信号与系统基本概念
信号与系统通信原理知识点
描述信源平均信息量的物理量，等于 信源所有可能消息的信息量的数学期 望。
07 模拟调制技术
幅度调制原理及抗噪性能分析
幅度调制原理
幅度调制是通过改变载波的振幅来传递 信息的一种调制方式。在幅度调制中， 调制信号控制载波的振幅，使得载波的 振幅随着调制信号的变化而变化。
VS
抗噪性能分析
幅度调制系统的抗噪性能主要取决于信噪 比（SNR）。在相同的信噪比条件下，幅 度调制系统的误码率随着信噪比的增加而 降低。为了提高幅度调制系统的抗噪性能， 可以采用增加信号功率、降低噪声功率、 采用合适的解调方式等方法。
对于离散时间信号，可以采用离散时间傅里叶变换（DTFT）进行频域
分析，DTFT是连续时间傅里叶变换的离散化形式。
系统频率响应
系统频率响应的定
义
系统对输入信号的响应可以通过 频率响应来描述，频率响应反映 了系统对不同频率分量的放大或 衰减程度。
系统频率响应的求
解
通过系统的传递函数或差分方程 可以求解系统的频率响应，传递 函数描述了系统输入与输出之间 的关系。
数值计算法
对于难以用解析方法求解的拉普拉斯反变换，可以采用数值计算方法进行近似求解。
系统S域分析
系统函数
在S域中，系统的特性可以用系统函数来描述。系统函数 是系统冲激响应的拉普拉斯变换，它包含了系统的全部信 息。
频率响应分析
通过系统函数在虚轴上的取值可以得到系统的频率响应。 频率响应描述了系统对不同频率信号的放大或衰减特性。
通信分类
根据传输媒介的不同，可分为有线通信和无线通信；根据信号性质的不同，可分为模拟通信和数字通 信。
模拟通信与数字通信比较
信号性质
模拟通信传输连续的信号，数 字通信传输离散的信号。
信号与系统知识点归纳
周期信号的频谱是离散的，由一系列频率分量组成，每个 分量对应一个傅里叶系数。
幅度谱和相位谱
幅度谱表示各频率分量的幅度大小，相位谱表示各频率分 量的相位信息。
非周期信号频谱分析
傅里叶变换
将非周期信号表示为一系列复指数函数的积分，即 $F(omega) = int_{-infty}^{infty} f(t) e^{jomega t} dt$，其中 $F(omega)$ 是信号的频谱。
单位样值信号
在某一时刻取值为1，其余时 刻为0的信号。
正弦型信号
形如sin(ωn)或cos(ωn)的周期 性信号，其中ω为角频率。
复杂指数型信号
形如ean的形式，其中a和ω为 常数，n为离散时刻。
离散时间信号频谱分析
离散时间信号的频谱
通过傅里叶变换将离散时间信号从时域转换 到频域，得到信号的频谱。
信号分类
根据信号的性质和特征，信号可以分 为多种类型，如连续时间信号和离散 时间信号、周期信号和非周期信号、 能量信号和功率信号等。
系统定义及性质
系统定义
系统是一个由输入信号激励、内部含有某种变换关系、并能产生输出信号的物理装置或算法。在信号处理中，系 统通常表示为对输入信号进行某种变换或处理的过程。
周期信号的频谱
周期信号可以表示为无穷级数，其频谱由傅 里叶系数确定。
非周期信号的频谱
非周期信号的频谱是连续的，可以通过傅里 叶变换求得。
信号的能量和功率谱
能量信号和功率信号的频谱特性不同，分别 对应能量谱和功率谱。
离散时间系统响应
线性时不变系统的响应
线性时不变系统对输入信号的响应具有叠加性和时不变性。
卷积和运算
线性时不变系统的响应可以通过输入信号与系统单位样值响应的卷积 和求得。
信号与系统
第一章信号与系统的基本概念一、信号的定义①广义地说，信号就是随时间和空间变化的某种物理量或物理现象.②在通信工程中，一般将语言、文字、图像、数据等统称为消息，在消息中包含着一定的信息③信号是消息的载体，是消息的表现形式，是通信的客观对象，而消息则是信号的内容④应当注意，信号与函数在概念的内涵与外延上是有区别的。
信号一般是时间变量t的函数，但函数并不一定都是信号，信号是实际的物理量或物理现象，而函数则可能只是一种抽象的数学定义。
二、信号的分类(1) 确定信号与随机信号。
按信号随时间变化的规律来分，信号可分为确定信号与随机信号。
实际传输的信号几乎都是随机信号。
因为若传输的是确定信号，则对接收者来说，就不可能由它得知任何新的信息，从而失去了传送消息的本意。
但是，在一定条件下，随机信号也会表现出某种确定性，例如在一个较长的时间内随时间变化的规律比较确定，即可近似地看成是确定信号。
随机信号是统计无线电理论研究的对象。
本书中只研究确定信号。
(2)连续时间信号与离散时间信号。
按自变量t取值的连续与否来分，信号有连续时间信号与离散时间信号之分，分别简称为连续信号与离散信号。
(3)周期信号与非周期信号。
设信号f(t)，t∈R，若存在一个常数T，使得f(t-nT)=f(t) n∈Z (1-1)则称f(t)是以T为周期的周期信号。
从此定义看出，周期信号有三个特点：1) 周期信号必须在时间上是无始无终的，即自变量时间t的定义域为t∈R。
2) 随时间变化的规律必须具有周期性，其周期为T。
3) 在各周期内信号的波形完全一样。
(4) 正弦信号与非正弦信号。
(5) 功率信号与能量信号。
三、信号的相关名词1. 有时限信号与无时限信号若在有限时间区间(t1＜t＜t2)内信号f(t)存在，而在此时间区间以外，信号f(t)=0，则此信号即为有时限信号，简称时限信号，否则即为无时限信号。
2. 有始信号与有终信号设t1为实常数。
若t＜t1时f(t)=0， t＞t1时f(t)≠0，则f(t)即为有始信号，其起始时刻为t1。
信号与系统基本概念
(1)
o t0
t
(t)(t
t0 )dt 0, (t
1 t0 )
31
冲激函数的性质
为了信号分析的需要，人们构造了 t 函数，它属于广 义函数。就时间 t 而言， t 可以当作时域连续信号处
理，因为它符合时域连续信号运算的某些规则。但由于
t 是一个广义函数，它有一些特殊的性质。
1．抽样性 2．奇偶性
41
系统方框图（基本元件）
1.加法器 e1t
r t
e1t r t
2.乘法器
e2 t e1 t
e2 t
e2t rt e1t e2 t
r t
rt e1t e2 t
3.微分器
et
d
r t
d
rt de(t)
dt
4.积分器
et
rt
t
r(t) e( )d
42
§1.6 线性时不变系统
线性系统与非线性系统
线性系统：指具有线性特性的系统。
线性:指均匀性，叠加性。
均匀性(齐次性)：
et rt ket krt
叠加性：
e1(t ) e2 (t )
r1 r2
(t) (t )
e1(t )
e2
(t)
r1(t )
r2
(t
)
43
判断方法
先线性运算，再经系统＝先经系统，再线性运算
若 HC1 f1t C2 f2t C1H f1t C2H f2t
(t)具有筛选f (t)在t 0处函数值的性质 (t t0 )具有筛选f (t)在t t0处函数值的性质 33
奇偶性
(t) (t)
•由定义2，矩形脉冲本身是偶函数，故极限
信号与系统_基本概念
f(t)=Keat
式中，a是实数。
f(t)
Keat(a>0)
Keat(a=0) Keat(a<0) 0 t
1-4 指数信号
特点：对时间的求导、积仍为指数信号
第 1 章 信号与系统的基本概念
2）正弦信号
f(t)=Ksin(t+)
式中K为振幅,是角频率。 为初相位。 其波形如P7图1-6所示。
(-∞<t<∞)
(1)f(t)=f(-t) (2)f(0)=1 (3)
0t k :
f (t ) 0
(5) f (t ) t 0
(4) f (t )dt
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第 1 章 信号与系统的基本概念
1.2 信号的运算与变换
• • • • • 信号的代数运算 信号的微分与积分 信号的反褶 信号的时移 信号的尺度变换
f (t ) Fm cos(t ) t
第 1 章 信号与系统的基本概念
b）离散信号： 离散的含义是指定义域离散（即仅在某些不连 续的时间上有定义） 函数值可连续也可不连续， 时间和函数值均离散的信号称数字信号
f (nT ) f (n )
1
0
f (n )
1
…
T 2T 3T 4T
特点：对时间的求导、积分 仍为正弦信号
第 1 章 信号与系统的基本概念 3）复指数信号
f (t ) Kest
其中 s j
Ke Ke
st
( j )t
Ke cos( t ) jKe sin( t )
t
t
在信号分析中是非常重要的信号，概括了许多常用的基本信号。
三）典型信号（常用信号）
信号与系统的基本概念
信号与系统
满足 E= f (k ) 2＜ 的离散信号，称为能量信号。
k
满足 P= lim 1 N /2 f (k) 2＜ 的离散信号，称为功率信号。 N N k N /2
信号与系统
（三）基本的连续信号
信号与系统
信号与系统
信号与系统
信号与系统
两个基本信号及其性质
单位阶跃信号ε(t)、单位冲激信号δ(t)是连续信号中两 个最基本的信号；单位阶跃序列ε(k)、单位样值序列δ(k)
（1）f(t 1)(t) （2）df (t)
dt
解：（1）将f(t)右移1，得f(t-1)，如 图（a）所示。
f(t-1)乘ε(t)是将f(t-1)的t＜0的部分截去，得到f(t-1)ε(t)，如图
（b）所示。
（a）
信号与系统
（b）
（2）对f(t)求一阶导数时，注意在跃变时间点将出现冲 积函数。df(t)/dt的波形如图所示。
E
=
f (t) 2 dt
，
它所消耗的功率 P lim 1 T/2 f (t) 2 dt ，分别定义为该信号的
能量、功率。
T T T /2
如果信号f(t)的能量E满足0<E<∞（此时信号功率P=0），则称 f(t)为能量有限信号，简称能量信号。任何时限有界信号都属于
能量信号。 如果信号f(t)的功率P满足0<P<∞（此时信号能量E=∞），则称 f(t)为功率有限信号，简称功率信号。任何有界的周期信号均属 于功率信号。 相应地，对于离散时间信号，也有能量信号、功率信号之分。
信号与系统
信号与系统
（六） 信号的时域分解
信号与系统
（七）任意信号表示为完备的正交函数集
信号与系统基本概念
傅立叶级数展开
直流 分量
基波分量 n =1
2π ω1 = T1
谐波分量 n>1
nω1
给定信号之后，信号的系数也就是信号的分量就 给定信号之后， 确定了：信号的分量是确定的， 确定了：信号的分量是确定的，不是任意的
直流 系数
余弦分量 系数
1 t +T a0 = ∫t f (t).dt T1
0 1 0
y(n) 数字信号 处理器 DSP D/A 变换器 DAC 模拟 模拟 滤波器 ya(t) PoF
滤波器 xa(t) PrF
A/D 变换器 ADC
判断与思考
给定一个信号，将其分解为单个频率成 分的叠加时，可以有多种分解方法。如 果使其中一种频率成分所占比重增加， 可以通过减少其他频率成分，使最后的 叠加仍然得到原信号。 实信号的复指数傅立叶级数表达中，为 什么复数的叠加，最后仍然得到实信号？
∞ 1 0 n=1 n 1 n 1
由欧拉公式 其中
f (t) =
n=−∞
F(nω )e jnω1t ∑ 1
∞
F ( 0) = a0
1 F(nω1) = (an − jbn ) 2
1 F(−nω1) = (an + jbn ) 2
引入了负频率
三角表达到指数表达的推导
f1 (t ) = a0 + ∑ (an cos nω1t + bn sin nω1t )
2 t +T an = ∫t f (t).cosnω1t.dt T1
0 1 0
0 +T 1
2 t 正弦分量 bn = ∫t T 系数 1
0
f (t).sin nω1t.dt
矩形波的傅立叶级数展开与合成： 基频、3倍频、5倍频
信号与系统的基本知识
04 信号与系统的分析方法
时域分析法
时间波形分析
01
直接观察信号的时域波形，了解信号的基本特征和变化规律。
相关分析
02
研究信号自身或信号之间的相似性，用于信号检测、识别和提
取有用信息。
卷积积分
03
描述线性时不变系统对输入信号的响应，用于求解系统的零状
态响应。
频域分析法
频谱分析
将信号分解为不同频率的正弦波， 研究信号的频率成分和幅度、相 位随频率的变化规律。
02
周期信号的判定
03
周期信号的频率
一个信号是否是周期的，可以通 过观察其波形是否在一定时间后 重复出现来判断。
周期信号的频率是指单位时间内 信号重复的次数，与周期成倒数 关系。
信号的奇偶性
奇信号的定义
奇信号是指对于任意时刻t，都有f(-t) = -f(t) 的信号。
偶信号的定义
偶信号是指对于任意时刻t，都有f(-t) = f(t)的信号。
生物系统建模与仿真
信号与系统的方法可用于建立生物系统的数学模型，并通过计算机 仿真研究和理解生物系统的复杂行为。
其他领域中的信号与系统
01
语音与音频处理
在语音和音频处理领域，信号与系统理论用于声音的采集、编码、合成
和分析等方面。
02
图像处理与计算机视觉
图像处理和计算机视觉中涉及大量的信号与系统方法，如图像滤波、边
05 信号与系统的应用举例
通信系统中的信号与系统
信号传输与处理
在通信系统中，信号与系统理论用于分析和设计信号的传输、调制、 编码和解码等过程，以确保信息的可靠传输和高效处理。
信道建模与均衡
通信系统中的信道往往存在多径效应、衰落和干扰等问题，信号与 系统理论可用于建立信道模型，设计均衡算法以补偿信道失真。
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信号与系统基本概念
一.常用信号
ε(t) δ(t) cos(ωt+Ф) e st
ε(k) δ(k) cos(ωk+Ф) a k e sk
二.信号常用运算
x(t)=x1(t)+x2(t) x(k)=x1(k)+x2(k)
x(t)=x1(t)-x2(t) x(k)=x1(k)-x2(k)
x(t)=x1(-t) x(k)=x1(-k)
x(t)=x1(t-t0) x(k)=x1(k-k0)
x(t)=x1(at) x(k)=x1(ak)
x(t)=x1(at-t0) x(k)=x1(ak-k0)
x(t)=dx1(t)/dt x(k)=x1(k)-x1(k-1)
ex1:
y(t)=(t+2)*(ε(t+2)-ε(t)) +2ε(t)-2ε(t-2)
y(1-2t)=?
三.周期信号与非周期信号
f(t+T)=f(t) f(n+N)=f(n)
ex2:
f(k)=cos(2k)
g(k)=cos(π/3k)+cos(π/4k)
周期信号?
f(k): N=2π/2=π
g(k): N=m1*N1=m2*N2
N1=2π/(π/3)=6
N2=8;
N=m1*6=8*m2
N=m1*3=4*m2
m1=4 m2=3
N=4*6=24;
四.奇偶函数
x(-t)=x(t)
x(-t)=-x(t)
五.系统分类
LTI----线性时不变系统
1.线性与非线性系统
线性:
零状态下:
a1*x1(t)+a2*x2(t) a1*y1(t)+a2*y2(t)
a1*x1(k)+a2*x2(k) a1*y1(k)+a2*y2(k)
2.时不变与时变系统
时不变
x(t-t0) y(t-t0)
x(k-k0) y(k-k0)
ex3:
y(t)=x(t)*cos (ωC t)
线性? 时不变?
If x(t)= a1*x1(t)+a2*x2(t)
Then
y(t)=(a1*x1(t)+a2*x2(t)) *cos (ωC t)
= a1*x1(t) *cos (ωC t)+ a2*x2(t)* cos (ωC t)
=a1*y1(t)+a2*y2(t)
线性
if x(t)=x1(t-t0)
y(t)=x(t)*cos (ωC t)
= x1(t-t0) *cos (ωC t)
y1(t-t0)=x1(t-t0)*cos (ωC t-ωC t0)
y(t)!= y1(t-t0)
时变
3.因果与非因果系统
1)
y(t)=f(x(t))
y(t) 仅与现在和过去的x值有关(x(t-τ) τ>=0)
y(k)=f(x(k))
y(k) 仅与现在和过去的x值有关(x(k-n) n>=0)
2)
LTI
h(t)=0 t<0
h(k)=0 k<0
3)
LTI
H(s) ROC: Right-half plane
H(z) ROC: Exterior of a Circle (+∞)
H(s) rational
ROC: Right-half plane to the rightmost pole H(z) rational
ROC: Exterior of a Circle
outside the rightmost pole
the order of numerator
<= the order of denominator
ex4:
y(n) =x(n)+1/3x(n-1)
h(n)=(1/2) kε(k)
H(z)=(1+1/3z-1)/(1-1/2z -1)
ROC |z|>1/2
3.稳定与非稳定系统
1)
BIBO
x(t) 有界y(t) 有界
x(k) 有界y(k) 有界
2）
LTI
∫-∞+∞|h(τ)|/dτ<+∞
∑k=-∞+∞|h(k)|<+∞
3)
LTI
H(s) ROC Include jw axis
H(Z) ROC Include |z|=1
Rational & Causal
H(s) Poles lie in left-half of s-plane
=real part of poles <0
H(Z) Poles lie inside unit circle
= |pi|<1
ex5:
y(n) =x(n)+1/3x(n-1)
h(n)=(1/2) kε(k)
H(z)=(1+1/3z-1)/(1-1/2z -1)
ROC |z|>1/2。