信号与系统第三章.ppt

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1、 周期信号的频域分析 LTI系统的频域分析 傅立叶级数的性质 FourierSeriesRepresentationofPeriodicSignals 第3章周期信号的傅里叶级数表示 3 0引言Introduction 时域分析方法的基础 信号在时域的分解 LTI系统 满足线性 时不变性 从分解信号的角度出发 基本信号单元必须满足 本身简单 且LTI系统对它的响应能简便得到 具有普遍性 能够用以构成相当广泛的信号 傅立叶分析方法 出发点 将信号表示成一组基本信号的线性组合 基本信号为复指数信号 信号表示为连续时间和离散时间的傅立叶级数与傅立叶变换 3 1历史的回顾 AHistoricalPer

2、spective 任何科学理论 科学方法的建立都是经过许多人不懈的努力而得来的 其中有争论 还有人为之献出了生命 历史的经验告诉我们 要想在科学的领域有所建树 必须倾心尽力为之奋斗 今天我们将要学习的傅立叶分析法 也经历了曲折漫长的发展过程 刚刚发布这一理论时 有人反对 也有人认为不可思议 但在今天 这一分析方法在许多领域已发挥了巨大的作用 傅立叶1768 1830 Fourier JeanBaptisteJoseph 法国数学家 物理学家最早使用定积分符号改进符号法则 根数判别方法傅立叶级数创始人1807 热的传播 1822 热的分析理论 傅立叶级数 分析等理论 傅里叶的两个最重要的贡献 周

3、期信号都可以表示为成谐波关系的正弦信号的加权和 傅里叶的第一个主要论点 非周期信号都可以用正弦信号的加权积分来表示 傅里叶的第二个主要论点 傅立叶分析方法的历史 古巴比伦人 三角函数和 描述周期性过程 预测天体运动1748年欧拉振动弦的形状是振荡模的线性组合1753年D 伯努利弦的实际运动可用标准振荡模的线性组合来表示1759年拉格朗日不能用三角级数来表示具有间断点的函数 1822年傅立叶 热的分析理论 中提出并证明周期函数的正弦级数展开原理 奠定了傅立叶级数的理论基础1829年P L狄里赫利周期信号傅立叶级数表示的若干精确条件19 20世纪两种傅立叶分析方法 连续与离散1965年Cooley

4、 Tukey IBM 发明FFT算法 由时域分析方法有 3 2LTI系统对复指数信号的响应 考查LTI系统对复指数信号和的响应 易求LTI系统对复指数信号的响应这说明和符合对单元信号的第一项要求 特征函数与特征值 如果系统对某一输入信号的响应只是该输入信号乘以一个常数 则称该输入信号是这个系统的特征函数 该常数称为与该信号有关 相对应 的特征值 系统对某一输入信号的响应 一个常数 输入信号 系统的特征值 结论 复指数函数是一切LTI系统的特征函数 时不变性 齐次性 LTI LTI 可加性 LTI 离散时间LTI系统的单位脉冲响应 对时域的任何一个信号或者 若能将其表示为下列形式 例 问题 究竟

5、有多大范围的信号可以用复指数信号的线性组合来表示 回顾 连续复指数信号的周期 对一个复指数信号 要成为具有周期为的周期信号的必要条件 定义 有 3 3连续时间周期信号的傅里叶级数表示 一 连续时间傅里叶级数 成谐波关系的复指数信号 基波频率 成谐波关系的复指数信号集合 第k次谐波的周期为 基波周期为 成谐波关系的复指数信号之和 信号周期为 傅里叶级数表示 傅里叶级数系数 例1 该信号中 有两个谐波分量 为相应分量的加权因子 例2 连续时间周期信号可以按傅立叶级数被分解成无数多个复指数谐波分量的线性组合 二 连续时间傅里叶级数的系数确定 如果周期信号可以表示为傅里叶级数 则有 对两边同时在一个周

6、期内积分 有 即 在确定此积分时 只要积分区间是一个周期即可 对积分区间的起止并无特别要求 因此可表示为 是信号在一个周期的平均值 通常称直流分量 三 频谱 Spectral 的概念 信号集中的每一个信号 除了成谐波关系外 每个信号随时间的变化规律都是一样的 差别仅仅是频率不同 在傅里叶级数中 各个信号分量 谐波分量 间的区别也仅仅是幅度 可以是复数 和频率不同 因此 可以用一根线段来表示某个分量的幅度 用线段的位置表示相应的频率 分量可表示为 因此 当把周期信号表示为傅里叶级数时 就可以将表示为 这样绘出的图称为频谱图 频谱图其实就是将随频率的分布表示出来 即关系 由于信号的频谱完全代表了信

7、号 研究它的频谱就等于研究信号本身 因此 这种表示信号的方法称为频域表示法 四 傅里叶级数的其它形式 傅里叶级数的三角函数表示式 傅里叶级数的另一种三角函数形式 3 4连续时间傅里叶级数的收敛 这一节来研究用傅氏级数表示周期信号的普遍性问题 即满足什么条件的周期信号可以表示为傅里叶级数 一 傅里叶级数是对信号的最佳近似 对任何周期信号代入左式都可求得傅里叶系数 某些情况下 左式的积分可能不收敛 即求得的无穷大 求得的全部都是有限值 代入左式所得的无限项级数也可能不收敛于 二 傅里叶级数的收敛 傅里叶级数收敛的两层含义 是否存在 级数是否收敛于 Dirichlet条件 在任何周期内信号绝对可积

8、即在任何单个周期内 只有有限个极值点 且极值为有限值 最大值和最小值数目有限 在任何单个周期内 只有有限个第一类间断点 且在间断点上的函数值为有限值 因此 信号绝对可积就保证了的存在 它们都是傅里叶级数收敛的充分条件 相当广泛的信号都能满足Dirichlet条件 因而用傅里叶级数表示周期信号具有相当的普遍适用性 几个不满足Dirichlet条件的信号 三 Gibbs现象 满足Dirichlet条件的信号 其傅里叶级数是如何收敛于的 特别当具有间断点时 在间断点附近 如何收敛于 用有限项傅里叶级数表示有间断点的信号时 在间断点附近会不可避免的出现振荡和超量 超量的幅度不会随所取项数的增加而减小

9、只是随着项数的增多 振荡频率变高 并向间断点处压缩 从而使它所占有的能量减少 Gibbs现象表明 例1 周期信号 试确定的傅里叶级数系数 解 由题的基波周期为 例2 对称周期方波信号 确定的傅里叶级数系数 根据可绘出的频谱图 称为占空比 其中 不变时 不变时 周期性矩形脉冲信号的频谱特征 1 离散性2 谐波性3 收敛性 考查周期和脉冲宽度改变时频谱的变化 当不变 改变时 随使占空比减小 谱线间隔变小 幅度下降 但频谱包络的形状不变 包络主瓣内包含的谐波分量数增加 2 当改变 不变时 随使占空比减小 谱线间隔不变 幅度下降 频谱的包络改变 包络主瓣变宽 主瓣内包含的谐波数量也增加 Propert

10、iesofContinuous TimeFourierSeries 3 5连续时间傅里叶级数的性质 学习这些性质 有助于对概念的理解和对信号进行级数展开 一 线性 二 时移 若是以为周期的信号 且 则 令 当在变化时 从变化 于是有 五 相乘 若和都是以为周期的信号 且 则 也即 六 共轭对称性 若是以为周期的信号 且 则 由此可推得 对实信号有 或 七 Parseval定理 表明 一个周期信号的平均功率就等于它所有谐波分量的平均功率之和 掌握表3 1 对实信号 实偶函数 当时 虚奇函数 当时 例1 如图周期为的冲激串 求其傅里叶级数表示 解 例2 周期性矩形脉冲 求其傅里叶级数系数 由例1知

11、 根据时移特性 有 考察成谐波关系的复指数信号集 该信号集中每一个信号都以为周期 且该集合中只有个信号是彼此独立的 FourierSeriesRepresentationofDiscrete TimePeriodicSignals 一 离散时间傅里叶级数 DFS Discrete TimeFourierSeries 3 6离散时间周期信号的傅里叶级数表示 将这个独立的信号线性组合起来 一定能表示一个以为周期的序列 即 其中为个相连的整数 这个级数就称为离散时间傅里叶级数 DFS 其中也称为周期信号的频谱 二 傅里叶级数系数的确定 给两边同乘以 得 显然仍是以为周期的 而 显然上式满足即也是以为

12、周期的 或者说中只有个是独立的 即 或 对实信号同样有 例1 考虑信号 基波周期 的频谱图 三 周期性方波序列的频谱 显然的包络具有的形状 时 周期性方波序列的频谱 当不变 时 频谱的包络形状不变 只是幅度减小 谱线间隔变小 当改变 不变时 由于的包络具有的形状 而 可知其包络形状一定发生变化 当时 包络的第一个零点会远离原点从而使频谱主瓣变宽 这一点也与连续时间周期矩形脉冲的情况类似 四 DFS的收敛 DFS是一个有限项的级数 确定的关系式也是有限项的和式 因而不存在收敛问题 也不会产生Gibbs现象 周期序列的频谱也具有离散性 谐波性 当在区间考查时 也具有收敛性 不同的是 离散时间周期信

13、号的频谱具有周期性 1 相乘 2 差分 周期卷积 PropertiesofDiscrete TimeFourierSeries 3 7DFS的性质 DFS有许多性质 这里只选几个加以讨论 3 Paseval定理 左边是信号在一个周期内的平均功率 右边是信号的各次谐波的总功率 上式表明 一个周期信号的平均功率等于它的所有谐波分量的功率之和 也表明 周期信号的功率既可以由时域求得 也可以由频域求得 3 9滤波Filtering 本节移至第6章讲授 3 10用微分方程描述的连续时间滤波器举例 本节移至第6章讲授相关内容时由学生自学 3 11用差分方程描述的离散时间滤波器举例 本节移至第6章讲授相关内容时由学生自学 3 12小结Summary 本章主要讨论了 复指数函数是一切LTI系统的特征函数 建立了用傅里叶级数表示周期信号的方法 实现了对周期信号的频域分解 以周期性矩形脉冲信号为典型例子 研究了连续时间周期信号和离散时间周期信号的频谱特点及信号参量改变对频谱的影响 通过对连续时间傅氏级数和离散时间傅氏级数的讨论 既看到它们的基本思想与讨论方法完全类似 又研究了它们之间的重大区别 在对信号分析的基础上 研究了LTI系统的频率响应及LTI系统对周期信号的响应