信号与系统(第二章)

•LTI系统的框图结构表示主要内容：•信号的时域分解——用表示离散时间信号用表示连续时间信号•LTI系统的时域分析——卷积积分与卷积和•LTI系统的微分方程及差分方程表示•奇异函数()t第2章线性时不变系统引言(Introduction)基本思想：如果能把任意输入信号分解成基本信号的线性组合，那么只要得到了LTI系统对基本信号的响应，就可以利用系统的线性特性，将系统对任意输入信号产生的响应表示成系统对基本信号的响应的线性组合LTI系统特点:齐次性和可加性，具有时不变性信号与系统分析理论与方法的基础问题的实质：1.研究信号的分解：即以什么样的信号作为构成任意信号的基本信号单元，如何用基本信号单元的线性组合来构成任意信号2.如何得到LTI系统对基本单元信号的响应作为基本单元的信号应满足以下要求：1.本身尽可能简单，并且用它的线性组合能够表示（构成）尽可能广泛的其它信号2.LTI系统对这种信号的响应易于求得如果解决了信号分解的问题，即：若有()()iiixtaxt()()iixtyt则()()iiiytayt将信号分解可以在时域进行，也可以在频域或变换域进行，相应地就产生了对LTI系统的时域分析法、频域分析法和变换域分析法分析方法：离散时间信号中,最简单的是,可以由它的线性组合构成，即：2.1离散时间LTI系统：卷积和一.用单位脉冲表示离散时间信号对任何离散时间信号,如果每次从其中取出一个点，就可以将信号拆开来，每次取出的一个点都可以表示为不同加权、不同位置的单位脉冲（Discrete-TimeLTISystems:TheConvolutionSum）于是有：上式把任意一个序列表示成一串移位的单位脉冲序列的线性组合，其中是权因子二.卷积和（Convolutionsum）定义：离散时间LTI系统的单位脉冲响应(impulseresponse)LTI[]n[]hn时不变性齐次性LTI[]n[]nk[]hn[]hnkLTI[][]xknk[][]xkhnk可加性LTI[][]kxknk[][]kxkhnkLTI系统对任何输入信号的响应：上面这种求得系统响应的运算关系称为卷积和（Theconvolutionsum）这表明：一个LTI系统对任意输入的响应都可以由它的单位脉冲响应来表示卷积的意义：单位脉冲响应完全表征LTI系统的特性三.卷积和的计算计算方法：有图解法、列表法、解析法（包括数值解法）解析法求()()kfkauk()()khkbuk例：()fyk()()*()()()fiykfkhkfihki()()ikiiauibuki0,()0;,()0iuiikuki当当1001()(),()[]()[()]()1()(1)(),kkkkikikifiikabbukabaaykabukbukbbbkukab例：求()*()()*()iukukuiuki0()1(1)()kiukkuk()*()ukuk例：求()(4)kaukuk()(4)()(4)kiiaukukaukuki4240(4)(1...)(4)kikiukaaaauk41(4)1kauka10()()()()()()()1()1kkknnkkynxnhnxkhnkukunkun01k()()kxkuk...01nk()()hnkunk例：()()nxnun01()()hnun图解法将一个信号不动，另一个信号经反转后为,再随参变量移位。在每个值的情况下，将与对应点相乘，再把乘积的各点值累加，即得到时刻的可分解为四步，对f(n)=x(n)＊h(n)（1）换元：n换为k→得x(k)，h(k)（2）反转平移：由h(k)反转→h(–k)右移n位→h(n–k)（3）乘积：x(k)h(n–k)（4）求和：k从–∞到∞对乘积项求和注意：n为参变量()xk()hknn()xk()hnkn()yn例2：解：（1）换元：k换为i→得f1(i)，f2(i)（2）反转平移：由f2(i)反转→f2(–i)，再右移k→f2(k–i)（3）乘积：f1(i)f2(k–i)（4）求和：i从–∞到∞对乘积项求和1k0①时，0n②时，所以例3：①时，0n②时，04n③时，46n④时，610n⑤时，10n分析卷积和的过程，可以发现有如下特点：①与的所有各点都要遍乘一次()xn()hn()()kxkhnk②在遍乘后，各点相加时，根据，参与相加的各点都具有与的宗量之和为的特点。()xk()hnkn列表法10211021204200003063102112031()hn()xn(0)x(1)x(2)x(3)x(1)h(0)h(1)h(2)h(3)h(1)y(0)y(1)y(2)y(3)y(4)y(5)y(6)y通过图形帮助确定反转移位信号的区间表示，对于确定卷积和计算的区段及各区段求和的上下限是很有用的。四.卷积和运算的性质1.交换律：结论：一个单位冲激响应是h[n]的LTI系统对输入信号x[n]所产生的响应，与一个单位冲激响应是x[n]的LTI系统对输入信号h[n]所产生的响应相同。2.结合律:•两个LTI系统级联可以等效为一个单一系统，该系统的单位脉冲响应等于两个级联系统的单位脉冲响应的卷积•两个级联的LTI系统总的单位脉冲响应与其中各部分级联的次序无关结论：3.分配律：结论：两个LTI系统并联可以用一个单一的LTI系统来等效，该单个系统的单位脉冲响应等于并联的各个子系统的单位脉冲响应之和4.卷积运算还有如下性质：卷积和满足差分、求和及时移特性：连续时间信号（Continuous-TimeLTISystems:Theconvolutionintegral）一.用冲激信号表示连续时间信号2.2连续时间LTI系统：卷积积分基本信号的线性组合如何分解？用基本脉冲表示任意位置、高度的脉冲()t01t()ft0At1/0()0ttotherwise?()()fttˆ()()()kxtxktk用基本脉冲表示连续时间信号时不变性齐次性LTI[]t[]tk[]ht[]htkLTI[][]xktk[][]xkhtk可加性LTI[][]kxktk[][]kxkhtkˆ()xtˆ()ytˆ,()0ˆ()??xtyt当LTI系统0()lim[][]()()kxtxktkxtd二.卷积积分（Theconvolutionintegral）定义：连续时间LTI系统的单位冲激响应LTI[]t[]ht0()lim[][]()()kytxkhtkxhtd()t01t10()tt0()xt()yt()()()()()ytxhtdxtht表明:连续时间LTI系统可以完全由它的单位冲激响应来表征。()ht——卷积积分三.卷积积分的计算卷积积分的计算：图解法、解析法和数值解法。运算过程：1.参与卷积的两个信号中，一个不动，另一个反转后随参变量移动。2对每一个的值，将和对应相乘3再计算相乘后曲线所包围的面积。注意：确定积分区间和积分上下限tt()x()ht01()x例1:()(),0atxteuta()()htut①当时，0t()0yt②当时，所以：例2:10()0tTxtotherwise02()0ttThtotherwise()()()()()()()ytxthtxhtdxthd02T2T()h()xt01tTt①当时，0t()0yt②当时，0tT201()2tytdt③当时，2TtT21()2ttTytdTtT④当时，23TtT2221()2()2TtTytdTtT⑤当时，3tT()0yt212T232TT3T2T0t()yt四.卷积积分运算的性质1.交换律：结论：一个单位冲激响应是h(t)的LTI系统对输入信号x(t)所产生的响应，与一个单位冲激响应是x(t)的LTI系统对输入信号h(t)所产生的响应相同。2.分配律：结论：两个LTI系统并联，其总的单位冲激响应等于各子系统单位冲激响应之和。3.结合律:•两个LTI系统级联时，系统总的单位冲激响应等于各子系统单位冲激响应的卷积。•由于卷积运算满足交换律，因此，系统级联的先后次序可以调换。结论：4.卷积运算还有如下性质：②若，则()()()xthtyt000()()()()()xtthtxthttytt卷积积分满足微分、积分及时移特性：()()()xthtyt()()()()()[()]()()[()][()]tttxthtxthtytxdhtxthdyd①若，则将微分一次有:()xt()()()xtttT()xttT0(1)(1)()()()[()()]()()()ytxthtttThththtT例如：2.2中的例2根据微分特性有:02T2Tt()ht*0Tt102()0ttThtotherwiseT2TT2T()yt3T2TT0t212T232TT3T2T0t()yt()()tytyd利用积分特性即可得:2.3线性时不变系统的性质1.无记忆性和记忆性：LTI系统可以由它的单位冲激/脉冲响应来表征，因而其特性（记忆性、可逆性、因果性、稳定性）都应在其单位冲激/脉冲响应中有所体现。因此必须有：即：（PropertiesofLinearTime-InvariantSystems）所以，无记忆系统的单位脉冲/冲激响应为：如果LTI系统的单位冲激/脉冲响应不满足上述要求，则系统是记忆的。2.可逆性：如果LTI系统是可逆的，一定存在一个逆系统，且逆系统也是LTI系统，它们级联起来构成一个恒等系统。()xt()xt()ht()gt[][]hnkn因此有：例如：延时器是可逆的LTI系统，，其逆系统是，显然有：0()()httt0()()gttt00()()()()()htgtttttt累加器是可逆的LTI系统，其，其逆系统是，显然也有：3.因果性：对连续时间系统有:这是LTI系统具有因果性的充分必要条件。()0,0htt因此必须有：即：根据稳定性的定义，由，若有界，则;若系统稳定，则要求必有界，由对连续时间系统，相应有:()htdt这是LTI系统稳定的充分必要条件4.稳定性：可知，必须有:5.LTI系统的单位阶跃响应：在工程实际中，也常用单位阶跃响应来描述LTI系统。单位阶跃响应就是系统对或所产生的响应。因此有:()utLTI系统的特性也可以用它的单位阶跃响应来描述。2.4用微分和差分方程描述的因果LTI系统在工程实际中有相当普遍的一类系统，其数学模型可以用线性常系数微分方程或线性常系数差分方程来描述。分析这类LTI系统，就是要求解线性常系数微分方程或差分方程。(CausalLTISystemsDescribedbyDifferentialandDifferenceEquations)回顾：分析动态电路的过渡过程例：求uc根据KVL列出回路方程为：由于电容的VCR为：得到以电容电压为变量的电路方程：解：一阶RC串联电路系统分析：根据KCL、KVL和VCR关系建立电路方程来描述电路系统回顾：一阶微分方程的求解)()()(twtKxdt