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1、第一章 概论内容1.1 1.1 信号与系统信号与系统 1.2 1.2 信号的描述与分类信号的描述与分类 1.3 1.3 信号的运算信号的运算 1.4 1.4 几种典型确定性信号几种典型确定性信号1.1 1.1 信号与系统信号与系统信息的获取、交换、传输、处理、存储、再现、控制与利用等。信息的获取、交换、传输、处理、存储、再现、控制与利用等。一切信息活动都离不开系统的作用。一切信息活动都离不开系统的作用。信息时代的特征信息时代的特征用信息科学和计算机技术的理论和手段来解决科学、工程和经济问题。用信息科学和计算机技术的理论和手段来解决科学、工程和经济问题。信息活动是指信息活动是指信号与系统的概念出
2、现在范围相当广泛的各种领域，信号与系统的思想在很多科学技术领域起着很重要的作用。如：通信、航空航天、电路设计、生物工程、声学、地震学、语音和图象处理、能源产生与分配、化工过程控制、工业自动化等等。信号与系统的概念出现在范围相当广泛的各种领域，信号与系统的思想在很多科学技术领域起着很重要的作用。如：通信、航空航天、电路设计、生物工程、声学、地震学、语音和图象处理、能源产生与分配、化工过程控制、工业自动化等等。一. 信号与系统的概念一. 信号与系统的概念虽然在不同领域所表现出的信号与系统的物理性质不同，但有两个基本点是共同的，即：虽然在不同领域所表现出的信号与系统的物理性质不同，但有两个基本点是共
3、同的，即：1. 信号总是作为一个或几个独立变量（自变量）的函数而出现，并携带着某些物理现象或物理性质的相关信息信号总是作为一个或几个独立变量（自变量）的函数而出现，并携带着某些物理现象或物理性质的相关信息。正弦波信号正弦波信号心电图信号心电图信号颈部核磁共振成像颈部核磁共振成像2. 系统总会对给定的信号作出响应，产生另一个信号或另外的几个信号。系统总会对给定的信号作出响应，产生另一个信号或另外的几个信号。几个基本概念：几个基本概念：1. 信息：信息：是指存在于客观世界的一种事物形象，一般泛指消息、情报、数据、指令等有关周围环境的知识。凡是物质的形态、特性在时间或空间上的变化，及人类的各种社会活
4、动都会产生信息。人类通过自己的感觉器官从客观世界获取各种信息。是指存在于客观世界的一种事物形象，一般泛指消息、情报、数据、指令等有关周围环境的知识。凡是物质的形态、特性在时间或空间上的变化，及人类的各种社会活动都会产生信息。人类通过自己的感觉器官从客观世界获取各种信息。信息是对消息中的不确定性的度量。信息是对消息中的不确定性的度量。2. 消息：消息：是用来表达信息的某种客观对象。如电报报文、电视图象、火光、声音、文字、图表、数字等等。是用来表达信息的某种客观对象。如电报报文、电视图象、火光、声音、文字、图表、数字等等。3. 信号：信号：是消息的表现形式，消息是信号的具体内容。信号通常表现为随自
5、变量变化的物理量。如声、光、电、温度、力、速度等。是消息的表现形式，消息是信号的具体内容。信号通常表现为随自变量变化的物理量。如声、光、电、温度、力、速度等。系统系统系统系统4. 系统：系统：是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。它是一个非常广泛的概念。系统可以是物理的，也可以是非物理的。系统可以很简单，也可以很复杂。是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。它是一个非常广泛的概念。系统可以是物理的，也可以是非物理的。系统可以很简单，也可以很复杂。例如：一个例如：一个RC电路是一个系统，一架照相机、电视机、汽车、输变电网、交通网、计算机网络、通信网、
6、导弹防御控制系统等都是物理的系统；一个政府的经济决策支持过程、企业的管理调控体系、国家的司法体系、金融财政体系也是一个系统，只不过是非物理的系统。电路是一个系统，一架照相机、电视机、汽车、输变电网、交通网、计算机网络、通信网、导弹防御控制系统等都是物理的系统；一个政府的经济决策支持过程、企业的管理调控体系、国家的司法体系、金融财政体系也是一个系统，只不过是非物理的系统。通信系统通信系统通信系统通信系统为传送消息而装设的全套技术设备（包括传输信道）。为传送消息而装设的全套技术设备（包括传输信道）。信道信道发送 设备发送 设备接收 设备接收 设备受信者受信者信息源信息源噪声源噪声源发送端接收端发送
7、端接收端消息消息信号信号信号信号消息消息信号理论与系统理论信号理论与系统理论信号理论系统理论信号理论系统理论信号分析信号分析：研究信号的基本性能，如信号的描述、性质等。：研究信号的基本性能，如信号的描述、性质等。系统分析系统分析：给定系统，研究系统对于输入激励所产生的输出 响应。或者研究系统的一些特性、性能等。：给定系统，研究系统对于输入激励所产生的输出 响应。或者研究系统的一些特性、性能等。重点讨论信号的分析、系统的分析，分析是综合的基础。重点讨论信号的分析、系统的分析，分析是综合的基础。信号处理信号处理信号传输信号传输系统综合系统综合：按照给定的需求设计（综合）系统：按照给定的需求设计（综
8、合）系统通信的目的是为了实现消息的传输。 原始的通信的目的是为了实现消息的传输。 原始的光通信光通信系统系统古代利用烽火传送边疆警报；古代利用烽火传送边疆警报； 声音信号声音信号的传输的传输击鼓鸣金。击鼓鸣金。利用利用电信号电信号传送消息。传送消息。 1837年，莫尔斯年，莫尔斯(F.B.Morse)发明电报；发明电报；1876年，贝尔年，贝尔(A.G.Bell)发明电话。发明电话。 利用电磁波传送利用电磁波传送无线电信号无线电信号。 1901年，马可尼年，马可尼(G.Marconi)成功地实现了横渡大西洋的无线 电通信；全球定位系统成功地实现了横渡大西洋的无线 电通信；全球定位系统GPS(G
9、lobal Positioning System)；个人通信具有美好的发展前景。；个人通信具有美好的发展前景。 光纤通信光纤通信带来了更加宽广的带宽。带来了更加宽广的带宽。 信号的传输离不开信号的交换。信号的传输离不开信号的交换。信号传输信号传输信号处理信号处理对信号进行某种加工或变换。对信号进行某种加工或变换。目的：目的：?消除信号中的多余内容；消除信号中的多余内容；?滤除混杂的噪声和干扰；滤除混杂的噪声和干扰；?将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和选择它的特征参量。信号处理的应用已遍及许多科学技术领域。将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和选择它的特征参量。信号处理的应用已遍
10、及许多科学技术领域。信号与系统的描述信号与系统的描述系统系统输入信号输入信号 激励激励输出信号输出信号 响应响应施加于系统的信号称为系统的施加于系统的信号称为系统的输入信号输入信号或或激励激励。系统在输入信号作用下产生的信号称为系统的系统在输入信号作用下产生的信号称为系统的输出信号输出信号或或响应响应。信号与系统两者是紧密联系的。信号与系统的问题可以用下图描述。信号与系统两者是紧密联系的。信号与系统的问题可以用下图描述。1.2 1.2 信号的描述与分类信号的描述与分类一信号的描述一信号的描述?信号一般用一个或多个信号一般用一个或多个自变量的函数自变量的函数来表示， 如电压信号一般 是时间的函数
11、，本课程中来表示， 如电压信号一般 是时间的函数，本课程中“信号信号”与与“函数函数”这两个术语经常通用；这两个术语经常通用；?信号还可以用信号还可以用波形波形来表示；来表示；?对于离散信号，有时还可以用对于离散信号，有时还可以用表格表格的形式来表示；的形式来表示；?信号还可以从其他侧面来描述，比如用它的信号还可以从其他侧面来描述，比如用它的频谱频谱、拉普拉斯变换、它的、拉普拉斯变换、它的z 变换等来表示，这些内容是信号分析的基本内容；变换等来表示，这些内容是信号分析的基本内容；?熟练掌握函数与波形间对应关系是学好信号与系统的基本技能。熟练掌握函数与波形间对应关系是学好信号与系统的基本技能。信
12、号的表示?函数法?波形法?序列法（离散信号）注：信号可以是一个或多个自变量的函数；自变量不一 定是时间，例如：空间变量、高度、深度等二信号的分类二信号的分类?信号的分类方法很多，可以从不同的角度对信号进行分类。信号的分类方法很多，可以从不同的角度对信号进行分类。?按实际用途划分：按实际用途划分：?电视信号电视信号?雷达信号雷达信号?控制信号控制信号?通信信号通信信号?广播信号广播信号 ?按所具有的时间特性划分按所具有的时间特性划分信号的几种分类 连续信号vs离散信号（模拟信号、数字 信号、采样信号） 一维vs高维信号 周期信号vs非周期信号 确定性信号vs随机性信号 能量有限信号与功率有限信号
13、1确定性信号确定性信号和和随机信号随机信号对于指定的某一时刻对于指定的某一时刻t，可确定一相应的函数值，可确定一相应的函数值f (t)。 若干不连续点除外。 若干不连续点除外。? 确定性信号确定性信号? 随机信号随机信号? 伪随机信号貌似随机而遵循严格规律产生的信号（伪随机码）。主要讨论伪随机信号貌似随机而遵循严格规律产生的信号（伪随机码）。主要讨论确定性确定性信号。具有未可预知的不确定性。信号。具有未可预知的不确定性。二信号的分类二信号的分类确定性信号与随机信号确定性信号与随机信号t0( )f tt( )N t(a) 确定性信号确定性信号(b) 随机信号随机信号0二信号的分类二信号的分类2周
14、期信号和非周期信号周期信号和非周期信号瞬态信号：瞬态信号：除准周期信号外的一切可 以用时间函数描述的非周期信号。除准周期信号外的一切可 以用时间函数描述的非周期信号。sin t例如例如( )(),1, 2,f tf tkTk=+= L周期信号非周期信号周期信号非周期信号正弦周期信号（正弦周期信号（简谐简谐信号）复杂周期信号（除简谐信号外的周期信号）信号）复杂周期信号（除简谐信号外的周期信号）准周期信号（频率之比为无理数）瞬态（脉冲衰减函数）任意整数准周期信号（频率之比为无理数）瞬态（脉冲衰减函数）任意整数二信号的分类二信号的分类周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号t0( )f tt( )f
15、 t(a) 周期信号周期信号(b) 非周期信号非周期信号TT2TT20二信号的分类二信号的分类3连续时间信号和离散时间信号连续时间信号和离散时间信号除若干不连续点外，对于任意时间值都可以给出确定的信号值，此信 号称为除若干不连续点外，对于任意时间值都可以给出确定的信号值，此信 号称为连续时间信号连续时间信号，简称为连续信号只在一些离散时刻有定义的信号称为，简称为连续信号只在一些离散时刻有定义的信号称为离散时间信号离散时间信号，简称为离散信号，简称为离散信号二信号的分类二信号的分类t0( )f tn0( )f n 512341 23(a) 连续时间信号连续时间信号(b) 离散时间信号离散时间信号
16、数字信号：数字信号：时间和幅值均为离散的信号时间和幅值均为离散的信号模拟信号：模拟信号：时间和幅值均为连续的信号时间和幅值均为连续的信号抽样信号：抽样信号：时间离散的，幅值连续的信号时间离散的，幅值连续的信号量化量化Ot( ( ) )tf( ( ) )nfnO ( ( ) )nfnO抽样抽样二信号的分类二信号的分类主要讨论确定性信号。 先连续，后离散；先周期，后非周期。主要讨论确定性信号。 先连续，后离散；先周期，后非周期。判断下列波形是连续时间信号 还是离散时间信号，若是离散 时间信号是否为数字信号？判断下列波形是连续时间信号 还是离散时间信号，若是离散 时间信号是否为数字信号？( )f tOt( )f tOt124356 78123()值，只有321( )f tOt124356 78连续信号离散信号离散信号 数字信号连续信号离散信号离散信号 数字信号二信号的分类二信号的分类4能量信号和功率 信号能量信号和功率
