signals and systems 信号与系统 -...
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《信号与系统》SIGNALS AND SYSTEMS ZB《信号与系统》SIGNALS AND SYSTEMS ZB
南京邮电大学
通信与信息工程学院 电子信息工程系
2010.8
SIGNALS AND SYSTEMSSIGNALS AND SYSTEMS信号与系统信号与系统
第三章连续信号与系统的频域分析
《信号与系统》SIGNALS AND SYSTEMS ZB《信号与系统》SIGNALS AND SYSTEMS ZB
第三章 连续信号与系统的频域分析第三章 连续信号与系统的频域分析
♦ 3.1 非周期信号的频谱♦ 3.2 一些常见信号的频域分析♦ 3.3 傅里叶变换性质及其应用♦ 3.4 拉普拉氏变换简介♦本章要点♦作业
♦ 3.1 非周期信号的频谱♦ 3.2 一些常见信号的频域分析♦ 3.3 傅里叶变换性质及其应用♦ 3.4 拉普拉氏变换简介♦本章要点♦作业
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3.1 非周期信号的频谱3.1 非周期信号的频谱
傅里叶变换傅里叶变换
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反变换称为傅里叶积分或傅氏—
∫∞
∞−= ωω
πω dejFtf tj)(
21)(
氏变换称为傅里叶正变换或傅—
∫∞
∞−
−= dtetfjF tjωω )()(
)()( )]([)()]([)( 1
ωωω
FtfFtftfF
↔
== −
或
记作 FF
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傅里叶变换的存在性傅里叶变换的存在性
狄里赫勒条件修改为
(1) 在 只有有限个不连续点;
(2) 在 只有有限个极大值、极小值;
(3) 在 绝对可积,即
∞<≤= ∫∫∞
∞−
∞
∞−
− dttfdtetfF tj )()()( ωω
)~( ∞−∞
)~( ∞−∞
)~( ∞−∞
这只是充分条件而非必要条件,如果引入广义函数
后,即使不满足此条件,甚至某些非功率非能量信号也可能存在傅氏变换。
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3.2 一些常见信号的频域分析3.2 一些常见信号的频域分析
1. 矩形脉冲
⎪⎩
⎪⎨
⎧
>
<=⋅=
20
2)()( τ
τ
τt
tAtgAtf
)2
()( ωττω SaAF =幅度频谱
)(tf
t2τ
2τ
−
A
0
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛===
−
−=
−==
−
−
−∫
22
)2
sin()2
sin(2
)2
sin(2)(
2
2
2
2
ωττωτ
ωτ
τω
ωτ
ω
τω
ωω
τ
τ
ωτ
τω
SaAAA
j
jA
jeAdtAeF
tjtj
θ ω( )
τπ2 ω
π
τπ2
−
τπ4
τπ4
−
π−0
ω
τA)(ωF
τπ2
− τπ2
τπ4
τπ4
−0
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
<⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
>⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
=0
2
0)2
(0)(
ωτπ
ωτ
ωθSa
Sa相位频谱
返回
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2. 三角形脉冲2. 三角形脉冲
⎪⎩
⎪⎨
⎧
≥
≤⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=Δ⋅=
τ
τττ
t
tt
AtAtf
0
1)()( 2
)(ωF即幅度频谱
ω
τA)(ωF
τπ2
−τπ2
τπ4
τπ4
−0
相位频谱为零
)(tf
tτ−
A
0 τ
)2
()2
(sin4 222
ωττωττω
SaAA==
∫∫ −==∞ τ
ωτ
ωω00
cos)1(2cos)(2)( tdttAtdttfF
∫∫ −=ττ
ωτ
ω00
cos2cos2 tdttAtdtA
∫−=τ
ωτωω
ωτ
0)(sin2sin2 ttdAA
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3. 单边实指数脉冲3. 单边实指数脉冲 )()( tAetf tεα−=
ωα
ωα
εω
ωαωα
ωαω
jA
jAedteA
dtetAedtetfF
tjtj
tjttj
+=
+−==
==
∞+−∞+−
∞
∞−
−−∞
∞−
−
∫
∫∫
0
)(
0
)()(
)()()(
( )α > 0
22)(
ωαω
+=
AF幅度频谱
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=αωωθ arctan)(相位频谱
)(tf
t
A
0
ω
αA )(ωF
0
θ ω( )
ω
2π
0
2π
−
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4. 单位冲激函数4. 单位冲激函数 )(tδ
t
)(tδ)1(
0
1)()( == ∫∞
∞−
− dtetF tjωδω
ω
1)(ωF
0
∫∞
∞−= ω
πδ ω det tj
21)(反变换
5. 直流信号5. 直流信号
)(2 ydxe jxy πδ=∫∞
∞−
±有
1)( =tf设
)(2)( ωπδω ω == ∫∞
∞−
− dteF tj则)2( π
ω
)(ωF
0
t
)(tf
0
1
(白噪声)(白噪声)
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6. 虚指数信号6. 虚指数信号
)(2
)(
0
)( 00
ωωπδ
ω ωωωω
−=
== ∫∫∞
∞−
−−∞
∞−
− dtedteeF tjtjtj
tje 0ω)2( π
ω
)(ωF
0 0ω
)]()([
)(2
1sin
)]()([
)(21cos
00
0
00
0
00
00
ωωδωωδπ
ω
ωωδωωδπ
ω
ωω
ωω
−−+↔
−=
−++↔
+=
−
−
j
eej
t
eet
tjtj
tjtj
叶变换正弦、余弦函数的傅里
)(π
ω
)(ωF
0 0ω0ω−
)(π
)(π
ω
)(ωjF
0 0ω0ω−
)(π
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周期信号的傅里叶变换周期信号的傅里叶变换 ∑∞
−∞=
=
n
tjnn eFtf T
0)( ω
∑
∑∞
−∞=
∞
−∞=
−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡=
nn
n
tjnn
nF
eFF
)(2
)(
0
0
ωωδπ
ω ωF
∑∞
−∞=
−=
m
mTttT )()( δδ例如
Tdtet
TF
T
Ttjn
n1)(1 2
2
0 == ∫−− ωδ
)()(2)(000 ωδωωωδπω ω=−= ∑
∞
−∞=nn nFF
t
)(tδ)1(
0 ω
1)(0 ωF
0
t
)(tTδ)1(
0 TT− ω
nF
0 0ω0ω−
T1
ω
)(ωF
0 0ω0ω−
)( 0ω
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7. 单位阶跃信号*7. 单位阶跃信号*
ωωπδω
jF 1)()( +=↔
)sgn(21
21)( tt +=ε
可以表示为t
)(tε
0
1
t0
21
t0
21
21
−
)sgn(21 t
)()( ωπδω =R
ωω 1)( −=I
= +
)(π
ω
)(ωR
0
ω
ω1
−
)(ωI
0
ω1
−
ω
ω1
−
)(ωI
0
ω1
−
)(ωR
)(π
θ ω( )
ω
2π
0
2π
−
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3.3 傅里叶变换的性质及其应用3.3 傅里叶变换的性质及其应用
对任意信号都可以在时域和频域中进行描述,联系
这两种描述方法的纽带就是傅里叶变换。
傅里叶变换的性质揭示了信号的特性、运算在时域
和频域中的对应关系,当在某一个域中对信号进行分析和计算感到困难时,可以利用傅里叶变换的性质转换到另一个域中进行。
另外,根据定义求取傅里叶正、反变换时,不可避
免地会遇到麻烦的积分或信号不满足绝对可积的条件等问题,而利用傅里叶变换的性质则可以简捷地求得信号的傅里叶正、反变换。
返回 返回
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1. 线性1. 线性
),()()()()()()()()(
2121
2211为常数则
若
babFaFtbftafFtfFtf
ωωωω
+↔+
↔↔
例例
⎪⎩
⎪⎨⎧
><
==2021
)()( 42 tt
tgtf
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=↔2
)( 21
ωω SaF
)(2 tf
t2−
1
0 2
)(tf
t2− 0 2
2
1
)(1 tf
1− 0 1
1
t
⎪⎩
⎪⎨⎧
≥≤−
=Δ=1011
)()( 21 ttt
ttf
)()()( 21 tftftf +=
( )ωω 24)(2 SaF =↔
)2(42
)()()()()()(
2
21
21
ωω
ωωω
SaSa
FFFtftftf
+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
=+↔+=∴
返回
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2. 对称性*2. 对称性*
)(2)()()(ωπ
ω−↔
↔
ftFFtf
则
若
∫∞
∞−= ωω
πω deFtf tj)(
21)(证明:
∫∞
∞−
−=− ωωπ ω deFtf tj)()(2
∫∞
∞−
−=− dtetFf
ttjωωπ
ω
)()(2
互相掉换,得和将上式中变量的符号
)(2)()()()(
ωπωω
ftFfftf
↔−= ,有为偶函数,则若
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利用对称性质可以方便地求得某些信号的傅里叶变换
或傅里叶反变换。
利用对称性质可以方便地求得某些信号的傅里叶变换
或傅里叶反变换。
)(2)(2)(21)()(1)()(
ωπδωπδωπωδ
=−=−↔=∴=↔=
ftFFttf∵
里叶变换。例如,求直流信号的傅
傅里叶变换的对称性质可以帮助我们理解工程实际中
的重要概念。
傅里叶变换的对称性质可以帮助我们理解工程实际中
的重要概念。
例如,时域中连续的周期信号的频谱是离散的、非周
期的,根据对称性可知:时域中离散的、非周期信号的频谱必定是连续的、周期的。
例如,时域中连续的周期信号的频谱是离散的、非周
期的,根据对称性可知:时域中离散的、非周期信号的频谱必定是连续的、周期的。
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例3-6-2 试求取样函数 的频谱函数。例3-6-2 试求取样函数 的频谱函数。
解:解:t
ttSa sin)( =
)()()(2)()(
)()(21)()(
)()(
22
2
ωπωπωπ
ωω
ggftSatF
tftgSaF
tSatF
=−=−↔=∴
=↔=
=
则
设
)(21
2 tg
t0
21
1− 1
)(tSa
t
1
0
ω
)(ωSa1
0
)(2 ωπg
01− 1 ω
π
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3. 比例性(尺度变换)3. 比例性(尺度变换)
)为非零实常数(则
若
aa
Fa
atf
Ftf
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛↔
↔
ω
ω
1)(
)()(
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛==⎯⎯ →⎯
↔>
∫
∫∞
∞−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−
=
∞
∞−
−
aF
aadxexf
dteatfatfa
axjatx
tj
ωω
ω
1)(
)()(,0若证明:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛↔
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−↔<
aF
aatf
aF
aatfa
ω
ω
1)(
1)(0
综合上述两种情况,得
,则同理可证,若
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)()(1 ω−↔−−= Ftfa ,则若
倍。)了沿频率轴扩展(或压缩则表示而
倍,)了沿时间轴压缩(或扩展表示函数函数
aFa
F
atfatf
)(
)()(
ωω⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
一对矛盾。小所占用的频带宽度是减小脉冲宽度和希望减
冲数),度(每秒内所传送的脉术中,为了提高通信速
是一个常数。在通信技,即脉宽与带宽的乘积宽为
,其频谱的有效带冲宽度为以矩形脉冲为例,设脉
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛τπ
τ
2
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4. 时移性4. 时移性
( )ω
ωω Fettf
Ftftj 0)(
)()(
0−↔−
↔
则
若
)()(
)()()(
00
00 )(00
ωωωω
ωω
Fedxexfe
dxexfdtettfttf
tjxjtj
txjttxtj
−∞
∞−
−−
∞
∞−
+−−=∞
∞−
−
==
=⎯⎯⎯ →⎯−↔−
∫∫∫
,有定义根据傅里叶变换的证明:
域中产生附加相移。移,对应于其频谱在频表明函数在时域中的时
0
00
)()(
)(21)(
21)(
0
)(0
tj
tjtjttj
eFttf
deeFdeFttf
ω
ωωω
ω
ωωπ
ωωπ
−
∞
∞−
−∞
∞−
−
↔−
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡==− ∫∫
即
,有定义的或:根据傅里叶反变换
返回
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既有时移又有尺度变换既有时移又有尺度变换
)0(
1)]([)(
)()(
0
00
0
≠
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛↔−=−
↔
−
ata
ea
Faa
ttaftatf
Ftf
atj
为实常数,且和
则
若
ωω
ω
。的频谱求图示三矩形脉冲信号例 )()(363 ωFtf−−
则
冲信号,表示中间的单个矩形脉解:设 )(0 tf
)()()()( 000 TtftfTtftf −+++=
)2
()()( 00ωττω SaAFtf =↔
2τ
2τ
−
)(tfA
TT−
)1)(()(
)()(
0TjTj eeFF
Ftfωωωω
ω−++=
为的频谱可得时移性,根据
)cos21)(2
( TSaA ωωττ +=
463P107
−−图
频谱图形见
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5. 频移性(调制定理)5. 频移性(调制定理)
( )00)(
)()(
ωω
ωω −↔
↔
Fetf
Ftftj则
若
)(
)()()(
0
)( 000
ωω
ωωωωω
−=
=↔ ∫∫∞
∞−
−−∞
∞−
−
F
dtetfdteetfetf jtjtjtj
,有定义根据傅里叶变换的证明:
。移动
在频域中,对应于在时域中乘以表明
0
)()( 0
ωωω Fetf tj
)]()([21cos)( 000 ωωωωω ++−↔ FFttf
)]()([2
sin)( 000 ωωωωω −−+↔ FFjttf调制定理
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称为已调制信号—
称为载波信号—正弦或余弦信号
称为调制信号—信号
:幅度调制(振幅调制)
ttfty
tf
0cos)()(
)(
ω⋅=
f t( )
t0cosω
y t( )乘法器
)(tf
t
ttf 0cos)( ω
t
)(ωF
ω0 W
A
]cos)([ 0ttf ωF
ω0
W2
2A
0ω−W20ω
频分多路复用
P108 例3-6-2
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6. 卷积定理6. 卷积定理
)()()()()()()()(
2121
2211ωω
ωωFFtftf
FtfFtf⋅↔∗
↔↔
则
若
∫∞
∞−−=∗ τττ dtfftftf )()()()( 2121证明:
[ ] ∫ ∫∞
∞−
−∞
∞− ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−=∗ dtedtfftftf tjωτττ )()()()( 2121F
∫ ∫∞
∞−
∞
∞−
−
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−= τττ ω ddtetff tj)()( 21
(1) 时域卷积定理(1) 时域卷积定理
[ ]∫∞
∞−
−= τωτ ωτ deFf j)()( 21
∫∞
∞−
−= ττω ωτ defF j)()( 12 )()( 12 ωω FF ⋅=
返回
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例例)(1 tg
t21
21
−
1
0
)(2 tΔ
t1−
1
0 1
)(1 tg
t21
21
−
1
0
∗ =
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=2
)]([ 1ωSatgF
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⋅⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
⋅=∗=Δ
222
)]([)]([)]()([)]([
2
11112ωωω SaSaSa
tgtgtgtgt FFFF
)()()()()()( ωωω HXYthtxty zszs ⋅=↔∗=方便:
响应将很域卷积定理求解零状态在系统分析中,利用时
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7 傅里叶变换分析法7 傅里叶变换分析法
频域分析:研究系统在不同频率的信号激励下,其零
状态响应随频率变化的规律(频率响应特性)。
频域分析法(傅里叶变换分析法):利用傅里叶变换
在频域中求解系统的零状态响应的方法。
频域分析:研究系统在不同频率的信号激励下,其零
状态响应随频率变化的规律(频率响应特性)。
频域分析法(傅里叶变换分析法):利用傅里叶变换
在频域中求解系统的零状态响应的方法。
由线性时不变系统的数学模型
)()(')()()()(')()(
01)1(
1)(
01)1(
1)(
txbtxbtxbtxbtyatyatyatya
mm
mm
nn
nn
++++=++++
−−
−−
两边取傅氏变换,并利用时域微分性质,得
)(])()()([)(])()()([
011
1
011
1
ωωωωωωωωXbjbjbjb
Yajajajam
mm
m
nn
nn
++++=++++
−−
−−
返回
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)()()()()()()()(
011
1
011
1 ωωωωωωωω X
ajajajabjbjbjbY n
nn
n
mm
mm
++++
++++= −
−
−−
)()( ωω XH=
也称频率响应特性称为系统的系统函数,
011
1
011
1)()()()()()()(
ajajajabjbjbjbH n
nn
n
mm
mm
++++
++++= −
−
−−
ωωω
ωωωω
傅里叶变换分析法的步骤:
(1) 求取激励 的傅里叶变换 ;X ( )ωx t( )
(2) 确定系统的系统函数 ;H( )ω
(3) 计算响应的傅里叶变换 ;Y X H( ) ( ) ( )ω ω ω=
(4) 取 的反变换,得 。Y( )ω y t( ) 返回
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8 系统特性的频域表征8 系统特性的频域表征 )(ωH系统函数 描述了系统在零状态条件下,响应的
傅里叶变换与激励的傅里叶变换之间的关系,表征了系统自身的特性,与激励无关。
)(ωH
1. 系统函数 的物理意义)(ωH
。征了同一个系统的特性时域和频域两个方面表
它们分别从是一对傅里叶变换对,和说明
时,当
)()()()()()(1)(
)()()()()()()()(
ωωωωωω
δδ
HthHHXYX
ththtthtxtyttx===
=∗=∗==
)(th(1) 系统函数 是冲激响应 的傅里叶变换)(ωH
返回
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时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系
)(tx )(th )()()( thtxty ∗=
)(ωX )(ωH )()()( ωωω HXY ⋅=
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2. 系统函数 的求解方法2. 系统函数 的求解方法H( )ω(1) 从微分方程直接求解 (方程两边取傅里叶变换)(2) 对系统的冲激响应取傅里叶变换 h t H( ) ( )↔ ω
例3-8-1 已知描述系统的微分方程为
)(5)(')(2)('3)(" txtxtytyty +=++求系统函数 。H( )ω
解:对微分方程观察,可直接求得
( ) ( ) 235)( 2 ++
+=
ωωωω
jjjH
返回
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例3-8-4 若系统的微分方程为已知 试求系统的零状态响应。例3-8-4 若系统的微分方程为已知 试求系统的零状态响应。
)(')(6)('5)(" txtytyty =++
)()( tetx tε−=
)(tyzs响应用频域分析法求零状态解:
11)]([)(+
==ω
ωj
txX F
65)()( 2 ++=
ωωωω
jjjH
)3)(2(11)()()(
++⋅
+==
ωωω
ωωωω
jjj
jHXY
323
22
121
+
−+
++
+
−=
ωωω jjj
)(]232
21[)( 32 teeety ttt
zs ε−−− −+−=∴返回
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3.4 拉普拉斯变换3.4 拉普拉斯变换
返回
3.4.1 从傅里叶变换到拉普拉斯变换信号不满足绝对可积条件的原因是:
不趋于零。时,或当 )(tftt −∞→∞→
只要 σ取得合适,很多函数(几乎所有常用的函数)都可以满足绝对可积的条件。
称 σ为衰减因子; e-σ t为收敛因子。
一. 引进广义函数(傅氏变换)二. 拉氏变换(无需引进广义函数)
若 f(t) 不满足狄里赫勒条件,我们为了能获得变换域中的函数,人为地用一个实指数函数e-σ t 去乘 f (t) 。
解决的方法:
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取 f(t)e-σ t的傅里叶变换:取 f(t)e-σ t的傅里叶变换:
∫∞
∞−
−−− = dteetfetf tjtt ωσσ )(])([F ∫∞
∞−
+−= dtetf tj )()( ωσ
的函数,可以表示成它是 ωσ j+
( )F j f t e d tj tσ ω σ ω+ = − +
−∞
∞
∫ ( ) ( )
∫∞
∞−
− += ωωσπ
ωσ dejFetf tjt )(21)(
其傅里叶反变换为
∫∞
∞−
++= ωωσπ
ωσ dejFtf tj )()(21)(故
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∫∫
∞+
∞−
∞
∞−
−
=
=
+=
j
j
st
st
dsesFj
tf
dtetfsF
js
σ
σπ
ωσ
)(21)(
)()(
以改写为为复频率,则变换式可记
双边拉普拉斯正变换
双边拉普拉斯反变换
上两式称为双边拉普拉斯变换对,可以表示为
)()( sFtf ↔
拉氏变换扩大了信号的变换范围。
变换域的内在联系
时域函数 傅氏变换)(tf 频域函数 )(ωF
时域函数 拉氏变换)(tf 复频域函数 )(sF
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本章要点本章要点
♦ 1.非周期信号的频谱:– 傅里叶变换对的定义
– .一些常见信号的频域分析:
– 典型信号的傅里叶变换(P101表3-1)
♦ 2.傅里叶变换的性质及其应用(P116表3-2)
♦ 3. 连续系统的频域分析:– 系统函数的求解方法:从系统的微分方程求解、频域中求解零状态响应的步骤
♦ 4.拉氏变换
♦ 1.非周期信号的频谱:– 傅里叶变换对的定义
– .一些常见信号的频域分析:
– 典型信号的傅里叶变换(P101表3-1)
♦ 2.傅里叶变换的性质及其应用(P116表3-2)
♦ 3. 连续系统的频域分析:– 系统函数的求解方法:从系统的微分方程求解、频域中求解零状态响应的步骤
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作业作业
♦ 3-7⑺, 3-8(1,4)
♦ 3-20
♦ 3-7⑺, 3-8(1,4)
♦ 3-20
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