变换对信号进行分析和 变换。 Z变换成立条件: Z变量取值的域称为收敛域。 一般收敛域用环状域表示
在模拟系统中, 的傅里叶变换为 对于时域离散系统中, ,它的傅立叶变换 对于
(
例:求对进行的周期延拓后的周期序列的傅立叶变换FT 注意:对于同一个周期信号, 其DFS和FT分别取模的形状是一样的, 不同的是FT用单位冲激函数表示(用带箭头的竖线表示)。 因此周期序列 的频谱分布用其DFS或者FT表示都可以,但画图时应注意单位冲激函数 的画法。 例:设 ,为有理数,求其FT 物理含义:的FT是在处的单位冲激函数,强度为π,且以2π为周期进行 延拓。
离散时间系统频域分析

离散时间系统频域分析离散时间系统的频域分析是研究离散时间信号在频域上的性质和行为的方法。
在离散时间系统频域分析中,使用离散时间傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT),来将离散时间信号从时域转换到频域。
通过分析信号在频域上的频谱分布和频谱特性,可以得到离散时间系统的频率响应和频域特性,对信号的频域分布和频率区间进行评估和分析。
离散时间傅里叶变换是时域信号分析的重要工具,它可以将离散时间信号从时域转换到频域。
离散时间傅里叶变换的定义可以表示为:X(k) = Σ[x(n) * exp(-j*2πkn/N)]其中,X(k)是离散时间信号在频域的频谱,x(n)是离散时间信号,N是信号的长度,k是频谱的索引。
离散时间傅里叶变换将时域信号分解成多个频率成分,通过频谱的幅度和相位信息,可以得到信号在频域上的分布情况。
通过离散时间傅里叶变换可以得到离散时间信号的频谱,进而分析信号在频域上的频率响应和频域特性。
频谱可以反映信号在不同频率上的能量分布情况,通过观察频谱的幅度和相位,可以得到信号的频率成分、频带宽度和频率特性等信息。
在离散时间系统频域分析中,常用的分析工具有频谱图、功率谱密度、频率响应等。
频谱图可以将信号的频谱以图形形式展示出来,通过观察频谱图的形状和分布,可以得到信号在频域上的特点。
功率谱密度是指信号在不同频率上的功率分布情况,可以评估信号在不同频率上的能量分布情况。
频率响应是指系统对不同频率信号的响应情况,可以评估系统对不同频率信号的滤波和增益特性。
离散时间系统频域分析的应用包括信号处理、通信系统、控制系统等领域。
在信号处理中,通过频域分析可以对信号进行滤波、去噪、频域变换等操作,提高信号的质量和分析能力。
在通信系统中,通过频域分析可以评估信号传输和接收的性能,并对系统进行优化和改进。
在控制系统中,通过频域分析可以评估系统的稳定性和控制特性,提高系统的响应速度和稳定性。
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零点位置主要影响频响的谷点位置及形状
X
14
第 页
极点为共轭的
M
N
() (N M ) r r
r 1
r 1
M、r 零点个数及与实轴的夹角
N、r 极点个数及与实轴的夹角
X
15
第 页
(2)用MATLAB计算零、极点及频率响应曲线 函数zplane和freqz的功能和调用格式: Zplane: 绘制H(z)的零、极点图。 zplane(z, p):绘制出列向量z中的零点(以符 号“○”表示)和列向量p中的极点(以符号 “×”表示),同时画出参考单位圆。
第
1
页
一、传输函数与系统函数
(n)
系统
单位样值响应 h(n)
一般称H(ejω)为系统的频率响
Fourier变换
应函数(系统的传输函数),它
表征系统的频率响应特性。
H e j h n e jn
|H(ejω)| 称为幅频特性函数
n0
φ(ω)称为相频特性函数 H (e j ) e j ()
X
第
2
(n)
系统
h(n)
页
一般称H(z)为系统的系统函数, 它表征了系统的复频域特性。
Z变换
M
如果H(z)的收敛域包含单位 圆|z|=1,则H(ejω)与H(z)之间 的关系如下:
H (z)
Y (z)
bk z k
k 0
X (z)
N
ak z k
H(ej ) H(z) |zej
m
y(n) H (e j )e jn | H (e j ) | e j[n ()]
上式说明:单频复指数信号ejωn通过频率响应函数 为H(ejω)的系统后,输出仍为单频复指数序列,其 幅度放大|H(ejω)|倍,相移为φ(ω)。
X
y(n) H (e j )e jn | H (e j ) | e j[n ()]
X
5
第 页
输入信号x(n)=cos(ωn)
输出:y(n) | H (ej ) | cos[n ()]
由此可见:线性时不变系统对单频正弦信号cos(ωn)的响应为 同频正弦信号,其幅度放大|H(ejω)|倍,相移增加φ(ω)。
H(ejω)为系统的频率响应函数,它表征系统的频率响 应特性
X
X
16
第 页
zplane(B, A)绘制出系统函数H(z)的零极点图。
其中B和A为系统函数H(z) = B(z)/A(z)的分子和
分母多项式系数向量。假设系统函数H(z)用下
式表示:
H(z)
k 0
H(ejω)表示系统对特征序列ejωn的响应特性。
X
3
第 页
具体阐述:
若系统输入信号X(n)=ejωn, 则系统输出信号为
y(n) h(n) * x(n) h(m)x(n m) h(m)ej(nm)
m
m
ejn h(n)e jm H (e j )e jn
M
cr B
| H (ej ) || A |
r 1 N
dr B
r 1
H e j
所有零点矢量长度之积 A 所有极点矢量长度之积
X
第
13
H e j
所有零点矢量长度之积 A 所有极点矢量长度之积
页
Imz
× dr B
cr
●
0
Rez
1
结论:
×
极点位置主要影响频响的峰值位置及尖锐程度
若:收敛域 a z a 1,
系统是非因果但稳定的系统。 X
第
10
页
三、系统零极点对系统性能的影响
M
1 cr z 1
H (z)
A
r 1 N
1 dr z 1
zNM r1
M
z cr
H (z) AzN M
r 1 N
z dr
r<|z|≤∞ 0<r<1
X
系统稳定性的判断:
第
9
∞点H(z)存在,则系统可实现。
页
极点不在单位圆上,则系统稳定。
例:
H(z)
1 a2
1 az 1 az1
,a 1
极 点z1
a, z2
1 a
若:收敛域a1 z ,系统可实现,
但收敛域不包含单位圆,系统不稳定。
r 1
X
令ze j
M
e j cr
H (e j ) Ae jN M
r 1 N
e j d r
11
第 页
r 1
M
cr B
H e j
A
r 1 N
dr B
Imz
× dr B
r 1
cr
●
0
Rez
1
×
X
第
12
页
(1)零极点位置对幅度特性的影响
∞ Imz
收敛域r z
r
Rez
-∞
0
∞
-∞
X
8
第 页
因果(可实现)系统其单位脉冲响应h(n)一定是因果序列 , 那么其系统函数H(z)的收敛域一定包含∞点,即∞点不是极 点,极点分布在某个圆内,收敛域在某个圆外。 系统稳定的条件是H(z)的收敛域包含单位圆。 如果系统因果且稳定,收敛域包含∞点和单位圆。 因果可实现且稳定:要求全部极点都在单位圆内。 那么收敛域可表示为:
4
第
页
当系统输入信号x(n)=cos(ωn)时,求系统的输出信号y(n)。
x(n) cos(n) 1 [ejn e jn ]
2
y(n) 1 [H (ej )ejn H (ej()e jn ] 2
设h(n)为实序列,则H*(ejω)=H(e-jω), |H(ejω)|=|H(e-jω)|,
6
第 页
如果系统输入为一般的序列x(n),则H(ejω)对x(n) 的不同的频率成分进行加权处理。
Y(ejω)=X(ejω)·H(ejω) |H(ejω)|=1
|H(ejω)| Байду номын сангаасH(ejω)|=0
实现了对输入信号的滤波处理
X
第
7
二 用系统函数的极点分布分析系统
页
的因果性和稳定性
因果系统满足h(n) 0, n 0。收敛域包含点。
φ(ω)=-φ(-ω)
y(n) 1 [| H (e j ) | e j()e jn | H (e j ) | e j()e jn ] 2
1 | H (e j ) | {e j[n ()] e } j[n ()] 2
| H (ej ) | cos[n ()]