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《信号与系统》讲义教案-第2章 信号与系统的时域分析
第2章 信号与系统的时域分析
2.0 引言
由于LTI系统满足齐次性和可加性,并且具有时不变性的特点,因而为建立信号与系统分析的理论与方法奠定了基础。
如果能够把任意的输入信号都分解成基本信号的线性组合,那么只要得到LTI系统对基本信号的响应,就可以利用系统的线性特性,将系统的输出响应表示成系统对基本信号的响应的线性组合。
问题的实质:
信号的分解:即以什么样的信号作为构成任意信号的基本信号单元,以及如何用基本信号单元的线性组合来构成任意信号;
2、如何得到LTI系统对基本单元信号的响应。
作为基本单元的信号应满足以下要求:
1、尽可能简单,并且用它的线性组合能够表示(构成)尽可能广泛的其他信号;
2、LTI系统对这种信号的响应易于求得。
如果解决了信号分解问题,即
若? ?,????
当输入时,系统输出为,记为:
,
则? ?
2.1 信号的时域分解
2.1.1 用表示连续时间信号
连续时间信号应该可以分解成一系列移位加权的单位冲激信号的线性组合。单位阶跃与单位冲激之间有这种关系:
(2.1)
对一般信号,可以分成很多Δ宽度的区段,用一个阶梯信号近似表示。当时,。如图2.1所示。
图2.1 阶梯信号近似表示
引用,即:
则有:
第k个矩形可表示为:。这些矩形迭加起来就成为阶梯形信号,
即: 。 (2.2)
当时,,,,,于是:
(2.3)
表明:任何连续时间信号都可以被分解为移位加权的单位冲激信号的线性组合。
2.1.2用表示离散时间信号
离散时间信号中,最简单的是,可以由它的线性组合构成,即:
(2.4)
对任何离散时间信号 ,如果每次从其中取出一个点,就可以将整个信号拆开来,每次取出的一个点都可以表示为不同加权、不同位置的单位脉冲:
(2.5)
图2.2 一个离散时间信号分解为一组加权的移位脉冲之和
于是有:
表明:任何信号 都可以被分解成移位加权的单位脉冲信号的线性组合。如图2.2所示。
2.2 连续时间信号与系统的时域分析
我们已经讨论过LTI系统的两个重要性质:线性和时不变性。利用这两个性质,同时由于任意一个连续信号都可以分解为单位冲激信号的移位加权的积分,我们就可以根据系统单位冲激信号的响应(即单位冲激响应)来确定在任意信号作用下系统的响应。
2.2.1 卷积积分
如果一个LTI系统对的响应为,根据系统的时不变性,当输入为时,其输出为。又根据系统的齐次性,如果输入冲激的强度为,则输出也乘以,即
再根据系统的叠加性,将不同延时和强度的冲激信号加起来再输入系统,则系统的输出也就是各种不同延时和强度的冲激响应的叠加。对于连续时间信号与系统而言,叠加就变成了积分,于是有
(2.6)
上式表明,当系统的输入为时,系统的输出为,输入和输出的关系记为下式:
= (2.7)
这种求得系统响应的运算关系称为卷积积分。上式表明,LTI系统可以完全由它的单位冲激响应来表征。因此,单位冲激响应也能够表示一个线性时不变系统,如图2.3所示。
图2.3线性时不变系统的图示说明
例2.1 已知一LTI系统的单位冲激响应为,系统的输入为,,求系统的输出。
解:
2.2.2 卷积积分的图解机理
连续时间信号的卷积由信号的反转、平移、相乘、积分4种基本运算组成,它可以用卷积的定义直接进行数学运算来求解,也可以借助图解,分段进行卷积。在大多数的情况下,图解方法直观、简单,是一种值得推荐的方法。下面我们以具体的例子来说明卷积的运算及其需要注意的事项。
例2.2 信号 x1( t ) 和 x2( t ) 的波形如图2.4所示,试用图解法计算与 的卷积。
图2.4 例2.2
解:借助图解,分段卷积
从卷积的定义式(2.7)可以看到,连续信号的卷积涉及到两个变量:一个是积分变量;另一个是参考变量 t,t是卷积结果的观察时刻,同时也表示反转信号的移动距离和移动方向。整个卷积过程可分为下述几步:
第1步,反转
这里我们选择进行反转而得反转信号 。
第2步,平移
将反转信号平移而得 x 2( t - )。根据信号运算的定义,反转、平移都是对信号的独立变量进
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