chapter1信號(hào)與系統(tǒng)學(xué)習(xí)課件.ppsVIP

信號(hào)與系統(tǒng),物理與電子工程系 高珊 Cell:Email: ,2019/9/15,,2,信號(hào)與系統(tǒng)課程大綱,第一章 緒論 第二章 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析 第三章 傅里葉變換 第四章 拉普拉斯變換、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的s域分析 第五章 傅里葉變換應(yīng)用于通信系統(tǒng) 第六章 信號(hào)的矢量空間分析,2019/9/15,,3,第一章 緒論,Content 信號(hào)的概念與分類(lèi) 系統(tǒng)的概念，分類(lèi)與基本連接形式 線性系統(tǒng)的特性 系統(tǒng)的時(shí)不變性與因果性質(zhì) 典型信號(hào)（第三章 傅里葉變換中講解） 階躍信號(hào)與沖激信號(hào)（第二章，沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)中講解）,2019/9/15,,4,信號(hào)與系統(tǒng),信息時(shí)代的特征 用信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的理論和手段來(lái)解決科學(xué)、工程和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題 信號(hào)與系統(tǒng)要解決的問(wèn)題 什么是信號(hào)？ 信號(hào)是消息的表現(xiàn)形式，消息則是信號(hào)的具體內(nèi)容。 什么是系統(tǒng)？ 系統(tǒng)是由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。 信號(hào)作用于系統(tǒng)產(chǎn)生什么響應(yīng)？,2019/9/15,,5,信號(hào)與系統(tǒng),信號(hào)與系統(tǒng)問(wèn)題無(wú)處不在 通訊 古老通訊方式：烽火、旗語(yǔ)、信號(hào)燈 近代通訊方式：電報(bào)、電話、無(wú)線通訊 現(xiàn)代通訊方式：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、視頻電視傳播、衛(wèi)星傳輸、移動(dòng)通訊 信息科學(xué)已滲透到所有現(xiàn)代自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域 工業(yè)監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量分析、資源遙感、地震預(yù)報(bào)、人工智能、高效農(nóng)業(yè)、交通監(jiān)控 宇宙探測(cè)、軍事偵察、武器技術(shù)、安全報(bào)警、指揮系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)、財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)、市場(chǎng)信息 、股市分析 電子出版、新聞傳媒、影視制作 遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程會(huì)議、虛擬儀器、虛擬手術(shù),2019/9/15,,6,故障診斷電動(dòng)機(jī)鼠籠斷條,鼠籠斷裂,電機(jī)轉(zhuǎn)子 的鼠籠,45 49 50 f 滑差電流,電動(dòng)機(jī),頻譜分析,泄露,2019/9/15,,7,生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理應(yīng)用舉例,濾波以前干擾嚴(yán)重,濾波以后干擾祛除,2019/9/15,,8,信號(hào)的概念,信號(hào)的概念 信號(hào)：傳送各種消息(massage)的工具。 消息：通過(guò)各種方式傳遞的聲音，文字，圖像，符號(hào)等 信息：通過(guò)各種消息的傳遞，使收信者獲取各種不同的信息（information）。 信號(hào)特性： 時(shí)間特性：出現(xiàn)時(shí)間的先后、持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短、重復(fù)周期的大小、隨時(shí)間變化的快慢等。時(shí)域法信號(hào)分析 頻率特性：頻率分量的組成、主要頻率分量占有的范圍。 頻域法 信號(hào)的數(shù)學(xué)描述表達(dá)式,周期= 2* pi； 相位= 0.5； 幅度= A,2019/9/15,,9,對(duì)阻尼振蕩的數(shù)學(xué)描述,2019/9/15,,10,一段鳥(niǎo)鳴的聲音的時(shí)域波形,2019/9/15,,11,鳥(niǎo)鳴在不同頻率時(shí)的幅度分布頻譜,2019/9/15,,12,鳥(niǎo)鳴聲的時(shí)頻譜陣圖,2019/9/15,,13,信號(hào)分類(lèi),確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào) 信號(hào)隨時(shí)間的變化服從某種確定規(guī)律，能用確定數(shù)學(xué)函數(shù)表示，如正弦信號(hào) 信號(hào)的取值在不同時(shí)刻隨機(jī)變化，沒(méi)有變化規(guī)律，如噪聲 連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào) 自變量連續(xù)可變,除若干個(gè)不連續(xù)點(diǎn)外，其它時(shí)刻都有定義 自變量取一組離散值,僅在離散時(shí)刻有定義 周期信號(hào)和非周期信號(hào) 周期信號(hào)：每隔一定時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)且無(wú)始無(wú)終 非周期信號(hào)可看作周期趨于無(wú)窮大時(shí)的周期信號(hào),2019/9/15,,14,信號(hào)分類(lèi)(cont.),能量信號(hào)與功率信號(hào)及非能量非功率信號(hào) 信號(hào)的能量與平均功率的定義 設(shè)信號(hào)電壓或電流為(t),它在1歐姆電阻上的瞬時(shí)功率為|(t)|2, 在時(shí)間區(qū)間(-T,T)內(nèi)消耗的總能量為： 平均功率為： 能量信號(hào)：信號(hào)的能量有界，即 功率信號(hào)：信號(hào)的功率有界，即 非功率非能量信號(hào),2019/9/15,,15,信號(hào)分類(lèi)(cont.),一般地，周期信號(hào)是功率信號(hào)，屬于能量信號(hào)的非周期信號(hào)稱為脈沖信號(hào)，它在有限時(shí)間范圍內(nèi)有一定的數(shù)值，而當(dāng) 時(shí)，數(shù)值為零，屬于功率信號(hào)的非周期信號(hào)是當(dāng) 時(shí)仍然為有限值的一類(lèi)信號(hào)。 例：如圖所示信號(hào)，判斷其是否為功率信號(hào)或能量信號(hào) 解：對(duì)信號(hào)f1(t) 有 該信號(hào)為能量信號(hào),t,0,t,0,2019/9/15,,16,信號(hào)分類(lèi)(cont.),對(duì)信號(hào) f2(t) 有 該信號(hào)為非能量非功率信號(hào),2019/9/15,,17,信號(hào)的相加與相乘 兩個(gè)信號(hào)相加與相乘，將它們?cè)谕凰查g的值相加或相乘。如:,信號(hào)的運(yùn)算,2019/9/15,,18,圖解法,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),2019/9/15,,19,公式法,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),2019/9/15,,20,例子：,2019/9/15,,21,兩信號(hào)的相乘,例子：,2019/9/15,,22,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),信號(hào)的導(dǎo)數(shù)與積分 信號(hào)的導(dǎo)數(shù) 波形上是求信號(hào)各點(diǎn)隨時(shí)間的變化率，在不連續(xù)點(diǎn)處， 或 可能出現(xiàn)沖激 信號(hào)的積分 波形上是求從-到任一瞬間t， 與時(shí)間軸所包圍的面積。,2019/9/15,,23,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),信號(hào)的時(shí)移,即 左移,2019/9/15,,24,信號(hào)的折疊(沿縱軸）,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),2019/9/15,,25,既折疊又時(shí)移,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),2019/9/15,,26,既折疊又時(shí)移,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),2019/9/15,,27,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),2019/9/15,,28,信號(hào)的運(yùn)算(cont.),信號(hào)的尺度變換,信號(hào)所有運(yùn)算都是對(duì) t 而言。,2019/9/15,,29,信號(hào)的分解,直流分量與交流分量 信號(hào)平均值即信號(hào)的直流分量，原信號(hào)中除了直流分量的部分稱為交流分量，原信號(hào)為上述兩信號(hào)的疊加 偶分量與奇分量 圖136 脈沖分量 信號(hào)可以近似分解為多脈沖分量之和，見(jiàn)圖137 矩形窄脈沖分量 階躍信號(hào)分量 實(shí)/虛部分量 瞬時(shí)值為復(fù)數(shù)的信號(hào)可以分解為實(shí)虛兩部分之和，公式164 正交函數(shù)分量 信號(hào)可以用一個(gè)正交函數(shù)集來(lái)表示，如正弦和余弦信號(hào)就是一對(duì)正交函數(shù),2019/9/15,,30,系統(tǒng)的概念,系統(tǒng)(system) 由若干相互聯(lián)系、相互作用的單元組成的具有一定功能的有機(jī)整體。 系統(tǒng)的分類(lèi) 根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出的個(gè)數(shù) 單輸入-單輸出系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入輸出都為一個(gè) 多輸入-多輸出系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入輸出都為多個(gè) 根據(jù)系統(tǒng)處理的信號(hào)的形式 連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)均為連續(xù)信號(hào) 離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)均為離散信號(hào) 混合系統(tǒng)：系統(tǒng)中有的子系統(tǒng)為離散系統(tǒng)，有的為連續(xù)系統(tǒng) 子系統(tǒng)的連接方式 串（級(jí)）聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)、反饋連接,2019/9/15,,31,系統(tǒng)的概念(cont.),系統(tǒng),f(t),y(t),數(shù)字處理系統(tǒng),f(nT),y(nT),A/D 轉(zhuǎn)換器,f(t),y(t),計(jì)算機(jī),D/A 轉(zhuǎn)換器,（a）連續(xù)系統(tǒng),（b）離散系統(tǒng),（c）混合系統(tǒng),2019/9/15,,32,系統(tǒng)的概念(cont.),2019/9/15,,33,系統(tǒng)的概念(cont.),即時(shí)/非即時(shí)（無(wú)記憶/有記憶） 系統(tǒng)的輸出信號(hào)只決定于同時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)，與它過(guò)去的工作狀態(tài)（歷史）無(wú)關(guān)，稱為即時(shí)系統(tǒng)（無(wú)記憶系統(tǒng)），代數(shù)方程描述 如果系統(tǒng)的輸出信號(hào)不僅取決于同時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)，而且與它過(guò)去的工作狀態(tài)有關(guān)，稱為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（記憶系統(tǒng)），微分或差分方程描述 記憶元件：電感，電容，磁心等 記憶電路：寄存器 集總參數(shù)系統(tǒng)/分布參數(shù)系統(tǒng) 集總參數(shù)元件組成的系統(tǒng)（符合基爾霍夫定理，常微分方程描述） 分布參數(shù)元件組成的系統(tǒng)（如傳輸線，波導(dǎo)等，偏微分方程描述） 可逆系統(tǒng)/不可逆系統(tǒng) 系統(tǒng)在不同的激勵(lì)信號(hào)作用下產(chǎn)生不同的響應(yīng)，稱為可逆系統(tǒng) 不同的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生了相同的響應(yīng)，稱為不可逆系統(tǒng),2019/9/15,,34,線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性：齊次性和疊加性 齊次性表示： 疊加性表示： 線性表示：,系統(tǒng)的概念(cont.),2019/9/15,,35,不滿足齊次性,不滿足疊加性，系統(tǒng)是非線性的,系統(tǒng)的概念(cont.),（2）疊加性,解：（1）齊次性,2019/9/15,,36,系統(tǒng)的概念(cont.),而原方程式不能提供上式的形式，所以，該系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。,響應(yīng)為 ,現(xiàn)有,2019/9/15,,37,系統(tǒng)的概念(cont.),線性系統(tǒng)的重要性質(zhì) 微分特性 如果線性系統(tǒng)的輸入f(t)引起的響應(yīng)為y(t)，則當(dāng)輸入為df(t)/dt時(shí)，其響應(yīng)變?yōu)閐y(t)/dt 積分特性 如果線性系統(tǒng)的輸入f(t)引起的響應(yīng)為y(t) ，則輸入為 時(shí)，其響應(yīng)變?yōu)?頻率保持性 如果線性系統(tǒng)的輸入信號(hào)含有角頻率1，2， ,n的成分，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也只含有1，2， ,n的成分（其中某些頻率成分的大小可能為零）。換言之，信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)后不會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量。,2019/9/15,,38,系統(tǒng)的概念(cont.),圖為一個(gè)簡(jiǎn)單的線性RC系統(tǒng)，設(shè)R=1，C=0.5F, 輸入信號(hào)為,2019/9/15,,39,系統(tǒng)的概念(cont.),2019/9/15,,40,系統(tǒng)的概念(cont.),2019/9/15,,41,時(shí)不變系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 時(shí)不變系統(tǒng) 系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間變化。響應(yīng)的變化規(guī)律不因輸入信號(hào)接入的時(shí)間不同而改變，即,系統(tǒng)的概念(cont.),2019/9/15,,42,例：判斷下列系統(tǒng)是否為時(shí)不變系統(tǒng),系統(tǒng)的概念(cont.),解：,系統(tǒng)1為時(shí)變系統(tǒng),系統(tǒng)2為時(shí)不變系統(tǒng),2019/9/15,,43,系統(tǒng)的線性與時(shí)不變性是兩個(gè)互不相關(guān)的概念 線性時(shí)不變系統(tǒng) 對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：LTI：Linear Time Invariant 描述線性時(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是常系數(shù)線性微分方程 對(duì)于離散時(shí)間系統(tǒng)：LSI：Linear Shift Invar