信号与系统第一章绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本课的主要参考书,1、教材：信号与系统 郑君里 杨为理 应启珩编,2、信号与系统 Signals&Systems,ALAN V.OPPENHEIM ALANS.WILLSKY,清华大学出版社（英文影印版）,（中译本）刘树棠 西安交通大学出版社,3、信号与系统例题分析及习题,乐正友 杨为理 应启珩编,4、信号与系统习题集,西北工业大学,本课的主要内容,第一章绪论 信号与系统的概念、分类、分析方法,第二章连续时间系统的时域分析,第三章,离散时间系统的时域分析,第四章拉氏变换（S,域分析）,第五章,付里叶变换（频域分析、,相关、能量谱和功率谱（第六章的部分内容,）,第六章Z变换（Z域分析、序列的付里叶变换,）,第七章（付里叶变换应用于通信系统-滤波、调制与抽样）,第八章系统的状态变量分析,第一章 绪 论,人们寻求各种方法，以实现信号的传输。,（1）古代用烽火传送疆警报，这是最原始的光通信系统。,（2）利用击鼓鸣金报送时刻或传达命令，这是最早的声信号的传输。,（3）19世纪初，人们开始研究利用电信号传送消息。1837年莫尔斯（F.B.Morse)发明了电报，采用点、划、空组合的代码表示字母和数字，这种代码称为莫尔斯电码。,1876年贝尔(A.G.Bell)发明了电话，直接将声信号（语音）转变为电信号沿导线传送。,2.信号的传输,（）世纪末，人们研究用电磁波传送无线电信号。赫兹（.Hertz）波波夫、马可尼等作出贡献。1901年马可尼成功地实现了横渡大西洋的无线电通信。,（5）光纤通信,从此，传输电信号的通信方式得到广泛应用和迅速发展。,如今：（）卫星通信技术为基础“全球定位系统（Global Positioning System,缩写为GPS）用无线电信号的传输，测定地球表面和周围空间任意目标的位置，其精度可达数十米之内。,（）个人通信技术：无论任何人在任何时候和任何地方都能够和世界上其他人进行通信。,（）“全球通信网”是信息网络技术的发展必然趋势。目前的综合业务数字网（Integrated Services Digital Network,缩写为ISDN),Internet或称因特网，以及其他各种信息网络技术为全球通信网奠定了基础。,现代通信的通信方式不是任意两点之间信号的直接传输，而是要利用某些集中转接设施组成复杂的信息网络，即经“交换”的功能以实现任意两点之间的传输。,3.信号的交换,对信号进行某种加工或变换。其目的是：削弱信号中的多余内容；滤除混杂的噪声和干扰；或者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。,（1）从月球探测器发来的电视信号可能被淹没在噪声之中，可利用信号处理技术予以增强，在地球上得到清晰的图像。,（2）石油勘探、地震测量以及核试验监测中所得数据的分析都依赖于信号处理技术的应用。,（3）心电图、脑电图分析、语音识别与合成、图像数据压缩、工业生产自动控制以及经济形势预测（股票分析）等各领域广泛应用。,4.信号的处理,它们之间相互密切联系（可认为交换是属于传输的组成部分），又各自形成了相对独立的学科体系。它们共同的理论基础之一是研究信号的基本性能（进行信号分析），包括信号的描述、分解、变换、检测、特征提取以及为适应指定要求而进行信号设计。,5.信号传输、信号交换和信号处理关系,二、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。,通常，利用通信系统、控制系统和计算机系统进行信号的传输、交换与处理。实际上，往往需要将多种系统共同组成一个综合性的复杂整体。如宇宙航行系统。,1.系统的概念,通常，组成通信、控制和计算机系统的主要部件中包括大量的多种类型的电路。称之。,2.电路或电网络或网络,研究系统所关心的问题是：对于给定信号形式与传输、处理的要求，系统能否与其相匹配，它应具有怎样的功能和特性。,3.系统的研究内容,离开了信号，电路与系统将失去意义。,信号作为待传输消息的表现形式，可以看作运载消息的工具。,电路或系统则是为传送信号或对信号进行加工处理而构成的某种组合。,研究电路问题着眼在于：为实现系统功能与特性应具有怎样的结构和参数。,有时认为系统是比电路更复杂、规模更大的组合体。,确切地说：系统与电路二词的主要差异在于：观察事物的着眼点或处理问题的角度方面。系统问题注意全局，而电路问题则关心局部。,4.信号、电路（网络）与系统的关系,在电路分析中，注意研究其各支路、回路的电流或电压；而从系统的观点来看，可以研究它如何构成具有微分或积分功能的运算器。,由于大规模集成化技术的发展，系统、网络、电路及器件这些名词划分发生了困难，它们互相渗透，需要统一分析、研究和处理。在本书中三个名词通用。,系统可分为,物理系统,与,非物理系统,，,人工系统,以及,自然系统,。,物理系统：包括通信系统、电力系统、机械系统等；,非物理系统：政治结构、经济组织、生产管理等；,人工系统：计算机网、交通运输网、水利灌溉网以及交响乐队等；,自然系统：小至原子核，大如太阳系，可以是无生命的，也可是有生命的（如动物的神经网络）。,5.系统的分类,在,系统或网络理论研究中，进行,系统分析,与,系统综合,（网络分析与网络综合）两方面。,系统分析,：研究在给定系统的条件下，系统对于输入激励信号所产生的输出响应。,系统综合,：按某种需要先提出对于给定激励的响应，而后根据此要求设计（综合）系统。,分析与综合二者关系密切，但又有各自的体系和研究方法，一般讲，学习分析是学习综合的基础。,本书讨论范围：着重系统分析，以通信系统和控制系统的基本问题为主要背景，研究信号经系统传输或处理的一般规律；着重基本概念和基本分析方法。,6.系统的研究问题方法,第二节信号的描述、分类和典型示例,1.信号的描述,信号一般可表示为一个或多个变量的函数。即描述信号的基本方法是写出它的数学表达式。所以通常把信号与函数两名词通用。,2.信号的分类,确定信号，周期信号,确定信号，非周期信号,（1）,（2）,本课程着重讨论确定信号（周期与非周期）分析。,（3）,连续信号,离散信号,信号可以表示为一个或多个变量的函数。,语音信号可表示为声压随时间变化的函数，这是,一维信号,。,一张黑白图像每个点（像素）具有不同的光强度，任一点又是二维平面坐标中两个变量的函数，这是,二维信号,。,实际上，还可能出现更多维数变量的信号。如电磁波在三维空间传播，如再考虑时间变量就构成,四维信号。,还可将信号分为,能量受限信号,与,功率受限信号,；,调制信号,、,载波信号,和,已调信号,等。,（4）一维信号与多维信号,3.典型的连续时间信号,信号将随时间而增长,信号将随时间而衰减；,信号不随时间而变化，为直流信号,指数信号的时间常数，,越大，指数信号增长或衰减的速率越慢。,（对时间的微、积分仍是同频率正弦）,K为振幅,w为角频率,为初相角,正弦信号是周期信号，其周期T与角频率w 和频率f满足下列关系式：,（2）正弦信号：,衰减的正弦信号,实部、虚部都为正（余）弦信号，指数因子实部表征实部与虚部的正、余弦信号的振幅随时间变化的情况，表示信号随角频率变化的情况。,-,p,0,p,t,Sa(t)具有以下性质：,与Sa(t)函数类似的有sinc(t)函数：,此时t与Sa(t)中差一,，两符号通用。,（高斯函数）,0,t,f(t),E,0,.,7,8,E,钟形信号在随机信号分析中占有重要地位。,作业一,P37，1-1，1-2，1-3,第三节连续时间信号的运算,信号的运算分类,在信号的传输与处理过程中需要进行信号的运算，它可分为：,1.信号的相加,2.信号的相乘,3.信号的反褶（折）,4.信号的移位,5.信号的尺度变换（压缩与扩展）（倍乘）,6.信号的微分,7.信号的积分,1.两信号的相加,例子：,0,t,f,5,(,t,),1,0,t,f,6,(,t,),1,t,-,1,f,7,(,t,),1,2.两信号的相乘,0,t,f,5,(,t,),1,0,t,f,6,(,t,),1,t,-,1,f,8,(,t,),1,例子：,时间轴反转,3.信号的反折,左移:,在雷达、声纳以及地震信号检测等问题中容易找到信号移位现象的实例。如在通信系统中，长距离传输电话信号中，可能听到回波，这是幅度衰减的话音延时信号。,4.信号的移位,例子：,压缩，此磁带以二倍速度加快播放的结果。,问题：,？,5.信号的尺度变换,例子,已知信号f(t)的波形如图，求f(-2t+1)的波形。,解：图形变换的过程为：,先反折、尺度变换、时移,。,（1）反折,（2）尺度变换,（3）时移,作业,P38 1-4，1-5，1-6,6.信号的微分,若f(t)是一幅黑白图像信号，那么经微分运算后将其图形的边缘轮廓突出。,微分运算,例子：,7.信号的积分,信号经积分运算后其效果与微分相反，信号的突变部分可变得平滑，利用这一作用可削弱信号中混入的毛刺（噪声）的影响。,例子：,积分运算,第四节阶跃信号与冲激信号,奇异信号（奇异函数）,信号与系统分析中，常遇到函数本身有不连续点（跳变点）或其导数与积分有不连续点的情况，这类函数称为奇异函数或奇异信号。,通常将实际信号按某种条件理想化，即可运用理想模型进行分析。,奇异信号分类：,（1）斜变信号,（2）阶跃信号（最重要）,（3）冲激信号（最重要）,（4）冲激偶信号,1.斜变信号,斜变信号也称斜升信号。,它是从某一时刻开始随时间正比例增长的信号。,如果增长的变化率是1，就称为单位斜变信号。,如果将起始点移至t,0,则可写成,(1)单位斜变信号,(2)截平的斜变信号,在时间,以后斜变波形被切平，如图所示信号波形。,(3)三角形脉冲信号,三角形脉冲信号也可用斜变信号表示。,2.单位阶跃信号,单位阶跃信号的波形如图所示，通常以符号u(t)表示。,在跳变点,t=0,处，函数值未定义，或在,t=0,处规定函数值,单位阶跃函数,的物理背景：在t=0(或t,0,)时刻对某一电路接入单位电源（直流电压源或直流电流源），并且无限持续下去。,例子：,单位阶跃信号,延时的单位阶跃信号,(1)单位阶跃信号,(2)矩形脉冲信号,矩形脉冲信号可用阶跃及其延时信号之差表示。,下标T表示矩形脉冲出现在0到T时刻之间。,如果矩形脉冲对于纵坐标左右对称，则可用,G,T,(t),表示。,下标T表示其矩形脉冲宽度。,()描述各种信号的接入的接入特性,阶跃信号鲜明地表现信号的单边特性。即信号在某接入时刻t,0,以前的幅度为零。,例子：,()符号函数（signum),简写作sgn(t),可用阶跃信号表示。,与阶跃函数类似，对于符号函数在跳变点也可不予定义，或规定sgn(0)=0.,显然，阶跃信号来表示符号函数,某些物理现象需要用一个时间极短，但取值极大的函数模型来描述。,例如：力学中瞬间作用的冲击力，电学中的雷击电闪，数字通信中的抽样脉冲等等。,冲激函数可有不同的定义方式：,（）由矩形脉冲演变为冲激函数。,（）由三角形脉冲演变为冲激函数。,（）还可利用指数函数、钟形函数、抽样函数、,狄拉克(Dirac,)函数等,单位冲激函数：记作,(t),又称为“函数”。,.单位冲激信号,冲激函数的表示：用箭头表示。表明，,(t)只在t=0点有一“冲激”，在t=0点以外各处，函数值都是零。,宽度为,，高为1/的矩形脉冲，当保持矩形脉冲面积不变，而使脉宽趋近于零时，脉冲幅度1/必趋于无穷大，此极限情况即为单位冲激函数。,（）矩形脉冲演变为冲激函数,一组底宽为,，高为1/的三角形脉冲，若保持其面积不变，而使趋近于零时，幅度1/必趋于无穷大，此极限情况即为单位冲激函数。,（）三角形脉冲演变为冲激函数,（）双边指数脉冲演变为冲激函数,（）钟形脉冲演变为冲激函数,（）Sa(t)信号（抽样信号）演变为冲激函数,K越大，函数的振幅越大，且离开原点时函数振荡越快，衰减越迅速。曲线下的净面积保持。当k,时，得到冲激函数。,（）狄拉克（Dirac)给出,函数定义,也称,函数,为,狄拉克(Dirac,)函数,。,描述在任一点t=t,0,处出现的冲激，可定义,(t-t,0,)函数：,（）,函数性质,单位冲激信号,(t)与一个在t=0点连续（且处处有界）的信号f(t)相乘,，则其乘积仅在t=0处得到f(0),(t),其余各点之乘积均为零。,对于延迟,t,0,的单位冲激信号有,（a)抽样特性（筛选特性）,证毕,。,证明：,（b),(t)是,偶函数,可知：,（c)冲激函数的积分是阶跃函数,反之：阶跃函数的微分应等冲激函数,积分,微分,证明：,（d)冲激函数的尺度变换,（e),(t),冲激函数的复合函数的性质（见书77页）,例子：化简,解：,有二个实根，分别位于t1=-a和t2=a,则有,电流ic(t)为：,例子,从物理方面理解,函数的意义。电路图如下：,电压源v,c,(t)接向电容元件，假定v,c,(t)是斜变信号。,如果0的极限情况，则v,c,(t)成为阶跃信号，它的微分电流i,c,(t)是冲激函数其表达式为,：,0,0,结论,若要在无限短时间内使电容两端建立一定的电压，,那么必须在无限短时间内提供足够的电荷，,所以，需要一个冲激电流，或者说，由于冲激电流的出现，允许电容两端电压跳变,。,根据网络对偶理论，可将此应用于理想电感模型。,由于冲激电压的出现，允许电感电流跳变。,冲激函数的微分（阶跃函数的二阶导数）：将呈现正、负极性的一对冲激，称为冲激偶信号，以,(,t),表示。,4.冲激偶信号,现以三角形脉冲系列为例，波形如下：三角形脉冲s(t)其底宽为2,，高度为1/，当0时，,s(t)成为单位冲激函数,(t)。,（1）冲激偶信号推导,利用规则函数系列取极限的概念引出,(,t)。,求导,求导,0的极限,0的极限,证明：,（2）冲激偶信号性质1,对于延迟,t,0,的冲激偶,(,t-t,0,),同样有,此处,f,(t),在0点连续，,f(0),为,f(t),导数在零点的取值,。,（3）冲激偶信号性质2（见书79页）,普通函数f(t)与冲激偶,相乘,普通函数f(t)与冲激偶,相,卷积,（4）冲激偶信号性质3,冲激偶,信号的另一个性质是：,它所包含的面积等于零。,这是因为正、负两个冲激的面积相互抵消了。,（5）冲激偶信号性质4（见书79页）,冲激偶,的时间尺度变换,举例1.1,如图所示波形,f(t)，,求,y(t)=,df,(t)/,dt,解：,求导,举例,1.2,解1：,解2：,作业,P38,1-7,1-8,1-9,1-10,1-11,1-12,1-13,1-14,1-15,1-16,第五节,信号的分解,信号的分解,研究信号的传输与信号处理的问题，需要将一些信号分解为比较简单的（基本的）信号分量之和。,犹如：力学中将任一方向的力分解为几个分力一样。,信号,从不同角度,分解,；,直流分量与交流分量,偶分量与奇分量,脉冲分量,实部分量与虚部分量,正交函数分量,利用分形理论描述信号,1.直流分量与交流分量,f,A,(t),其中,f,D,为直流分量,即信号的平均值；,为交流分量,即去掉信号的平均值。,直流分量f,D,与交流分量f,A,(t):,-,1,0,1,t,-,1,1,如：时间函数f(t)为电流信号，则时间间隔T内流过单位电阻所产生的平均功率等于：,直流功率,交流功率,信号的功率,=直流功率+交流功率,-,1,0,1,t,-,1,f,(,t,),1,-,1,0,1,t,-,1,1,-,1,0,1,t,-,1,1,信号的平均功率=偶分量功率+奇分量功率,2.偶分量与奇分量,偶分量与奇分量：,一个信号可近似分解为许多脉冲分量之和。,（1）一种分解为矩形窄脉冲分量：,3.脉冲分量,0,（2）另一分解为阶跃信号分量之叠加。（不做介绍）,4.实部分量与虚部分量,对于瞬时值为复数的信号f(t)可分解为实、虚部两个部分之和。,它的共轭复函数为：,其实部为：,其复数信号的模为：,虽然实际信号都为实信号，但它常用于表示正、余弦信号，在通信系统、网络理论、数字信号处理等方面，复信号的应用日益广泛。,其虚部为：,5.正交函数分量,用正交函数集来表示一个信号，组成信号的各分量就是相互正交的。,即：正交函数分量：,由正交函数集表示,6.利用分形理论描述信号,分形（,fractal),几何理论：简称分形理论或分数维理论。,分形理论创始人：,B.B.Mandelbrot,在,20世纪80年代中期提出。,分形概念：是部分与整体有相似性的体系，是一类“组成部分与整体相似的形态”。,Sierpinski三角形集合,（1）是简单空间中出现的复杂几何体，它具有任意小尺度下的细节，或说有精细的结构。,（2）它不能用传统的几何语言描述，不是满足某些约束点集的轨迹，也不是某些简单方程的解集。,（3）分形集可以具有形态、功能、信息等方面自相似性。它可以是严格确定的，也可以是统计意义上的。,（4）分形问题大多可由不复杂的方法定义、通过迭代、变换产生。,分形结构特点：,自然界中的许多事物都表现出局部与整体具有自相似性的分形特征：,（2）山地的轮廓,（3）海岸线的分布,（4）流体的湍流,自然界中事物的分形特征：,（1）云彩的边界,（5）粒子的布朗运动轨道,（6）生物的形态,分形几何被称为更接近大自然的数学。,分形理论广泛应用于生物学、化学、物理学、天文学、地球物理学、材料科学、经济学以及语言和情报学等领域。,（1）图像数据压缩,（2）语音合成,分形理论的应用,在信号传输与信号处理领域应用分形技术的实例：,（3）地震信号或石油探井信号分析,（5）通信网业务流量描述,其共同特点是有一定的相似性，借助分形理论可提取信号特征，并利用一定的数学迭代方法简化信号的描述，或自动生成某些具有自相似特征的信号。分形理论具有独特风格和进一步应用的潜力。,（4）声纳或雷达信号检测,作业,P40，1-17，1-18,第六节,系统模型及其分类,一、建模,科学的每一分支都要建立一套自己的“模型”理论。在此模型基础上运用数学工具进行研究。,建模工作仅是进行系统分析的第一步。,所谓,模型,：是系统物理特性的数学抽象，以数学表达式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统特性。,系统建模需要一定条件。对于同一物理系统，在不同条件下，可得到不同形式的近似的数学模型。,从另一方面讲，对于不同物理系统，经过抽象和近似，有可能得到形式上完全相同的数学模型。即，同一数学模型可以描述物理外貌截然不同的系统。,系统分析中，同样需要建立系统的模型。它可分为,数学模型和框图模型。,二、系统分析的数学模型,对于复杂的系统，根据其数学模型分为两大类：,具体可分为：,（1）连续时间系统与离散时间系统,（2）即时系统与动态系统,（3）集总参数系统与分布参数系统,（4）线性系统与非线性系统,（5）时变系统与时不变系统,（6）可逆系统与不可逆系统,（8）稳定系统与非稳定系统,（7）因果系统与非因果系统,连续时间系统：若系统的输入和输出都是连续时间信号，且其内部也未转换为离散时间信号，则称之。,（1）连续时间系统与离散时间系统,如：,RLC,电路为连续时间系统。而数字计算机为一典型离散时间系统。实际上离散时间系统经常与连续时间系统组合，称为混合系统。,连续时间系统的数学模型是微分方程，而离散时间系统则用差分方程描述。,例子,R、L、C,串联回路，若激励信号是电压源,e(t)，,求解电流,i(t)。,解：建立数学模型：,为独立条件,即时系统,：如果系统的输出信号只决定于同时刻的激励信号，与它过去的工作状态（历史）无关，则称之。,（2）即时系统与动态系统,动态系统,；如果系统的输出信号不仅取决于同时刻的激励信号，而且与它过去的工作状态有关，称之。,例子：,只由电阻元件组成的系统就是即时系统。,凡是包含有记忆作用的元件（如电容、电感、磁芯等）或记忆电路（如寄存器）的系统属动态系统。,即时系统用代数方程描述。动态系统用微分方程或差分方程描述。,（3）集总参数系统与分布参数系统,集,总参数系统：只由集总参数元件组成的系统称之。,分布参数系统：含有分布参数元件的系统称之。,集,总参数系统用常微分方程描述，分布参数系统用偏微分方程描述。,这时描述系统的独立变量不仅是时间变量，还要考虑空间位置。,例子,含,传输线、波导等分布参数的系统为分布参数系统。,（4）线性系统与非线性系统,线性系统：具有叠加性与均匀性（也称齐次性，,homogeneity),的系统称之。,叠加性：指当几个激励信号同时作用于系统时，总的输出响应等于每个激励单独作用所产生的响应之和。,均匀性：当输入信号乘以某常数时，响应也倍乘相同的常数。,非线性系统：不具有叠加性与均匀性的系统称之。,（5）时变系统与时不变系统,时变系统：如果系统的参数随时间而变化，则称之,时不变系统：如果系统的参数不随时间而变化，则称之。（或非时变系统，定常系统）,在系统分析中，常遇到线性时不变系统、线性时变系统、非线性时不变系统、非线性时变系统。,例子,R、L、C,都是线性时不变元件，组成一个线性时不变系统，其数学模型为常系数微分方程。,（6）可逆系统与不可逆系统,可逆系统：若系统在不同的激励信号作用下产生不同的响应，则称之。,对于每个可逆系统都存在一个“逆系统”，当原系统与此逆系统联组合后，输出信号与输入信号相同。,例子：输出r,1,(t)与输入e,1,(t)具有如下约束的系统是,可逆,的：,r,1,(t)=5e,1,(t),此可逆系统输出r,2,(t)与输入e,1,(t)满足如下关系：,r,2,(t)=e,1,(t)/5,不可逆,系统：,r,3,(t)=e,2,3,(t)，,无法根据输出,r,3,(t),决定输入,e,3,(t),的,正、负号。即不同激励信号产生了相同的响应，因而是不可逆的。,此,概念在信号传输与处理技术中应用广泛。如传输信号中对信号的编、解码需要可逆的，对信号加密、解密需可逆的。,三、系统条件,初始条件：系统原来的储能情况。即先前激励（或扰动）作用的后果。,为了求得给定激励条件下系统的响应，还应当知道激励接入瞬时系统内部的,能量储存,情况。（即初始条件、起始条件）,起始条件：系统激励接入瞬时系统的状态。,四、系统的框图模型,每个方框图反映某种数学运算功能，给出该方框图输出与输入信号的约束条件，若干个方框图组成一个完整的系统。,借助方框图（,block diagram),表示系统模型。,例子：,对于线性微分方程描述的系统，它的基本单元是相加、倍乘（标量乘法运算）和积分（或微分）。,相加,a,a,倍乘,积分,举例,1.3,已知高阶微积分方程，求出系统的输入输出系统框图。,解：,第七节,线性时不变系统,LTI系统的特性,在确定性输入信号作用下的集总参数线性时不变系统（,Linear time-invariant,缩写为,LTI,系统。,本章着重讨论：LTI系统,其基本特性：,（1）叠加性与均匀性,（2）时不变特性,（3）微分特性,（4）因果特性,1、叠加性与均匀性,若起始状态非零，必须将外加激励信号与起始状态的作用分别处理才能满足叠加性与均匀性。,给定系统,分别代表两对激励与响应,系统,系统,合并,系统,由,常系数线性微分方程,描述,LTI,系统。,如果起始状态为零，则系统满足叠加性与均匀性。,2、时不变特性,此特性表明：当激励延迟一段时间,t,0,时，其输出响应也同样延迟,t,0,时间，波形形状不变。,系统,对于时不变系统，若激励为,产生响应,当激励为,产生响应,系统,延迟,系统,系统,3、微分特性,系统,对于时不变系统满足微分特性，若激励为,产生响应,当激励为,产生响应,系统,系统,系统,4、因果性,因果系统：是指系统在,t,0,时刻的响应只与,t=t,0,和,tt,0,时刻输入有关，否则，即为非因果系统。,此为,因果系统,。,例子：,系统模型若为；,因果性（,Causality)：,激励是产生响应的原因，响应是激励引起的后果。,系统模型若为；,此为,非因果系统,。,常把,t=0,接入系统的信号（在,t0,时函数值为零）称为,因果信号,。,在因果信号的激励下，,响应,也为,因果信号,。,由电阻器、电感线圈、电容器构成的实际物理系统都是,因果系统。,利用后一时刻的输入来决定前一时刻的输出（如信号的压缩、扩展、求统计平均值等），构成的,非因果系统。,信号自变量不是时间（如静止图像），研究系统因果性就不重要。,作业,P40，1-19，1-20，1-21，1-22，1-23,第八节,系统分析方法,一、LTI系统分析重要意义,在系统分析中,LTI,系统的分析具有重要意义。因为实际应用经常遇到,LTI,系统。,且一些非线性系统或时变系统在限定范围与指定条件下，遵从,线性时不变特性,的规律；,另一方面，,LTI,系统的分析方法已经形成了完整的、严密的体系，日趋完善和成熟。,二、LTI系统分析方法,在建模方面，从,系统的数学描述方法,可分为两大类：,1.输入输出描述法；,2.状态变量描述法,从,系统数学模型的求解方法,来讲，可分为：,1.时域法（时间域方法）,2.变换域法（频域、拉氏域、Z域）,1.输入输出描述法,输入输出描述法着眼于系统激励与响应之间的关系，并不关心系统内部变量的情况。,对于在通信系统中大量遇到的,单输入,单输出,系统，应用这种方法较方便。,2.状态变量描述法,状态变量描述法：其不仅可以给出系统的响应，还可提供系统内部各变量的情况，也便于,多输入多输出,系统的分析。,在,近代控制系统的理论研究中，广泛采用状态变量方法。,3.时间域方法,时间域方法：直接分析时间变量的函数，研究系统的时间响应特性，或称时域特性。,在,信号与系统研究的发展过程中，曾一度认为时域方法运算烦琐、不够方便，随着计算技术与各种算法工具的出现，时域分析又重新受到重视。,时域法的,优点：物理概念清楚。,时域法,分析法有：经典法、算子法、卷积法、及借助计算机利用数值方法求解微分方程（如欧拉（,Euler,),法、龙格库塔（,Runge,-,Kutta,),法等。其中卷积法最受重视。,4.变换域方法,变换域方法：将信号与系统模型的时间变量函数变换成相应变换的某种变量函数。,拉普拉斯变换（,LT）,与,Z,变换（,ZT）,注重研究极点与零点分析，利用,S,域或,Z,域的特性解释现象和说明问题。,例如：付,里叶,变换（,FT）,以频率为独立变量，以频域特性为主要研究对象；,目前，在离散系统分析中，正交变换的内容日益丰富，如离散付里叶变换（,DFT）、,离散沃尔什变换（,DWT）,等。,变换域方法优点：可以将时域分析中的微分、积分运算转化为代数运算，或将卷积积分变换为乘法。,变换域方法方便之处：如可根据信号所占有频带与系统通带间的适应关系来分析信号传输问题往往比时域法简便和直观。,5.本书的讲授的顺序,对,LTI,系统进行研究，以叠加性、均匀性和时不变特性作为分析一切问题的基础。,即按先输入输出描述法，后状态变量描述法；先连续后离散；先时域后变换域的顺序，研究,LTI,系统，并结合通信系统与控制系统的一般问题，初步介绍这些方法在信号传输与处理方面的简单应用。,近年来，在信号传输与处理研究领域中，利用人工神经网络、模糊集理论、遗传算法、混沌理论以及它们的相互结合解决线性时不变系统模型难以描述的许多实际问题。这些方法的原理与处理问题方法与本课程的基本内容有着本质的联系与区别，本书所讲的内容都是最基本的。,把,激励信号分解为某种基本单元，在这些单元信号分别作用的条件下求解系统的响应，然后叠加。,变换域方法是求解数学模型的有力工具，而且具有明确的物理意义，在这种物理解释下，时间域方法与变换域方法得到了统一。,复习,本章主要讲授的内容有：,1、,信号概念,2、系统概念,3、信号的描述、分类,4、信号的运算,5、奇异信号,6、信号的分解,7、系统模型及分类,8、线性时不变系统,9、系统的分析方法,信号概念,信息通过信号表现，信号蕴含着信息的具体内容。,研究信号的基本性能（进行信号分析），包括信号的描述、分解、变换、检测、特征提取以及为适应指定要求而进行信号设计。,系统概念,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。,研究系统的问题是：对于给定信号形式与传输、处理的要求，系统能否与其相匹配，它应具有怎样的功能和特性。,信号的描述、分类,信号的描述可分为：时间的函数（时域）、频率的函数（频域）及信号的波形（时域波形、频域波形)。,信号的分类：确定信号与随机信号、周期信号与非周期信号、连续时间信号与离散时间信号、一维信号与多维信号。,典型连续时间信号表达式和波形（会写、会画）：,指数信号、正弦信号、复指数信号、抽样信号,Sa(t)、,sinc,(t)、,钟形信号（高斯信号）。,信号的运算,信号的相加、,信号的相乘、,信号的反褶（折）、,信号的移位、,信号的尺度变换（压缩与扩展）（倍乘）、,信号的微分、,信号的积分,图形变换的过程为：先反折、尺度变换、时移,奇异信号,单位斜变信号、,单位阶跃信号,u(t)、,单位冲激信号,(,t),、,冲激偶信号,(,t),信号的分解,直流与交流分量、,偶分量与奇分量,、,脉冲分量,、,实,部分量与虚部分量、,正交函数分量、,利用分形理论描述信号,系统模型及其分类,数学模型：用数学表达式描述系统的模型、,框图模型：用方框图表示系统模型、,系统分类：,连续时间系统与离散时间系统、,集总参数系统与分布参数系统、,线性系统与非线性系统,时变系统与时不变系统,可逆系统与不可逆系统,线性时不变系统,在确定性输入信号作用下的集总参数线性时不变系统（,Linear time-invariant,缩写为,LTI,系统。,其基本特性：,（1）叠加性与均匀性,（2）时不变特性,（3）微分特性,（4）因果特性,系统分析方法,在建模方面，从,系统的数学描述方法,可分为两大类：,1.输入输出描述法；,2.状态变量描述法,从,系统数学模型的求解方法,来讲，可分为：,1.时域法（时间域方法）,2.变换域法（频域、拉氏域、Z域）,