信号分析5-连续信号频域分析80s

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1、1,连续信号的频域分析,连续周期信号的频域分析 连续非周期信号的频谱 常见连续时间信号的频谱 连续时间Fourier变换的性质,2,连续周期信号的频域分析,周期信号的傅立叶级数展开 周期信号的频谱及其特点 傅里叶级数的基本性质 周期信号的功率谱,3,连续周期信号的频域分析,将信号表示为不同频率正弦分量的线性组合,(1) 从信号分析的角度，将信号表示为不同频率正弦分量的线性组合，为不同信号之间进行比较提供了途径。,(2) 从系统分析角度，已知单频正弦信号激励下的响应，利用迭加特性可求得多个不同频率正弦信号同时激励下的总响应而且每个正弦分量通过系统后，是衰减还是增强一目了然。,4,一、周期信号的傅

2、立叶级数展开,1. 周期信号展开为傅立叶级数条件 周期信号fT(t)应满足Dirichlet条件，即： (1) 绝对可积，即满足 (2) 在一个周期内只有有限个不连续点； (3) 在一个周期内只有有限个极大值和极小值。,注意：条件（1） 为充分条件但不是必要条件； 条件（2）（3）是必要条件但不是充分条件。,5,三角形式傅立叶级数,6,2. 指数形式傅立叶级数,连续时间周期信号可以用指数形式傅立叶级数表示为,，其中,两项的基波频率为f0，两项合起来称为信号的基波分量,的基波频率为2f0，两项合起来称为信号的2次谐波分量,的基波频率为Nf0，两项合起来称为信号的N次谐波分量,物理含义：周期信号f

3、(t)可以分解为不同频率虚指数信号之和。,7,例题 试计算图示周期矩形脉冲信号的傅立叶级 数展开式。,解: 该周期信号f (t)显然满足狄里赫勒的三个条件，必然存在傅立叶级数展开式,8,周期方波信号的三角形式傅立叶级数展开式为,因此，周期方波信号的指数形式傅立叶级数展开式为,9,直流,基波,谐波,10,例题,求下图所示周期锯齿波的傅里叶级数展开式。,解：,傅里叶级数展开式：,直流,基波,谐波,11,二、 周期信号的频谱及其特点,周期信号f(t)可以分解为不同频率虚指数信号之和,Cn是频率的函数，它反映了组成信号各正弦谐波的幅度和相位随频率变化的规律，称频谱函数。,不同的时域信号，只是傅里叶级数

4、的系数Cn不同，因此通过研究傅里叶级数的系数来研究信号的特性。,1、频谱的概念,12,2、频谱的表示,直接画出信号各次谐波对应的Cn线状分布图形，这种图形称为信号的频谱图。,幅频特性,相频特性,13,例1 周期矩形脉冲信号的频谱图,14,3频谱的特性,(1)离散频谱特性,周期信号的频谱是由 间隔为0的谱线组成,信号周期T越大，0就越小，则谱线越密。反之，T越小，0越大，谱线则越疏。,15,(2)幅度衰减特性,周期信号的幅度频谱 |Cn|随着谐波nw0增大 时不断衰减，并最终趋于零。,信号时域波形变化越平缓，高次谐波成分就越少，幅度频谱衰减越快；信号时域波形跳变越多，高次谐波成分就越多，幅度频谱

5、衰减越慢。,16,(3)信号的有效带宽,02 / 这段频率范围称为周期矩形脉冲信号的有效频带宽度,即,信号的有效带宽与信号时域的持续时间成反比。,17,0、 f0 ：基波频率,B、 fB ：有效带宽,（4）有效带宽与基波频率,18, 越大，其B越小；反之， 越小，其B越大。,注：B 与信号周期T无关。0 与 无关。 / T：信号时域的持续时间在一个周期中占的比例,T 越大，其0越小；反之，T 越小，其0越大。,19,3. 频谱随参数的变化,结论：当周期变大时有效带宽不变；谱线间距减小，谱线变密；有效谱带内谐波分量增多；谱线振幅减小，变化缓慢。,（1）设f(t)中的A不变，不变，当周期变化时，频

6、谱如何变化？,20,(2)设f(t)中的A不变，周期不变， 当 变化时，频谱如何变化？,结论： 增大时：谱线间距相等；有效带宽减小；有效谱带内谐波分量减少；谱线振幅较大，减小变化急速。,21,物理意义：若信号丢失有效带宽以外的谐波成分， 不会对信号产生明显影响。,说明：当信号通过系统时，信号与系统的有效 带宽必须“匹配”。,22,1.线性特性,2.时移特性,三、傅里叶级数的基本性质,4. 微分特性,5.对称特性,3.卷积性质,23,1. 线性特性,证明：,24,证明：,2. 时移特性,，则,25,3.卷积性质,若 f1(t)和f2(t)均是周期为T的周期信号，且,证明：,26,所以,27,4.

7、 微分特性,证明：,28,若 f(t)为实信号,5. 对称特性,证明：,29,四、周期信号的功率谱,物理意义：任意周期信号的平均功率等于信号所包含的直流、基波以及各次谐波的平均功率之和。,周期信号的功率频谱 |Cn|2 随nw0 分布情况称为周期信号的功率频谱，简称功率谱。,帕什瓦尔(Parseval)功率守恒定理,30,例题4 试求周期矩形脉冲信号在其有效带宽 (02p/t)内谐波分量所具有的平均功率 占整个信号平均功率的百分比。其中: A=1，T=1/4，=1/20。,31,解 周期矩形脉冲的傅立叶系数为,将A=1，T=1/4，=1/20，w0=2p /T=8p 代入上式,功率谱,32,包

8、含在有效带宽(02p/t)内的各谐波平均功率为,=1/20,33,信号的平均功率为,周期矩形脉冲信号包含在有效带宽内的各谐波 平均功率之和占整个信号平均功率的90%。,34,吉伯斯(Gibbs)现象,用有限次谐波分量来近似原信号，在不连续点 出现过冲，过冲峰值不随谐波分量增加而减少， 且 为跳变值的9% 。,吉伯斯现象产生原因,时间信号存在跳变破坏了信号的收敛性，使得 在间断点傅里叶级数出现非一致收敛。,傅里叶级数截断后，对于任意有限项近似，在间断点将收敛于间断点处的平均值。,35,N =5,N =15,36,N=50,N=500,37,周期信号的频域分析小结,分析问题使用的数学工具为傅里叶级

9、数,最重要概念：频谱函数,要点,1. 频谱的定义、物理意义,2. 频谱的特点,3. 频谱的性质，应用性质分析复杂信号的频谱,4. 功率谱的概念及在工程中的应用,38,连续非周期信号的频谱,从傅立叶级数到傅立叶变换 频谱函数与频谱密度函数的区别 傅里叶反变换 非周期矩形脉冲信号的频谱分析,39,1从傅立叶级数到傅立叶变换,讨论周期T增加对离散谱的影响：,周期为T 宽度为t 的周期矩形脉冲的Fourier系数为,40,物理意义: F(jw)是单位频率所具有的信号频谱， 称之为非周期信号的频谱密度函数，简称频谱函数。,41,2. 频谱函数与频谱密度函数的区别,周期信号的频谱为离散频谱，非周期信号的频

10、谱为连续频谱。,周期信号的频谱为Cn的分布，表示每个谐波分量的复振幅；,非周期信号的频谱为T Cn的分布，表示每单位 带宽内所有谐波分量合成的复振幅，即频谱密 度函数。,两者关系：,42,物理意义：非周期信号可以分解为无数个频率为， 复振幅为F()/2pd 的复指数信号ejw t的线性组合。,T , 记nw0=w, w0=2p/T=dw,3. 傅里叶反变换,43,傅立叶正变换：,傅立叶反变换：,符号表示：,44,狄里赫莱条件,狄里赫莱条件是充分不是必要条件,（1）非周期信号在无限区间上绝对可积,（2）在任意有限区间内，信号只有有限个最大值,和最小值。,（3）在任意有限区间内，信号仅有有限个不连

11、续点，,且这些点必须是有限值。,45,例题 试求图示非周期矩形脉冲信号的频谱函数,解 非周期矩形脉冲信号f(t)的时域表示式为,由傅立叶正变换定义式，可得,46,比较：,47,分析：,2. 周期信号的离散频谱可以通过对非周期信号的 连续频谱等间隔取样求得,1. 非周期矩形脉冲信号的频谱是连续频谱，其形状 与周期矩形脉冲信号离散频谱的包络线相似。,48,分析：,3. 信号的频谱分量主要集中在基频到第一个过零点 之间，工程中往往将此宽度作为有效带宽。,4. 脉冲宽度越窄，有效带宽越宽，高频分量越多。 即信号信息量大、传输速度快，传送信号所占用 的频带越宽。,49,常见连续时间信号的频谱,常见非周期

12、信号的频谱(频谱密度) 单边指数信号 、 双边指数信号e-|t| 单位冲激信号(t) 、 直流信号 符号函数信号 、 单位阶跃信号u(t) 常见周期信号的频谱 虚指数信号 正弦型信号单位冲激序列,50,1. 常见非周期信号的频谱,(1) 单边指数信号,幅度频谱为,相位频谱为,51,单边指数信号及其幅度频谱与相位频谱,52,(2) 双边指数信号e-|t|,幅度频谱为,相位频谱为,53,(3) 单位冲激信号(t),单位冲激信号及其频谱,54,(4) 直流信号,直流信号不满足绝对可积条件,可采用极限的方法求出其傅里叶变换。,55,56,对照冲激、直流时频曲线可看出:,时域持续越宽的信号，其频域的频谱

13、越窄；,时域持续越窄的信号，其频域的频谱越宽。,直流信号 及其频谱,冲激信号 及其频谱,57,（5） 符号函数信号,符号函数定义：,58,符号函数的幅度频谱和相位频谱,59,(6) 单位阶跃信号u(t),单位阶跃信号及其频谱,60,2 常见周期信号的频谱,(1) 虚指数信号,同理:,（直流信号频谱）,61,（ 2 ） 正弦型信号,余弦信号及其频谱函数,62,正弦信号及其频谱函数,63,（3）一般周期信号,两边同取傅立叶变换,64,（4）单位冲激序列,因为T(t)为周期信号，先将其展开为指数形式傅立叶级数：,单位脉冲序列：,65,66,单位冲激序列及其频谱函数,67,1. 线性特性 2. 共轭对

14、称特性 3. 对称互易特性 4. 展缩特性 5. 时移特性 6. 频移特性,7. 时域卷积特性 8. 频域卷积特性 9. 时域微分特性 10. 积分特性 11. 频域微分特性 12. 能量定理,傅里叶变换的基本性质,68,1. 线性特性,其中a和b均为常数。,69,2.共轭对称特性,70,71,2 时移特性,式中t0为任意实数,证明：,令x= t-t0，则dx=dt，代入上式可得,信号在时域中的时移，对应频谱在频域中 产生的附加相移，而幅度频谱保持不变。,72,例1试求图示延时矩形脉冲信号f1(t)的频谱F1(jw)。,解 无延时且宽度为的矩形脉冲信号f(t) 如右图，,因为,故，由延时特性可

15、得,其对应的频谱函数为,73,3. 展缩特性,证明:,令x=at，则dx=adt ，代入上式可得,时域压缩，则频域展宽；时域展宽，则频域压缩。,74,75,4.互易对称特性,76,6. 频移特性（调制定理）,若 f(t) F(jw), 则,式中0为任意实数,证明：,由傅立叶变换定义有,77,信号f(t)与余弦信号cosw0 t相乘后，其频谱是将原来信号频谱向左右搬移w0，幅度减半，相位不变。,78,信号f(t)与正弦信号sinw0t相乘后，其频谱是将原来信号频谱向左右搬移w0，幅度减半,且相位滞后90度。,79,例2 试求矩形脉冲信号f(t)与余弦信号cosw0 t相乘后信号的频谱函数。,应用频移特性可得,解 已知宽度为的矩形脉冲信号对应的频谱函数为,80,81,7.时域微分特性,若 f(t) F(jw), 则,82,证明：,两边对 t 微分，可得,故,同理可证,83,例3求矩形脉冲信号的频谱函数。,解,由时域微分特性，有,故,84,8.积分特性,若信号不存在直流分量，即F(0)=0, 则,若 f(t) F(jw), 则,85,9.频域微分特性,若 f(t) F(jw), 则,将上式两边同乘以j得,