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实验六连续时间信号和系统的复频域分析
实验六 连续时间信号和系统的复频域分析
6.1 实验目的
1. 理解连续时间信号的拉普拉斯变换及其逆变换;2. 掌握连续时间信号和系统的复频域分析方法;3. 使用 MATLAB分析连续时间信号和系统的复频域特性,实现系统的零极点分
析、稳定性分析和系统函数的求解;4. 了解 symbolic math toolbox工具箱的基本用法。
6.2 实验原理
拉普拉斯变换
拉普拉斯变换可用来分析非绝对可积的信号、非稳定系统等一些用傅里叶变换
不能解决的问题。它的定义式为
X (s) =
∫ ∞
?∞
x (t) e?stdt ,
其中复变量 s = σ+ jω 称为复频率,(σ, jω)构成的复平面称为 s平面。X(s)是复
频率 s的复函数。拉普拉斯变换存在收敛域(ROC),即 σ = Re {s}有一定的选取
范围,不同的选取范围对应不同的时间信号。在 s平面 ROC的边界是平行于 jω轴
的区域。当信号拉普拉斯变换的 ROC包含 jω轴时,信号的傅里叶变换收敛。
如果研究的是 0?系统,则有单边拉普拉斯变换
X (s) =
∫ ∞
0?
x (t) e?stdt .
61
6.2 实验原理 实验六 连续时间信号和系统的复频域分析
拉普拉斯逆变换
拉普拉斯逆变换的定义式为
x (t) =
1
2π j
∫ σ+ j∞
σ? j∞
X (s) estds .
通常 X(s)是有理函数,可用部分分式展开的方法将其分解为低价分式的线性组合,
根据收敛域确定各分式的拉普拉斯逆变换,从而求出 x(t)。
系统的复频域分析
拉普拉斯变换是分析连续时间系统的重要工具。系统单位冲激响应的拉普拉斯
变换 H(s)称为系统函数。如果系统是有理的,则通过分析系统的零、极点可以得
到系统稳定性、因果性等信息,对于有理系统,对系统的微分方程取单边拉普拉斯
变换,可以计入系统的初始条件,直接求出系统的系统的全响应。
MATLAB的应用
MATLAB提供了一系列的工具和函数帮助我们进行信号和系统的复频域分析:
1. 信号的拉普拉斯及逆变换MATLAB的符号运算工具箱 symbolic math toolbox提供了能直接求解单边信
号拉普拉斯变换及逆变换的数学表达式的函数,分别为laplace和ilaplace函
数。例如
syms t s; % Define symbolic variables
2 xt = exp(-2*t)*cos(pi*t);
Xs = laplace(xt)
4 Hs = 9*s^2/(s^2+2*s+10);
ht = ilaplace(Hs)
可直接求得 e?2t cos (πt) u (t)的拉普拉斯变换的数学表达式为 s+2
(s+2)2+π2
,以及
9s2
s2+2s+10 的拉普拉斯逆变换的数学表达式为 9δ (t)?18e?t
(cos 3t + 4
3
sin 3t) u (t)。
其中第一行的syms用来生成符号变量和函数。注意这里得到的结果也是符号
对象。如果要计算函数的值,可以用matlabFunction将符号表达式转换为相应
的函数,例如
62
实验六 连续时间信号和系统的复频域分析 6.2 实验原理
matlabFunction(Xs,file,lx.m);
可在当前目录下新建一个lx.m文件,通过调用lx函数即可得到函数值。或者
可直接生成一个虚拟函数句柄供后面的程序调用:
lx=matlabFunction(Xs);
某些低版本的 symbolic math toolbox 中可能没有提供matlabFunction函数,
此时可以用subs函数将自变量(或参量)的值代入函数,例如对于上面求出
的ht,以下的程序
t=0:0.1:10; fht=subs(ht); plot(t,fht);
可得到并画出各个时刻ht的值。2. 部分分式展开
用 MATLAB的residue函数可直接求出有理分式的部分分式展开:
H (s) =
N (s)
D (s)
=
n∑
j=0
b js j
m∑
i=0
aisi
=
m∑
i=1
ki
s ? pi +
m?n∑
j=0
c js j .
如果有理分式的分子或分母存在多项式相乘的情况,可先用卷积函数conv实
现多项式相乘。例如将
H (s) =
(s + 1) (s + 3)
s (s + 2) (s + 4)
部分分式展开,只需
b = conv([1 1],[1,3]);
2 a = conv([1 0],[1 2]);
a = conv(a,[1 4]);
4 [k,p,c]=residue(b,a);
即可。结果为
H (s) =
3
8
1
s
+
1
4
1
s + 2
+
3
8
1
s + 4
.3. 系统的零、极点分析
用MATLAB的
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