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1、1.2 信号,二、信号的分类,确定信号和随机信号,可以用确定时间函数表示的信号，称为确定信号或规则信号。如正弦信号。 若信号不能用确切的函数描述，它在任意时刻的取值都具有不确定性，只可能知道它的统计特性，如在某时刻取某一数值的概率，这类信号称为随机信号或不确定信号。电子系统中的起伏热噪声、雷电干扰信号就是两种典型的随机信号。 研究确定信号是研究随机信号的基础。本课程只讨论确定信号。,1,1. 连续信号和离散信号,根据信号定义域的特点可分为连续时间信号和离散时间信号。,在连续的时间范围内(-t）有定义的信号称为连续时间信号，简称连续信号。实际中也常称为模拟信号。 这里的“连续”指函数的定义域时间
2、是连续的，但可含间断点，至于值域可连续也可不连续。,值域连续,值域不连续,（1）连续时间信号：,2,仅在一些离散的瞬间才有定义的信号称为离散时间信号，简称离散信号。实际中也常称为数字信号。 这里的“离散”指信号的定义域时间是离散的，它只在某些规定的离散瞬间给出函数值，其余时间无定义。,如右图的f(t)仅在一些离散时刻tk(k = 0,1,2,)才有定义，其余时间无定义。 相邻离散点的间隔Tk=tk+1-tk可以相等也可不等。通常取等间隔T，离散信号可表示为f(kT)，简写为f(k)，这种等间隔的离散信号也常称为序列。其中k称为序号。,（2）离散时间信号：,3,上述离散信号可简画为,用表达式可写
3、为,或写为,通常将对应某序号m的序列值称为第m个样点的“样值”。,4,2. 周期信号和非周期信号,周期信号(period signal)是定义在(-，)区间，每隔一定时间T (或整数N），按相同规律重复变化的信号。,连续周期信号f(t)满足 f(t) = f(t + mT)，m = 0,1,2,离散周期信号f(k)满足 f(k) = f(k + mN)，m = 0,1,2,满足上述关系的最小T(或整数N)称为该信号的周期。,不具有周期性的信号称为非周期信号。,5,例1 判断下列信号是否为周期信号，若是，确定其周期。 （1）f1(t) = sin2t + cos3t （2）f2(t) = cos
4、2t + sint,解：两个周期信号x(t)，y(t)的周期分别为T1和T2，若其周期之比T1/T2为有理数，则其和信号x(t)+y(t)仍然是周期信号，其周期为T1和T2的最小公倍数。 （1）sin2t是周期信号，其角频率和周期分别为 1= 2 rad/s ， T1= 2/ 1= s cos3t是周期信号，其角频率和周期分别为 2= 3 rad/s ， T2= 2/ 2= (2/3) s 由于T1/T2= 3/2为有理数，故f1(t)为周期信号，其周期为T1和T2的最小公倍数2。 （2） cos2t 和sint的周期分别为T1= s， T2= 2 s，由于T1/T2为无理数，故f2(t)为非
5、周期信号。,6,例2 判断正弦序列f(k) = sin(k)是否为周期信号，若是，确定其周期。,解 f (k) = sin(k) = sin(k + 2m) ， m = 0,1,2,式中称为正弦序列的数字角频率，单位：rad。 由上式可见： 仅当2/ 为整数时，正弦序列才具有周期N = 2/ 。 当2/ 为有理数时，正弦序列仍为具有周期性，但其周期为N= M(2/ )，M取使N为整数的最小整数。 当2/ 为无理数时，正弦序列为非周期序列。,7,例3 判断下列序列是否为周期信号，若是，确定其周期。 （1）f1(k) = sin(3k/4) + cos(0.5k) （2）f2(k) = sin(2
6、k),解 （1）sin(3k/4) 和cos(0.5k)的数字角频率分别为 1 = 3/4 rad， 2 = 0.5 rad 由于2/ 1 = 8/3， 2/ 2 = 4为有理数，故它们的周期分别为N1 = 8 ， N1 = 4，故f1(k) 为周期序列，其周期为N1和N2的最小公倍数8。 （2）sin(2k) 的数字角频率为 1 = 2 rad；由于2/ 1 = 为无理数，故f2(k) = sin(2k)为非周期序列 。 由上面几例可看出：连续正弦信号一定是周期信号，而正弦序列不一定是周期序列。两连续周期信号之和不一定是周期信号，而两周期序列之和一定是周期序列。,8,4能量信号与功率信号,将
7、信号f (t)施加于1电阻上，它所消耗的瞬时功率为| f (t) |2，在区间( , )的能量和平均功率定义为,（1）信号的能量E,（2）信号的功率P,若信号f (t)的能量有界，即 E ,则称其为能量有限信号，简称能量信号。此时 P = 0,若信号f (t)的功率有界，即 P ,则称其为功率有限信号，简称功率信号。此时 E = ,9,相应地，对于离散信号，也有能量信号、功率信号之分。,若满足 的离散信号，称为能量信号。,若满足 的离散信号，称为功率信号。,时限信号(仅在有限时间区间不为零的信号)为能量信号; 周期信号属于功率信号，而非周期信号可能是能量信号，也可能是功率信号。,有些信号既不是
8、属于能量信号也不属于功率信号，如 f (t) = e t。,10,同学们，总结一下信号的分类有哪些呢？,1.3 信号的基本运算,一、信号的、运算,两信号f1() 和f2 ()的相+、指同一时刻两信号之值对应相加减乘 。如,11,1.4 阶跃函数和冲激函数,阶跃函数和冲激函数不同于普通函数，称为奇异函数。研究奇异函数的性质要用到广义函数（或分配函数）的理论。这里将直观地引出阶跃函数和冲激函数。,一、阶跃函数,下面采用求函数序列极限的方法定义阶跃函数。,选定一个函数序列n(t)如图所示。,12,阶跃函数性质：,（1）可以方便地表示某些信号,f(t) = 2(t)- 3(t-1) +(t-2),（2
9、）用阶跃函数表示信号的作用区间,（3）积分,13,二、冲激函数,单位冲激函数是个奇异函数，它是对强度极大，作用时间极短一种物理量的理想化模型。它由如下特殊的方式定义（由狄拉克最早提出）,也可采用下列直观定义：对n(t)求导得到如图所示的矩形脉冲pn(t) 。,高度无穷大，宽度无穷小，面积为1的对称窄脉冲。,14,冲激函数与阶跃函数关系：,可见，引入冲激函数之后，间断点的导数也存在。如,f(t) = 2(t +1)-2(t -1),f(t) = 2(t +1)-2(t -1),15,三、冲激函数的性质,1. 与普通函数 f(t) 的乘积取样性质,若f(t)在 t = 0 、 t = a处存在，则
10、 f(t) (t) = f(0) (t) ， f(t) (t a) = f(a) (t a),0,(t),16,2. 冲激函数的导数(t) （也称冲激偶）,f(t) (t) = f(0) (t) f (0) (t),证明：, f(t) (t) = f(t) (t) + f (t) (t) f(t) (t) = f(t) (t) f (t) (t) = f(0) (t) f (0) (t),(t)的定义：,(n)(t)的定义：,17,3. (t) 的尺度变换,证明见教材P20,推论:,(1),(2t) = 0.5 (t),(2)当a = 1时,所以， ( t) = (t) 为偶函数， ( t)
11、= (t)为奇函数,18,已知f(t)，画出g(t) = f (t)和 g(2t),19,结论（课本21页）：当信号有第一间断点时，其一阶导数将在间断点处出现冲激，间断点处向上突跳时出现正冲激，向下突跳时出现负冲激，其强度等于突跳的幅度。,4. 复合函数形式的冲激函数,实际中有时会遇到形如f(t)的冲激函数，其中f(t)是普通函数。并且f(t) = 0有n个互不相等的实根 ti ( i=1，2，n),f(t)图示说明： 例f(t)= t2 4,(t2 4)=1 (t+2)+(t 2),20,( t 2 4) =1 (t+2)+(t 2),一般地，,这表明，f(t)是位于各ti处，强度为 的n个
12、冲激函数构成的冲激函数序列。,注意：如果f(t)=0有重根，f(t)无意义。,21,这两个序列是普通序列。,（1）单位(样值)序列(k)的定义,取样性质：,f(k)(k) = f(0)(k),f(k)(k k0) = f(k0)(k k0),例,三、序列(k)和(k),22,（2）单位阶跃序列(k)的定义,（3）(k)与(k)的关系,(k) = (k) (k 1),或,(k) = (k)+ (k 1)+,23,1.5 系统的描述,描述连续动态系统的数学模型是微分方程，描述离散动态系统的数学模型是差分方程。,一、连续系统,1. 解析描述建立数学模型,图示RLC电路，以uS(t)作激励，以uC(t
13、)作为响应，由KVL和VAR列方程，并整理得,二阶常系数线性微分方程。,24,抽去具有的物理含义，微分方程写成,这个方程也可以描述下面的一个二阶机械减振系统。,其中，k为弹簧常数，M为物体质量，C为减振液体的阻尼系数，x为物体偏离其平衡位置的位移，f(t)为初始外力。其运动方程为,能用相同方程描述的系统称相似系统。,25,2. 系统的框图描述,上述方程从数学角度来说代表了某些运算关系：相乘、微分、相加运算。将这些基本运算用一些理想部件符号表示出来并相互联接表征上述方程的运算关系，这样画出的图称为模拟框图，简称框图。基本部件单元有：,积分器：,加法器：,数乘器：,积分器的抗干扰性比微分器好。,2
14、6,系统模拟：,实际系统方程模拟框图 实验室实现（模拟系统）指导实际系统设计,例1：已知y”(t) + ay(t)+ by(t) = f(t)，画框图。,解：将方程写为 y”(t) = f(t) ay(t) by(t),27,例2：已知y”(t) + 3y(t)+ 2y(t) = 4f(t) + f(t)，画框图。,解：该方程含f(t)的导数，可引入辅助函数画出框图。 设辅助函数x(t)满足 x”(t) + 3x(t)+ 2x(t) = f(t) 可推导出 y(t) = 4x(t) + x(t)，它满足原方程。,28,例3：已知框图，写出系统的微分方程。,设辅助变量x(t)如图,x(t),x(
15、t),x”(t),x”(t) = f(t) 2x(t) 3x(t) ,即x”(t) + 2x(t) + 3x(t) = f(t),y(t) = 4x(t)+ 3x(t),根据前面，逆过程，得,y”(t) + 2y(t) + 3y(t) = 4f(t)+ 3f(t),29,二、离散系统,1. 解析描述建立差分方程,例：某人每月初在银行存入一定数量的款，月息为元/元，求第k个月初存折上的款数。 设第k个月初的款数为y(k),这个月初的存款为f(k),上个月初的款数为y(k-1)，利息为y(k-1),则 y(k)=y(k-1)+ y(k-1)+f(k) 即 y(k)-(1+)y(k-1) = f(k) 若设开始存款月为k=0，则有y(0)= f(0)。 上述方程就称为y(k)与f(k)之间所满足的差分方程。所谓差分方程是指由未知输出序列项与输入序列项构成的方程。未知序列项变量最高序号与最低序号的差数，称为差分方程的阶数。上述为一阶差分方程。,30,由n阶差分方程描述的系统称为n阶系统。 描述LTI系统的是线性常系数差分方程。,2. 差分方程的模拟框图,基本部件单元有： 数乘器，加
