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信号与系统课件7傅里叶变换与系统的频域分析
表明:任意周期信号f(t)可分解为许多不同频率的虚指数信号之和。 Fn 是频率为n?的分量的系数,F0 = A0/2为直流分量。 n = 0, ±1, ±2,… 例:求如图所示周期信号的指数型傅里叶级数。 例:求如图所示周期信号的指数型傅里叶级数。 解: 指数型傅里叶级数为: * 傅里叶变换和系统的频域分析 3.1 引言 难点:卷积。当函数复杂时,卷积很难求。引入变换域 3.1 引言 本章将以正弦信号和复指数信号 为基本函数,任意信号将分解为一系列不同频率的正弦信号或复指数信号之和或积分。 —— 由时域分析转入变换域(本章为频域)分析。 傅里叶变换 频谱、带宽、滤波 1 信号分解为正交函数 矢量正交与正交分解 信号正交与正交函数集 信号的正交分解 信号分解为正交函数 一、矢量正交与正交分解 矢量Vx = ( vx1, vx2, vx3)与Vy = ( vy1, vy2, vy3) 的内积为0 即 矢量正交的定义: 由两两正交的矢量组成的矢量集合---称为正交矢量集。 信号分解为正交函数 如三维空间中,以矢量 vx=(2,0,0)、vy=(0,2,0)、vz=(0,0,2) 所组成的集合就是一个正交矢量集。且完备。 例如对于一个三维空间的矢量A =(2,5,8),可以用一个三维正交矢量集{ vx,vy,vz}分量的线性组合表示。即 A= vx+ 2.5 vy+ 4 vz 矢量空间正交分解的概念可推广到信号空间:在信号空间找到若干个相互正交的信号作为基本信号,使得信号空间中任意信号均可表示成它们的线性组合。 信号分解为正交函数 二、信号正交与正交函数集 1. 信号定义: 定义在(t1,t2)区间的两个函数? 1(t)和? 2(t),若满足 (两函数的内积为0) 则称? 1(t)和? 2(t) 在区间(t1,t2)内正交。 2. 正交函数集: 若n个函数? 1(t), ? 2(t),…, ? n(t)构成一个函数集,当这些函数在区间(t1,t2)内满足 则称此函数集为在区间(t1,t2)上的正交函数集。 3. 完备正交函数集: 如果在正交函数集{?1(t), ? 2(t),…, ? n(t)}之外,不存在任何函数 ?(t)(≠0)满足 则称此函数集为完备正交函数集。 例如: 三角函数集{1,cos(nΩt),sin(nΩt),n=1,2,…} 和 虚指数函数集{ejnΩt,n=0,±1,±2,…} 是两组典型的在区间(t0,t0+T)(T=2π/Ω)上的完备正交函数集。 ( i =1,2,…,n) Ω为基波频率 三、信号的正交分解 设有n个函数? 1(t), ? 2(t),…, ? n(t)在区间(t1,t2)构成一个正交函数空间。将任一函数f(t)用这n个正交函数的线性组合来近似,可表示为 f(t)≈C1?1+ C2?2+…+ Cn?n 问题:如何选择各系数Cj使f(t)与近似函数之间误差在区间(t1,t2)内为最小? 三、信号的正交分解 问题:如何选择各系数Cj使f(t)与近似函数之间误差在区间(t1,t2)内为最小。 通常两个函数误差最小,是指这两个函数在区间(t1,t2)内的的方均值(均方误差)最小。均方误差为: f(t)≈C1?1+ C2?2+…+ Cn?n 为使上式最小(系数Cj变化时),有 展开上式中的被积函数,并求导。上式中只有两项不为0,写为: 即: 所以系数 信号的能量 代入,得最小均方误差 在用正交函数去近似f(t)时,所取得项数越多,即n越大,则均方误差越小。当n→∞时(为完备正交函数集),均方误差为零。此时有 上式称为(Parseval)帕斯瓦尔方程(能量公式),表明:在区间(t1,t2), f(t)所含能量恒等于f(t)在完备正交函数集中分解的各正交分量能量的总和。 函数f(t)可分解为无穷多项正交函数之和 2 傅里叶级数 傅里叶级数的三角形式 波形的对称性与谐波特性 傅里叶级数的指数形式 周期信号的功率 由积分可知 1、三角函数集 一、傅里叶级数的三角形式 在一个周期内是一个完备的正交函数集 在满足狄里赫利条件时, 2、级数形式 狄里赫利(Dirichlet)条件 (3)在一周期内,信号绝对可积。 (2)在一周期内,极大值和极小值的数目应是有限个。 (1) 在一周期内,如果有间断点存在,则间断点的数目应是有限个。 级数形式 设周期信号f(t),其周期为T,角频率?=2?/T,当满足狄里赫利(Dirichlet)条件时,它可分解为如下三角
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