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二、指数形式傅里叶级数 将欧拉公式代入三角形式 二、指数形式傅里叶级数 有:傅里叶级数的指数形式 周期信号可分解为不同频率复指数信号之和 模 辐角 频谱 离散谱 傅里叶级数系数 三角和指数形式的傅里叶级数 与三角形式相比,复指数展开形式 1.幅度减半; 2.有正、负频谱,无实际意义; 3.幅频偶对称,相频奇对称 4.实际频谱为正、负频率项成对合并 三角和指数形式频谱的区别 傅里叶级数的系数: 表示连续周期信号的复频谱 连续周期信号频谱 连续周期信号的傅里叶级数及其系数 傅里叶级数 傅里叶级数的系数 反映周期信号的分解 表示周期信号的频谱 三、周期矩形脉冲信号的频谱 一个周期中: (1)离散谱 周期信号的频谱由间隔为w1的谱线组成 信号周期T1越大,w1越小,谱线越密 信号周期T1越小,w1越大,谱线越疏 周期(矩形脉冲)信号频谱的特点 周期信号的幅频随谐波nw1增大时,幅度不断衰减,并最终趋于零。 信号时域波形变化越平缓,高次谐波成分越少,幅度频谱衰减越快;信号时域波形变化跳变越多,高次谐波成分就越多,幅频衰减越慢。 (2)幅度衰减特性 周期(矩形脉冲)信号频谱的特点 0~2? /? 频率范围称为周期矩形脉冲信号的有效频带宽度(带宽),即: 周期(矩形脉冲)信号频谱的特点 物理意义:若信号丢失有效带宽以外的谐波成分,不会对信号产生明显影响。 信号通过系统时,两者的有效带宽必须“匹配” 周期(矩形脉冲)信号频谱的特点 (3)信号的有效带宽与信号时域持续时间?成反比:? 越大,wB越小;? 越小,wB越大 吉布斯现象 用有限次谐波分量来近似原信号,在不连续点出现过冲,过冲峰值不随谐波分量增加而减少,且为跳变值的9% 。 吉布斯现象产生原因 时间信号存在跳变破坏了信号的收敛性 N=5 N=15 N=50 N=500 四、周期信号的功率谱 信号能量(信号的归一化能量) 信号(电压或电流)加到1欧姆电阻上所消耗的能量 能量信号 四、周期信号的功率谱 信号的平均功率 周期信号 四、周期信号的功率谱 物理意义:任意周期信号的平均功率等于信号所含直流、基波以及各次谐波的有效值的平方和。 帕色瓦尔(Parseval)功率守恒定理 周期信号的功率谱:|Fn|2随nw1分布的情况称为周期信号的功率频谱,简称功率谱 四、周期信号的功率谱 例:试求周期矩形脉冲信号在其有效带宽(0~2p/t)内谐波分量所具有的平均功率占整个信号平均功率的百分比。其中E=1,T=0.25,?=0.05。 周期矩形脉冲信号包含在有效带宽内的各谐波平均功率之和占整个信号平均功率的90% 有效带宽内功率谱 周期信号的频域分析小结 周期信号频域分析的数学工具为傅里叶级数 最重要概念:频谱(傅里叶级数的系数Fn) 要点 1.傅里叶级数及其系数的物理意义 2. 频谱的定义、物理意义 3. 频谱的特点:离散、衰减、带宽 连续信号的频域分析 补充:完备正交函数集 正交函数 内积 证明: = 0 正交函数 补充:完备正交函数集 正交函数集 正交函数集 补充:完备正交函数集 其均方误差 补充:完备正交函数集 完备正交函数集 完备正交函数集 f(t)在区间[t1,t2]具有连续一阶导数和逐段连续的二阶导数时,f(t)可用完备正交函数集的线性组合恒等表示 正交分解 常用的完备正交函数集 三角函数集 复指数函数集 补充:完备正交函数集 周期信号满足狄里赫利条件时可展开成正交函数线性组合的无穷级数 一个周期内:有有限个间断点、有限个极值、函数绝对可积 若分解成三角函数或指数函数集,则为“傅里叶级数” 1.2 周期信号的频域分析—傅里叶级数 针对周期信号 周期函数可展开成傅里叶级数的条件:满足狄里赫利条件 一般工程问题满足此条件 主要内容: 周期信号的傅里叶级数展开 三角形式、复指数形式 周期信号的频谱及其特点 周期脉冲信号的频谱 1.2 周期信号的频域分析—傅里叶级数 一、三角形式的傅里叶级数 完备正交 一、三角形式的傅里叶级数 a0求解: 解得a0 一、三角形式的傅里叶级数 an求解: 等式两边乘以cosnw1t后在一个周期里积分 一、三角形式的傅里叶级数 讨论:f(t)为奇函数或偶函数的情况 数学:奇函数g(t)和偶函数h(t)的乘积在对称区间上的积分为0 一、三角形式的傅里叶级数 讨论:f(t)为奇函数 一、三角形式的傅里叶级数 偶函数 an=0,展开无cos项 讨论:f(t)为偶函数 一、三角形式的傅里叶级数 奇函数 bn=0,展开无sin项 讨论:f(t)为奇函数或偶函数的情况 一、三角形式的傅里叶级数 奇函数的傅里叶级数只能用sin项表示,偶函数的傅里叶级数只能用cos项表示 cncos(n?1t+?n) 为信号的n次谐波分量 一、三角形式的傅里叶级数 经三
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