信号与系统系统的时域分析.ppt

系统的时域分析•线性时不变系统的描述及特点 •连续时间LTI系统的响应 •连续时间系统的单位冲激响应 •卷积积分及其性质 •离散时间LTI系统的响应 •离散时间系统的单位脉冲响应 •卷积和及其性质 •单位冲激响应表示的系统特性线性时不变系统的描述及特点线性时不变系统的描述及特点•连续时间系统用N阶常系数微分方程描述ai 、 bi为常数•离散时间系统用N阶常系数差分方程描述ai 、 bi为常数线性时不变系统的特点线性时不变系统的特点LTI系统除具有线性特性线性特性和时不变特性时不变特性外，还具有:1）微分特性与差分特性：若 T{ f(t)}=y(t)则若 T{f[k]}= y[k]则 T{ f[k] -f[k-1]}= y[k] - y[k-1] 2）积分特性与求和特性：若 T{ f(t)}=y(t)则若 T{f[k]}= y[k]则连续时间LTI系统的响应•经典典时域分析方法域分析方法•卷积法 •零输入响应求解 •零状态响应求解系统响应求解方法系统响应求解方法1. 经典时域分析方法:求解微分方程2.卷积法:系统完全响应=零输入响应+零状态响应•求解齐次微分方程得到零输入响应•利用卷积积分可求出零状态响应一、 经典时域分析方法微分方程的全解即系统的完全响应, 由齐次解yh(t)和特解yp(t)组成齐次解yh(t)的形式由齐次方程的特征根确定特解yp(t)的形式由方程右边激励信号的形式确定齐次解次解yh(t)的形式的形式(1) 特征根是不等实根s1, s2, , sn(2) 特征根是相等实根s1=s2==sn(3) 特征根是成对共轭复根常用激励信号对应的特解形式例例1 1 已知某二阶线性时不变连续时间系统的动态方程初始条件y(0)=1, y’(0)=2, 输入信号f(t)=e-t u(t)，求系统的完全响应y(t)。

特征根为齐次解yh(t)解 (1)求齐次方程y''(t)+6y'(t)+8y(t) = 0的齐次解yh(t)特征方程为2) 求非齐次方程y‘’(t)+6y‘(t)+8y(t) = f(t)的特解yp(t)解得 A=5/2，B= -11/6由输入f (t)的形式，设方程的特解为yp(t)=Ce-t将特解带入原微分方程即可求得常数C=1/33) 求方程的全解讨论1) 若初始条件不变，输入信号 f(t) = sin t u(t)，则系统的完全响应y(t) =？2) 若输入信号不变，初始条件y(0)=0, y’(0)=1, 则系统的完全响应y(t)=？经典法不足之典法不足之处•若微分方程右边激励项较复杂，则难以处理 •若激励信号发生变化，则须全部重新求解 •若初始条件发生变化，则须全部重新求解 •这种方法是一种纯数学方法，无法突出系统响应的物理概念二 卷积法系统完全响应=零输入响应+零状态响应1. 系统的零输入响应是输入信号为零，仅由系统的 初始状态单独作用而产生的输出响应数学模型:求解方法： •根据微分方程的特征根确定零输入响应的形式，•再由初始条件确定待定系数[解] 系统的特征方程为例2 已知某线性时不变系统的动态方程式为: 系统的初始状态为y(0-)=1，y' (0-)=3，求系统的零输入响应yx(t)。

系统的特征根为 y(0-)=yx(0-)=K1+K2=1 y' (0-)= y'x(0-)= - 2K1-3K2 =3解得 K1=6，K2=-5例3 已知某线性时不变系统的动态方程式为系统的初始状态为y(0-)=2，y'(0-)= -1，求系统的零输入响应yx(t)[解] 系统的特征方程为系统的特征根为（两相等实根） y(0-)=yx(0-)=K1=1; y'(0-)= y'x(0-)= -2K1+K2 =3 解得 K1 =1, K2=5例4 已知某线性时不变系统的动态方程式为系统的初始状态为y(0-)=1，y'(0-)=3，求系统的零输入响应yx(t)•[解] 系统的特征方程为系统的特征根为y(0-)=yx(0-)=K1=1 y' (0-)= y'x(0-)= -K1+2K2 =3解得 K1=1，K2=22、 系统的零状态响应•求解系求解系统的零状的零状态响响应yf (t)方法：方法： •1) 直接求解初始状态为零的微分方程•2) 卷积法： • 利用信号分解和线性时不变系统的特性求解 当系统的初始状态为零时，由系统的外部激励f(t)产生的响应称为系统的零状态响应，用yf (t)表示。

卷卷积法求解系法求解系统零状零状态响响应yf (t)的思路的思路•1) 将任意信号分解为单位冲激信号的线性组合 •2) 求出单位冲激信号作用在系统上的零状态响应 — 单位冲激响应h(t) •3) 利用线性时不变系统的特性，求出单位冲激信号线性组合作用在系统上的响应，即系统在任意信号f(t)激励下的零状态响应yf(t) 卷卷积法求解系法求解系统零状零状态响响应yf (t)推推导由时不变特性由均匀特性由积分特性例5 已知某LTI系统的动态方程式为y´(t)+3y(t)=2f(t)，系统的冲激响应h(t)=2e-3t u(t), f(t)=3u(t), 试求系统的零状态响应yf(t)[解]连续时间系统的单位冲激响应•连续时间系系统单位冲激响位冲激响应的定的定义 •冲激平衡法求系冲激平衡法求系统的的单位冲激响位冲激响应 •连续时间系系统的的单位位阶跃响响应连续时间系统单位冲激响应的定义连续时间系统单位冲激响应的定义在系统初始状态为零的条件下，以单位冲激信号激励系统所产生的输出响应，称为系统的单位冲激响应，以符号h(t)表示N阶连续时间LTI系统的冲激响应h(t)满足冲激平衡法求系统的单位冲激响应冲激平衡法求系统的单位冲激响应由于t>0+后, 方程右端为零, 故n>m时nm时, 为使方程两边平衡, h(t)应含有冲激及其高阶导数,即将h(t)代入微分方程，使方程两边平衡,确定系数Ki ， Ai例例1 1 已知某线性时不变系统的动态方程式为 试求系统的单位冲激响应。

解解：：当f (t)=d(t)时, y(t)=h(t), 即动态方程式的特征根s=-3, 且n>m, 故h(t)的形式为解得A=2例例2 2 已知某线性时不变系统的动态方程式为 试求系统的冲激响应解解：：当f (t)=d(t)时, y(t)=h(t), 即动态方程式的特征根s= -6, 且n=m, 故h(t)的形式为解得A= -16, B =3冲激平衡法小结冲激平衡法小结1)1)由系由系统的特征根来确定的特征根来确定u(t)前前的指数形式的指数形式. .2) 由由动态方程右方程右边d(t)的最高的最高阶导数与方程数与方程 左左边h(t)的最高的最高阶导数确定数确定d (j)(t)项.连续系统的阶跃响应连续系统的阶跃响应求解方法:1)求解微分方程2)利用单位冲激响应与单位阶跃响应的关系例例3 求例1所述系统的单位阶跃响应g(t)例1系统的单位冲激响应为解：利用单位冲激响应与单位阶跃响应的关系，可得h(t)=2e-3t u(t)卷积积分的计算和性质卷积积分的计算和性质•卷卷积积分的分的计算算 •卷卷积积分的性分的性质 交换律、分配律 、结合律、位移特性、 展缩特性延迟特性、微分特性、积分特性、等效特性•奇异信号的卷奇异信号的卷积积分分一一 卷积积分的计算卷积积分的计算•卷积的定定义：1）将f(t)和h(t)中的自变量由t改为，成为函数的自变量；•卷积的计算步算步骤：2）把其中一个信号翻转、平移；3）将f(t) 与h(t- t)相乘；对乘积后的图形积分。

例1例2：计算y(t) = p1(t) * p1(t)a) -< t  -1b) -1  t < 0y(t)=0c) 0  t < 1d)1  t <y(t)=0练习1：u(t) * u(t)练习2：计算y(t) = f(t) * h(t) r(t)二二 卷积的性质卷积的性质•1)交换律 f1(t) * f2(t) = f2(t) * f1(t)•2)分配律 [ f1(t) + f2(t) ] * f3(t) = f1(t) * f3(t) + f2(t) * f3(t)•3)结合律 [ f1(t) * f2(t) ] * f3(t) = f1(t) * [ f2(t) * f3(t) ]•4)位移特性 – 已知 f1(t) * f2(t) = y(t) – 则: f1(t - t1) * f2(t - t2) = y(t - t1 - t2)•5)展缩位移特性证明：展缩特性证明：例：利用位移特性及u(t) * u(t)= r(t) ，计算y(t) = f(t) * h(t)y(t) = f(t) * h(t) = [ u(t) - u(t-1) ] * [u(t) - u(t-2) ]=u(t)*u(t) - u(t-1)*u(t) - u(t)*u(t-2) - u(t-1)*u(t-2)= r(t) - r(t-2) – r(t -1) + r(t-3)三三 奇异信号的卷积奇异信号的卷积•1)延迟特性 f(t) *  (t -T) = f(t -T) •2)微分特性 f(t) *   '(t) = f '(t) •3)积分特性•4)等效特性例1：已知 y(t) = f1(t) * f2(t) ，求y'(t)。

解：y'(t)=y(t) * d '(t) = [ f1(t) * f2(t) ] * d '(t)例2：已知 y(t) = f1(t) * f2(t)， 求y(-1)(t)解：y(-1)(t)=y(t) * u(t) = [ f1(t) * f2(t) ] * u(t)= f1'(t) * f2(t)= f1(t) * f2'(t)= f1(-1)(t) * f2(t)= f1(t) * f2(-1)(t)例3：利用等效特性，计算y(t) = f(t) * h(t)f '(t) = d(t) - d(t-1)f '(t) * h(t)= h(t) - h(t-1)离散时间LTI系统的响应•迭代法求系迭代法求系统响响应 •经典典时域法求系域法求系统响响应 •卷卷积法求系法求系统响响应 •零输入响应求解 •零状态响应求解离散时间LTI系统的数学模型数学模型为2. 经典典时域分析方法域分析方法:求解差分方程3. 卷卷积法法:系统完全响应=零输入响应+零状态响应• 求解齐次差分方程得到零输入响应yx[k]• 利用卷积和可求出零状态响应yf[k]系统响应求解方法求解方法:1. 迭代法迭代法:一、一、 迭代法迭代法已知n个初始条件{y[-1], y[-2], y[-3],∙∙∙∙, y[-n] }和输入入f[k]，由差分方程迭代出系统的输出。

迭代法举例迭代法举例例例1 1 一阶线性常系数差分方程y[k]-0.5y[k-1]=u[k], y[-1]=1，用递推法求解差分方程解：解：将差分方程写成：代入初始条件，可求得依此类推:缺点：很难得到闭合形式的解二、 经典时域分析方法差分方程的全解即系统的完全响应, 由齐次解yh[k]和特解yp[k]组成:齐次解yh[k]的形式由齐次方程的特征根确定特解yp[k]的形式由方程右边激励信号的形式确定齐次解的形式次解的形式(1) 特征根是不等实根 r1, r2, , rn(2) 特征根是相等实根 r1=r2==rn(3) 特征根是成对共轭复根常用激励信号常用激励信号对应的特解形式的特解形式ak (a不是特征根)ak (a是特征根)例例2 2 已知某二阶线性时不变连续时间系统的动态方程初始条件y[0]=0, y[1]= -1, 输入信号f[k]=2k u[k]，求系统的完全响应y[k]特征根为齐次解yh[k]解 (1)求齐次方程y[k]-5y[k-1]+6y[k-2] = 0的齐次解yh[k]特征方程为2) 求非齐次方程y[k]-5y[k-1]+6y[k-2] =f[k] 的特解yp[k]解得 C1= -3，C2= 3由输入f [k]=2k u[k] ，设方程的特解形式为将特解带入原微分方程即可求得常数A= -2。

3) 求方程的全解讨论1) 若初始条件不变，输入信号 f[k] = sin0 k u[k]，则系统的完全响应y[k]=？2) 若输入信号不变，初始条件y[0]=1, y[1]=1, 则系统的完全响应y[k]=？经典法不足之典法不足之处•若微分方程右边激励项较复杂，则难以处理 •若激励信号发生变化，则须全部重新求解 •若初始条件发生变化，则须全部重新求解 •这种方法是一种纯数学方法，无法突出系统响应的物理概念三、卷积法系统完全响应=零输入响应+零状态响应1. 系统的零输入响应是输入信号为零，仅由系统的 初始状态单独作用而产生的输出响应数学模型:求解方法： •根据差分方程的特征根确定零输入响应的形式，•再由初始条件确定待定系数[解] 系统的特征方程为例3 已知某线性时不变系统的动态方程式为: 系统的初始状态为y[-1]=0， y[-2]= 1/2，求系统的零输入响应yx[k]系统的特征根为解得 C1=1，C2= -2例4 已知某线性时不变系统的动态方程式为系统的初始状态为y[-1]=0， y[-2]= -1，求系统的零输入响应yx[k]•[解] 系统的特征方程为系统的特征根为（两相等实根） 解得 C1 =4, C2=4例5 已知某线性时不变系统的动态方程式为系统的初始状态为y[-1]=2， y[-2]= -1， y[-3]= 8，求系统的零输入响应yx[k]。

[解] 系统的特征方程为系统的特征根为解得 C1=1，C2=0 ，C3=52.系统的零状态响应•求解系求解系统零状零状态响响应yf [k]的方法的方法： •1) 直接求解初始状态为零的差分方程•2) 卷积法： • 利用信号分解和线性时不变系统的特性求解当系统的初始状态为零时，由系统的外部激励f [k]产生的响应称为零状态响应，用yf [k]表示卷卷积法求解系法求解系统零状零状态响响应yf [k]的思路的思路•1) 将任意信号分解为单位脉冲序列的线性组合 •2) 求出单位脉冲序列作用在系统上的零状态响应单位脉冲响应 •3) 利用线性时不变系统的特性，求出单位脉冲序列线性组合作用在系统上的响应，即系统在任意信号f[k]激励下的零状态响应yf[k] 卷卷积和求解系和求解系统零状零状态响响应yf [k]推推导由时不变特性由均匀特性由叠加特性例例6 6 若描述某离散系统的差分方程为已知激励求系统的零状态响应yf [k]解：解：离散系统的单位脉冲响应离散系统的单位脉冲响应•单位脉冲响位脉冲响应h[k]定义 •h[k]的的求解 • 迭代法 •等效初始条件法•单位位阶跃响响应g[k]的的求解1. 1. 单位脉冲响应单位脉冲响应h[k]定义定义单位脉冲序列 [k]作用于离散时间LTI系统所产生的零状态响应称为单位脉冲响应, 用符号h[k]表示。

对N阶LTI离散时间系统， h[k]满足方程2. 2. h[k]的求解求解方法: 2)等效初始条件法将d[k-j]对系统的瞬时作用，转化为系统的等效初始条件等效初始条件由差分方程和h[-1]=h[-2]= =h[-n]=0递推求出1) 迭代法例例1 1 若描述某离散时间LTI系统的差分方程为求系统的单位脉冲响应h[k]解：解：h[k]满足方程1)求等效初始条件对于因果系统有h[-1]=h[-2]=0，代入上面方程可推出注意：选择初始条件的基本原则是必须将d[k]的作用体现在初始条件中可以选择h[0]和h[1] 或h[-1]和h[0]作为初始条件2)求差分方程的齐次解特征方程为特征根为齐次解的表达式为代入初始条件，有解得 C1= -1，C2=23. 3. 单位阶跃响应单位阶跃响应 单位阶跃序列u[k]作用在离散时间LTI系统上产生的零状态响应称为单位阶跃响应，用符号g[k]表示求解方法：1) 迭代法2) 经典法3) 利用单位阶跃响应与单位脉冲响应的关系h[k]=g[k]-g[k-1]例例2 求例1所述系统的单位阶跃响应g[k] 解:例1所述系统的单位脉冲响应为利用h[k]与g[k] 的关系，可得h[k]=[-(-1)k+2(-2)k]u[k]卷积和的计算与性质卷积和的计算与性质•图解法解法计算卷算卷积和和 •列表法列表法计算卷算卷积和和 •卷卷积和的性和的性质 • 交换律 • 结合律 • 分配律 • 位移特性• 差分与求和特性一一. . 图解法计算卷积和图解法计算卷积和•计算步算步骤:•1)将f [k]、h[k]中的自变量由k改为n； •2)把其中一个信号翻转，如将h[n]翻转得 h[-n] ； •3)把h[-n]平移k，k是参变量。

k>0图形右移，k<0图形左移 •4)将f [n]与 h[k-n]重叠部分相乘； •5)对乘积后的图形求和卷卷积和和定定义为例例1 1 已知f [k]=u[k], h[k]=aku[k],0 0, f [n]与h[k-n]图形相遇y[k]=0例2计算y[k]=RN[k]* RN[k]•k < 0时, RN [n]与RN [k-n]图形没有相遇y[k]=0•0 k  N -1时,重合区间为[0，k] •N-1  k 2N -2时, 重合区间为[-(N-1)+k，N-1]•k>2N-2时, RN [n]与RN [k-n] 图形不再相遇y[k] =0二二. . 列表法计算序列卷积和列表法计算序列卷积和设f[k]和h[k]都是因果序列因果序列，则有当k = 0时，当k = 1时，当k = 2时，当k = 3时，以上求解过程可以归纳成列表法列表法列表法将h[k] 的值顺序排成一行，将f [k]的值顺序排成一列，行与列的交叉点记入相应f[k]与h[k]的乘积，对角斜线上各数值就是 f[n]h[k-n]的值。

对角斜线上各数值的和就是y[k]各项的值例例3 3 计算 与 的卷积和三三. . 卷积和的性质卷积和的性质•交交换律律:f[k] * h[k] = h[k] * f[k]f[k] * { h1[k] * h2[k]} ={ f [k] * h1 [k] } * h2 [k]f [k] * { h1 [k] + h2 [k] } = f [k] * h1 [k] + f [k] * h2 [k]结合律合律:分配律分配律:卷积和的性质（续）卷积和的性质（续）•位移特位移特性：性：f [k] * d [k-n] = f [k-n]推推论：：若f[k]*h[k]=y[k]，则f [k-n] * h[k- l] = y[k- (n+l)]差分与求和特：差分与求和特： 若f[k]*h[k]=y[k]例例4 4 计算 与 的卷积和解：解：利用位移特性单位冲激响应表示的系统特性单位冲激响应表示的系统特性•级联系统的单位冲激响应 •并联系统的单位冲激响应 •因果系统 •稳定系统1. 1. 级联系统的单位冲激响应级联系统的单位冲激响应根据卷积积分的结合律性质，有h(t)结论:1)级联系系统的冲激响的冲激响应等于两个子系等于两个子系统冲激响冲激响应的卷的卷积。

2)交交换两个两个级联系系统的先后的先后连接次序不影响系接次序不影响系统总的冲激响的冲激响应•两个离散时间系统的级联也有同样的结论2. 2. 并联系统的单位冲激响应并联系统的单位冲激响应应用卷积积分的分配律性质，有h(t)结论并联系统的冲激响应等于两个子系统冲激响应之和• 两个离散时间系统的并联也有同样的结论例1 求图示系统的冲激响应其中h1(t)=e-3t u(t)， h2(t)=d(t -1) ，h3(t)=u(t)解解：： 子系统h1(t) 与h2(t) 级联， h3(t)支路与h1(t) h2(t) 级联支路并联例2 求图示系统的单位脉冲响应其中h1[k] =2k u[k]， h2 [k] =d [k -1] ， h3 [k] = 3k u [k] ， h4 [k] =u [k] 解解：： 子系统h2[k]与h3[k] 级联，h1[k]支路、全通支路与h2[k] h3[k] 级联支路并联，再与h4[k]级联全通支路满足 全通离散系统的单位脉冲响应为单位脉冲序列d [k]3. 因果系统•定义：因果系统是指系统t0时刻的输出只和t0时刻及以前的输入信号有关。

•因果系统的充分必要条件因果连续时间LTI系统的单位冲激响应必须满足因果离散时间LTI系统的单位脉冲响应必须满足一个因果系统的冲激响应在冲激出现之前必须为零例例3 3 判断M1+M2+1点滑动平均系统是否是因果系统解：解： M1+M2+1点滑动平均系统的输入输出关系为系统的单位脉冲响应为即显然，只有当M2 =0时，才满足h[k]=0,k<0的充要条件即当M2 =0时，系统是因果的4. 4. 稳定系统稳定系统•定义：若连续系统对任意的有界输入其输出也有界，则称该系统是稳定系统•稳定系统的充分必要条件连续时间LTI系统稳定的充分必要条件是离散时间LTI系统稳定的充分必要条件是例例4 4 判断M1+M2+1点滑动平均系统是否稳定解：解：由例3可知，系统的单位脉冲响应为由离散时间LTI系统稳定的充分必要条件可以判断出该系统稳定对h[k]求和，可得例例5 已知一因果LTI系统的单位冲激响应为h(t)=eatu(t)，判断该系统是否稳定解：解：由于当a<0时，系统稳定当a0时，系统不稳定。