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[工学]6第六章 系统的频域分析及其应用
思考题 根据时域抽样定理,对连续时间信号进行抽 样时,只需抽样速率 fs ? 2fm。在工程应用中,抽样速率常设为 fs ?(3~5)fm,为什么? 若连续时间信号 f (t) 的最高频率fm未知, 如何确定抽样间隔T? 4. 信号重建 信号重建模型 由抽样信号fs(t)恢复连续信号f (t) hr(t) 信号与系统频域分析的应用?调制解调 双边带调幅(DSB AMSC) 同步解调 单边带调幅(SSB AMSC) 频分复用 时分复用 一、双边带调幅(Amplitute Modulation)信号 的频谱分析 调制信号 载波信号 双边带调幅中各信号频谱 系统响应频域分析小结 优点:求解系统的零状态响应时,可以直观地体现信号通过系统后信号频谱的改变,解释激励与响应时域波形的差异,物理概念清楚。 不足: (1)只能求解系统的零状态响应,系统的零输入响应仍按时域方法求解。 (2)若激励信号不存在傅立叶变换,则无法利用频域分析法。 (3)频域分析法中,傅立叶反变换常较复杂。 解决方法:采用拉普拉斯变换 无失真传输系统与理想滤波器 无失真传输系统 理想滤波器的频响特性 理想低通滤波器 冲激响应 阶跃响应 无失真传输系统 若输入信号为f(t),则无失真传输系统的输出信号y(t)应为 K为常数,td是输入信号通过系统后的延迟时间。 时域特性 频域特性 其幅度响应和相位响应分别为 无失真传输系统的幅度和相位响应 无失真传输系统应满足两个条件: (1)系统的幅频响应|H(jw)|在整个频率范围内应为常数K,即系统的带宽为无穷大; (2)系统的相位响应f(jw)在整个频率范围内应与?成正比。 [例1]已知一LTI系统的频率响应为 (1)求系统的幅度响应|H(jw)|和相位响应f(w),并判断系统是否为无失真传输系统。 (2)当输入为f(t)=sint+sin3t (-?t?) 时,求系统的稳态响应。 解:(1)因为 所以系统的幅度响应和相位响应分别为 系统的幅度响应|H(jw)|为常数,但相位响应f(w)不是w的线性函数,所以系统不是无失真传输系统。 (2) [例1]的输入和输出信号波形 显然,输出信号相对于输入信号产生了失真。 输出信号的失真是由于系统的非线性相位引起的。 理想滤波器的频响特性 滤波器是指能使信号的一部分频率通过,而使另一部分频率通过很少的系统。 理想低通 理想高通 理想带通 理想带阻 理想低通滤波器 截止角频率 幅频响应|H(jw)|在通带0~wc 恒为1,在通带之外为0。 相频响应f(w)在通带内与?成线性关系 1 理想低通滤波器的冲激响应 理想低通滤波器冲激响应分析 (1)h(t)的波形是一个取样函数,不同于输入信号d(t)的波形,有失真。 原因:理想低通滤波器是一个带限系统,而冲激信号d(t)的频带宽度为无穷大。 减小失真方法:增加理想低通截频wc。 h(t)的主瓣宽度为2p/wc,wc越小,失真越大。当wc ??时,理想低通变为无失真传输系统, h(t)也变为冲激函数。 理想低通滤波器冲激响应分析 (2) h(t) 主峰出现时刻t=td比输入信号d(t) 作用时刻t=0延迟了一段时间td 。td是理想低通滤波器相位特性的斜率。 (3)h(t)在t0的区间也存在输出,可见理想低通滤波器是一个非因果系统,因而它是一个物理不可实现的系统。 2 理想低通滤波器的阶跃响应 理想低通滤波器阶跃响应分析 (1)阶跃响应g(t)比输入阶跃信号u(t)延迟td 。td是理想低通滤波器相位特性的斜率。 (2)阶跃响应的建立需要一段时间。 阶跃响应从最小值上升到最大值所需时间称为阶跃响应的上升时间tr。 tr =2p/wc,即上升时间tr与理想低通截频wc成反比。wc越大,上升时间就越短,当wc ??时,tr ?0。 (3)存在 Gibbs现象。即在间断点的前后出现了振荡,其振荡的最大峰值约为阶跃突变值的9%左右,且不随滤波器带宽的增加而减小。 结论 (1) 输出响应的延迟时间取决于理想低通滤波器的相位特性的斜率。 (2) 输入信号在通过理想低通滤波器后,输出响应在输入信号不连续点处产生逐渐上升或下降的波形,上升或下降的时间与理想低通滤波器的通频带宽度成反比。 (3) 理想低通滤波器的通带宽度与输入信号的带宽不相匹配时,输出就会失真。系统的通带宽度越大于信号的带宽,则失真越小,反之,则失真越大。 [例]求带通信号f(t)=Sa(t)cos2t , -? t ?, 通过线性相位理想低通滤波器 的响应。 解:因为 利用Fourier变换的频移特性,可得 1)
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