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第1章信号与系统;
1.1信号与系统概述;;
图1.1-1所示信号与系统分析框图中,有激励、系统特性、响应三个变量。描述它们的有时域、频域、复频域三种方法。研究各变量的不同描述方法之间的转换关系以及三个变量之间的关系(已知其中两个求解出第三个),是“信号与系统”课程研究的主要问题。
因为存在连续与离散两类不同的信号的描述,所以有连续与离散两类不同的传输、处理系统。本书采用先连续信号与系统分析,后离散信号与系统分析的顺序编排。;
1.2信号及其分类;
1.确定性信号与随机信号
信号可以用确定的时间函数来表示的是确定性信号,也称规则信号,如正弦信号、单脉冲信号、直流信号等。
信号不能用确定的时间函数来表示,只知其统计特性(如在某时刻取某值的概率)的是随机信号。
从常识上讲,确定性信号不包括有用的或新的信息。但确定性信号作为理想化模型,其基本理论与分析方法是研究随机信号的基础,在此基础上根据统计特性可进一步研究随
机信号。本书只涉及确定性信号。;
2.周期信号与非周期信号
周期信号是依一定的时间间隔周而复始、无始无终的信号,一般表示为
其中,T为最小重复时间间隔,也称周期。不满足式(1.2-1)这一关系的信号为非周期信号。如果若干周期信号的周期具有公倍数,则它们叠加后仍为周期信号,叠加信号的周期是所有周期的最小公倍数,其频率为周期的倒数。只有两项叠加时,若T1、T2-与ω1、ω2分别是两个周期信号的周期与角频率。;
叠加后信号的角频率、周期的计算为
其中,N1、N2-为不可约的正整数。若是大于两项叠加时,信号的角频率、周期的计算为;
其中,N1,N2,…,Nn为正整数。若N1,N2,…,Nn无公因子,则
若有正整数公因子N,则;
例1.2-1判断下列信号是否为周期信号。若是,求出其周期。
(1)f1(t)=asin5t+bcos8t;
(2)f2(t)=3sin1.2t-5sin5.6t。;;;
3.连续时间信号与离散时间信号
按函数的独立变量(自变量)取值的连续与否,可将信号分为???续信号与离散信号。本书默认独立变量(自变量)为时间,实际工程应用中可为非时间变量。
连续时间信号在所讨论的时间内,对任意时间值(除有限不连续点外)都可以给出确定的函数值。连续时间信号的幅值可以是连续的(也称模拟信号),也可以是离散的(只取某些规定值),如图1.2-1所示。;;
离散信号亦称序列,其自变量n是离散的,通常为整数。若是时间信号(可为非时间信号),它只在某些不连续的、规定的瞬时给出确定的函数值,其他时间没有定义,其幅值可以是连续的,也可以是离散的,如图1.2-2所示。;
;
图1.2-2中,
x1(n)还可简写为
其中小箭头标明n=0的位置。;
4.能量信号与功率信号
为了了解信号能量或功率特性,常常研究信号f(t)(电压或电流)在单位电阻上消耗的能量或功率。;
5.因果信号与非因果信号
按信号所存在的时间范围,可以把信号分为因果信号与非因果信号。当t0时,连续信号f(t)=0,信号f(t)是因果信号,反之为非因果信号;当n0时,离散信号x(n)=0,则信号x(n)是因果信号,反之为非因果信号。;
1.3典型信号;;
;;
2.正弦信号;
;;
3.复指数信号
其中,s=σ+jω为复数,σ为实部系数,ω为虚部系数。
借用欧拉公式:;
同样,借用欧拉公式可以将正、余弦信号表示为复指数形式,即;
4.Sa(t)信号(抽样信号)
Sa(t)信号定义为
不难证明,Sa(t)信号是偶函数,当t→±∞时,振幅衰减,且f(±nπ)=0,其中n为整数。Sa(t)信号还有以下性质:
Sa(t)信号如图1.3-5所示。;;
实际遇到的多为Sa(at)信号,表达式为
Sa(at)波形如图1.3-6所示。;
;
1.3.2奇异信号
1.单位阶跃信号u(t)
定义
单位阶跃信号u(t)如图1.3-7(a)所示。描述幅度为A、t0时刻的阶跃信号记为Au(t-t0),表示式为;
Au(t-t0)如图1.3-7(b)所示,这是表示t0时刻接入幅度为A直流电源的数学模型。;
利用单位阶跃信号u(t)可以很方便地用数学函数来描述信号的接入(开关)特性或因果(单边)特性。;
例1.3-1用阶跃信号表示如图1.3-8所示的有限时宽正弦信号。;
;
2.单位门函数gτ(t)
单位门函数gτ(t)是以原点为中心,时宽为τ、幅度为1的矩形单脉冲信号,波形如图1.3-9(a)所示。
描述幅度为A、时刻t=0时开始的门函数记为Agτ
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