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信号系统五(讲)
第五章 连续时间系统的复频域分析
§5-1 引言——从FT到LT
FT的优点和不足
优点:
避免微分方程求解和卷积计算,简化了系统响应求解过程;
物理意义明确。如:谐波,频响,带宽,等。
不足:
只能处理满足收敛条件的信号,对某些不满足条件的信号必须引入奇异函数解决,不方便;
必须计算广义积分:,有时计算比较困难;
只能求系统的零状态响应。
拉普拉斯变换(LT)的优点:
可以自动引入初始条件,求系统的全响应;
变方程的微积分运算为乘除运算,变卷积运算为乘法运算,计算过程简化;
对信号的适应性比FT强,不用引入奇异函数;
§5-2 拉普拉斯变换
拉普拉斯变换的推导途径:
从数学角度:通过积分变换进行函数到函数的变换,将微分方程变为代数方程。
从物理意义推导:本质上依然是将信号分解为多个正交的子信号的和(积分),或可以从FT推广出。
从FT到LT
FT存在的条件是其积分结果收敛。
如果不收敛,可以考虑用收敛因子——将原信号乘以——强行使其收敛,再进行FT。
例1:原信号:,
新信号:
只要足够大,使,总能收敛。
例2:原信号:,
新信号:
当时,负半边收敛,正半边发散。只要,一定收敛。
通过乘以收敛因子,可以使原来不收敛的信号收敛,从而可以用FT加以处理。
假设原信号为,通过乘以收敛因子后,新的收敛的信号为,其FT为:
或记作:
这就导出了拉普拉斯变换。
将其与傅里叶变换式相比较:
可见,从公式的形式上看,将FT中的纯虚数推广为复数,就可以导出LT;反之,令LT中的复变量的实部为零,就可以得到FT。可以这样认为:FT是LT的一个特例,LT是FT的推广。
拉普拉斯反变换
可以由的IFT求出:
或记作:
至此可得到拉普拉斯变换对:
F(s)称为f(t)的拉普拉斯变换,f(t)称为F(s)的原函数。
从两种变换的历史上讲,拉普拉斯变换并不是由傅里叶变换导出的。Pierre Simon Laplace,(1749-1827),法国数学家、天文学家、物理学家。1812年在其《概率论的解析理论》中提出了拉普拉斯变换。
Jean Baptiste Joseph Fourier,(1768-1830),法国数学家、物理学家。1807年提出傅里叶变换,但是直到1822年在其著名的《热的解析》一书中才得以确认。
单边和双边拉普拉斯变换
上面讨论的信号,在和时都可能有非零值,是双边信号,相应的变换称为双边拉普拉斯变换,用和表示。实际电路中的信号往往是有始信号,这时的拉普拉斯变换称为单边拉普拉斯变换,记作:
如果没有特别说明,一般的LT均指单边LT。
LT的物理意义
比较拉普拉斯反变换和傅里叶反变换公式
可以看出:
与FT一样,LT也可以看成是将信号分解为多个子信号的和。
FT中:子信号为,的频率分量相加,得到一个(幅度不变的)正弦波;
LT中:子信号为,的频率分量(或共轭的和)相加,得到幅度变化的正弦波。
s是复数,可以用复平面中的一点表示,该复平面称为s平面。LT实际上是利用了s平面上的所有实部为固定值的点对应的子信号构成正交子信号集,用来表示任意信号。
S平面图上的变化规律:
对于实信号f(t),其LT同样满足共轭对称性,即(正如FT中
LT也可以用来处理复数信号。
§5-3 LT的收敛区间
一、函数的LT存在的条件:
函数的LT存在与否与的取值有关。
如果的值合适
——收敛
——存在
——存在。
所以,的LT存在的(充分)条件,是存在是,使满足Direchlet 条件。通常要求是指数阶函数且具有分段连续的性质,此时有
二、收敛区的定义:
使满足绝对可积条件的的取值区间称为的LT的收敛区,应该满足的条件称为收敛条件。在这个区间内,的LT存在;在区间外,的LT不存在。
单边LT的收敛区
单边LT只处理右边信号;
对于右边信号,如果存在,使收敛,则对于任意一个大于的, 一定收敛。所以,单边信号的收敛区间的右边界一定为,一般形式为,或收敛条件为。其中称为收敛坐标,s平面上的垂线称为收敛边界(或收敛轴)。
单边LT的收敛区间是一个左开区间,不包含收敛轴。
上面关于右边信号的收敛区的讨论得到的结论可以推广到任意一个有始(右边)信号。
例1:单边指数信号()的收敛区间为的右半平面,即。
因为,
是使信号收敛的因子,它是否可以为负值?
例2:阶跃信号的收敛区间为的整个右半平面,即。
因为,
除单边LT外,还有双边LT,故有双边LT的收敛区问题。但本书仅讨论单边LT,并简称LT。而工程实际上遇到的有始信号,几乎都是指数阶信号,所以以
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