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1、 第二章 信号及其描述 信号的分类与定义信号的分类与定义 随机信号与确定性信号随机信号与确定性信号 连续信号与离散信号连续信号与离散信号 周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号 主 要 内 容 确定性信号的特性确定性信号的特性 时间特性时间特性 频率特性频率特性 时间与频率的联系时间与频率的联系 确定性信号分析确定性信号分析 时域分析时域分析 频域分析频域分析 随机信号特性及分析随机信号特性及分析 信号是信息的载体和具体表现形式，信息需转化为 传输媒质能够接受的信号形式方能传输。广义的说 ，信号是随着时间变化的某种物理量。只有变化的 量中，才可能含有信息。 确定信号与随机信号 l当信号是一确
2、定的时间函数时，给定某一时 间值，就可以确定一相应的函数值。这样的 信号称为确定信号。 l随机信号不是确定的时间函数，只知道该信 号取某一数值的概率。 l带有信息的信号往往具有不可预知的不确定 性，是一种随机信号。 l除实验室发生的有规律的信号外，通常的信 号都是随机的，因为确定信号对受信者不可 能载有信息。 连续信号与离散信号 l如果在某一时间间隔内，对于一切时间 值，除若干不连续点外，该函数都能给 出确定的函数值，此信号称为连续信号 。 l和连续信号相对应的是离散信号。代表 离散信号的时间函数只在某些不连续的 时间值上给定函数值。 l一般而言，模拟信号是连续的（时间和 幅值都是连续的），数
3、字信号是离散的 。 l l 连续信号连续信号 模拟信号模拟信号 连续信号 f(t) 0 t 0 t f(t) f0 f1 f2 离散信号 01234 -1t f(tk) (3) (2) (4.5) (1.5) (6) (-1) 周期信号与非周期信号 l用确定的时间函数表示的信号，可以分为 周期信号和非周期信号。 l当且仅当 则信号f(t)是周期信号，式中常数T 是信号 的周期。换言之，周期信号是每隔固定的 时间又重现本身的信号，该固定的时间间 隔称为周期。 l非周期信号无此固定时间长度的循环周期 。 严格数学意义上的周期信号，是无始 无终地重复着某一变化规律的信号。 实际应用中，周期信号只是指
4、在较长 时间内按照某一规律重复变化的信号 。 实际上周期信号与非周期信号之间没 有绝对的差别，当周期信号fT(t)的周期 T 无限增大时，则此信号就转化为非 周期信号f(t)。即 确定信号的时间特性 l表示信号的时间函数，包含了信号的全部 信息量，信号的特性首先表现为它的时间 特性。 l时间特性主要指信号随时间变化快慢、幅 度变化的特性。 同一形状的波形重复出现的周期长短 信号波形本身变化的速率（如脉冲信号的脉 冲持续时间及脉冲上升和下降边沿陡直的程 度） l以时间函数描述信号的图象称为时域图， 在时域上分析信号称为时域分析。 确定信号的频率特性 l信号还具有频率特性，可用信号的频谱函数来表示
5、。在频谱 函数中，也包含了信号的全部信息量。 l频谱函数表征信号的各频率成分，以及各频率成分的振幅和 相位。 频谱：对于一个复杂信号，可用傅立叶分析将它分解为许 多不同频率的正弦分量，而每一正弦分量则以它的振幅和 相位来表征。将各正弦分量的振幅与相位分别按频率高低 次序排列成频谱。 频带：复杂信号频谱中各分量的频率理论上可扩展至无限 ，但因原始信号的能量一般集中在频率较低范围内，在工 程应用上一般忽略高于某一频率的分量。频谱中该有效频 率范围称为该信号的频带。 l以频谱描述信号的图象称为频域图，在频域上分析信号称为 频域分析。 时域和频域 不同频率信号的时域图和频域图 l信号还可以用它的能量特
6、点加以区分。 在一定的时间间隔内，把信号施加在一负载上，负载上就 消耗一定的信号能量。 把该能量值对于时间间隔取平均，得到该时间内信号的平 均功率。 如果时间间隔趋于无穷大，将产生两种情况。 l信号总能量为有限值而信号平均功率为零，称为能量信号； 信号平均功率为大于零的有限值而信号总能量为无穷大，称 为功率信号，周期信号就是常见的功率信号。 信号分析信号分析 时域分析 信号时域分析（线性系统叠加原理） 卷积积分的应用及其数学描述 频域分析 周期信号的频域分析(三角与指数傅立叶级 数） 非周期信号的频域分析（傅立叶积分） 信号在频域与时域之间的变换（正反傅立 叶变换式） 频谱与时间函数的关系 时
7、域分析时域分析 系统的输入信号称为激励，输出称为响应 激励与响应都是时间的函数 激励函数s(t) 响应函数r(t) 系统对激励的的响应称为冲激响应函数 h(t) 对激励的响应是激励函数与系统冲激响应 函数的卷积 时域分析的方法（时域分析的方法（1 1 ） 利用线性系统的叠加原理，把复杂的激励在时域中分解成 一系列单位激励信号，然后分别计算各单位激励通过通信 系统的响应，最后在输出端叠加而得到总的响应。 图2-4是时域分析法示意图。其中 (a)表示将激励函数分解为若干个脉冲函数，第k个脉 冲函数值为s(kt) (b)表示系统对第k个脉冲的冲激响应，该响应的数值 是 (c) 是系统对于(a)所示的
8、激励函数的总响应，可近似 地看作是各脉冲通过系统所产生的冲激响应的叠加。 该总响应 0 0 0 0 t t t S(t) r(kt) r(t) kt kt kt s(kt) 时域分析法示意图时域分析法示意图 r(kt) 激励函数(输入 信号)的分解 第k个脉冲的 冲激响应(输 出信号)波形 冲激响应叠加 后的总响应(输 出信号)波形 第k个脉冲函数之面积 （当t 0，脉冲函数 可近似表示为冲激函数 ） 系统对第k个冲激函数 的冲激响应函数 时域分析的方法（时域分析的方法（2 2 ） 式中h(t)是单位冲激函数(t)对应的响应，称为单位冲激 响应函数。 单位冲激函数(t) 也称狄拉克函数或函数，
9、其定义是： 在t0时，函数值均为0；在t=0处，函数值为无穷大，而 脉冲面积为1，即 当t无限趋小而成为d时，上式中不连续变量kt成了连 续变量，对各项求和就成了求积分。于是有 这种叠加积分称为卷积积分。 频域分析频域分析 作为时间函数的作为时间函数的激励和响应激励和响应，可通过傅立叶可通过傅立叶 变换将时间变量变换为频率变量去进行分析变换将时间变量变换为频率变量去进行分析 ，这种利用信号频率特性的方法称为，这种利用信号频率特性的方法称为频域分频域分 析法析法。频域是最常用的一种变换域。频域是最常用的一种变换域。 频域分析的基本工具是频域分析的基本工具是傅立叶分析傅立叶分析，包括傅，包括傅 立
10、叶级数和傅立叶变换。立叶级数和傅立叶变换。 周期信号的频域分析方法周期信号的频域分析方法 考察信号 式中1=2f1。1称为基波频率，简称基频， 1的倍数称为谐波。 对于周期信号而言，其频谱由离散的频率成分， 即基波与谐波构成。 复杂周期信号波形复杂周期信号波形 数字信号的谐波数字信号的谐波 分解周期信号的条件分解周期信号的条件 狄利希莱条件 要将一周期信号分解为谐波分量，代表这一周期 信号的函数f(t)应当满足下列条件： 在一周期内，函数是绝对可积的，即 应为有限值； 在一周期内，函数的极值数目为有限； 在一周期内，函数f(t)或者为连续的，或者具有有限 个这样的间断点，即当t从较大的时间值和
11、较小的时 间值分别趋向间断点时，函数具有两个不同的有限的 函数值。 测试技术中的周期信号，大都满足该条件。 周期信号的频域分析方法周期信号的频域分析方法 根据傅立叶变换原理，通常任何信号都可表示成各种频率成 分的正弦波之和。 对于任何一个周期为T、且定义在区间（- T/2, T/2）内的周 期信号f(t)，都可以用上述区间内的三角傅立叶级数表示： a0是频率为零的直流分量（如图），式中系数值为 傅立叶级数的这种形式称为三角函数展开式或称正弦-余弦 表示，是用正交函数集来表示周期信号的一种常用方法。 傅立叶级数还可以改写成：傅立叶级数还可以改写成： An-，n-分别称为 幅值谱和相位谱，统 称为
12、频谱。 带有直流分量的信号 指数傅立叶级数 用正交函数集来表示周期信号另一种更常用的方法 是傅立叶级数的指数表示法，称为指数傅立叶级数 。 三角傅立叶级数与指数傅立叶级数并不是两种不同 类型的级数，而只是同一级数的两种不同的表示方 法。指数级数形式比三角级数形式更简化更便于计 算。 根据欧拉公式 当当 n n 取取-和和+之间包括之间包括0 0在内在内 的所有整数，则函数集的所有整数，则函数集 e e jnjntt（ （其其 中中 n n =0,1,2,=0,1,2,）为一完备为一完备 的正交函数集。任意周期信号的正交函数集。任意周期信号 f f (t)(t)可在时间区间（可在时间区间（- -
13、T/2T/2 , , T/2T/2）内内 用此函数集表示为用此函数集表示为 求出求出C C n n ，信号分解的任务就完成了信号分解的任务就完成了。 非周期信号的频域分析方法非周期信号的频域分析方法 如果在表示周期信号f(t)的傅立叶级数中令周期T， 则在整个时间内表示f(t)的傅立叶级数也能在整个时间 内表示非周期信号。 f (t)的指数傅立叶级数可写为 式中 Fn是复数振幅，将其代入f(t),得到 非周期信号的频域分析方法非周期信号的频域分析方法 当T 增加时，基频1变小，频谱线变密，且各分量的振幅也 减小，但频谱的形状不变。在T的极限情况下，每个频率 分量的幅度变为无穷小，而频率分量有无
14、穷多个，离散频谱 变成了连续频谱。这时，f(t)已不是n1的离散函数，而是 的连续函数。 以上过程可以用计算式说明。由于相邻频率分量间隔为 =(n+1)1-n1=1 周期T 可写为 于是，有 非周期信号的频域分析方法非周期信号的频域分析方法 当T 时，求和变成了取积分，变成d ，n1用表 示。因此有 式中方括号是原函数f(t)的频谱密度函数，简称频谱函数，它 具有单位频带振幅的量纲，记作F() 。即 将原函数写成 傅立叶变换的应用傅立叶变换的应用 傅立叶变换可将时域上较复杂的运算简化为相对简单的频域 运算。 作为时域上卷积积分例子的函数r(t)对应的频域函数为 上式即卷积定理，激励s(t)通过
15、频率特性为H()的系统时， 响应r(t)的频谱函数R()等于s(t)的频谱函数S() 和H()的 乘积运算。 几种典型信号的傅立叶变换 数字信号中典型的波形是矩形窗函数（矩形脉冲 函数）。矩形脉冲g(t)及其对应的频域函数为 G()分别如图和下面两式： 当当=0=0时，时， G G ( ( )=)=A A ； ； =2 2kk/ / 时，时， G G ( ( )=0)=0。 (t)函数的性质： 1.抽样性 2. 单位脉冲函数的积分等于阶跃函数 3. 函数与其他函数的卷积 4. 函数的频谱 随机信号分析 二、随机信号的统计特性 要完整地描述一个各态历经随机过程，理论上要 有无限长时间记录。但实际上这是不可能的。通常 用统计方法对以下三个方面
