连续时间系统的频域分析.doc

第四章 连续时间系统的频域分析第三章中借助于傅里叶级数、傅里叶积分变换对周期及非周期信号的频谱进行了讨论。利用上面讨论所得结论，本章将对LTI系统进行频域分析。LTI系统的频域分析法是一种变换域分析法，即把时域中求解响应问题通过傅里叶级数或傅里叶变换转换到频域之中，求解后再回到时域，从而得到最终结果。采用傅里叶变换的方法对系统进行分析的目的，一方面是使一些系统分析问题得以简化，而更重要的是接受一种变换的方法，真正体会时频变换在分析LTI系统中是一种不可替代的有效方法，有了这种方法使得许多有实际意义的物理过程变得可能。4.1系统函数由LTI系统的时域分析可知，当输入信号为，系统单位冲激响应为时，其系统零状态响应。由傅里叶变换的时域卷积定理，对上式两端同时取傅里叶变换可有 (4.1)其中，。由(4.1)式可定义系统函数为 （4.2）(4.2)式说明是频率的函数，故又称之为系统的频率响应函数。一般情况下，是一个复函数，因此可有 （4.3）其中，为系统的响应幅度与激励幅度之比，称之为幅频特性函数，而则描述了系统响应与激励的相位关系，称之为相频特性函数。由(4.2)系统函数的定义式可知，系统函数反映系统自身的特性。它由系统结构及参数来决定，而与系统的外加激励及系统的初始状态无关。随着激励信号与待求响应的关系不同，在电路分析中将有不同的涵义。它可以是阻抗函数、导纳函数、电压比或电流比。频域系统函数的求解方法主要有（1）当给定激励与零状态响应时，根据定义求，即（2）当已知系统单位冲激响应时，（3）当给定系统的电路模型时，用相量法求。（4）当给定系统的数学模型（微分方程）时，用傅里叶变换法求。图4.1例4.1 试求图4.1（a）中以为响应时的系统函数。 解 图4.1（a）所示电路对应的频域电路模型如图4.1（b）所示。根据相量分析法例4.2 已知描述系统的微分方程为，求系统函数。解 对原微分方程两边取傅里叶变换，并根据时域微分性质，可得所以 例4.3 已知系统单位冲激响应，求系统函数。解 因为，所以可有由单边指数信号的傅里叶变换对，可得系统函数为图4.2 LTI RC相量电路例4.4 LTI RC相量电路如图4.2所示，求该电路的系统函数，并绘出幅频特性及相频特性曲线。解 这是典型的RC低通滤波电路。可以通过求解系统函数，分析其幅度、相位随频率的变化规律，从而得到通低频、阻高频信号的结论。设电路图中的为激励相量，为响应相量。按(4.2)式该电路的系统函数为其幅度特性函数为 相频特性函数为 图4.3 幅频特性及相频特性曲线相应的幅频特性曲线如图4.3（a）所示，相频特性曲线如图4.3（b）。由此结果可以看出越大，越小。这说明信号通过此电路时，高频信号被截止，而低频信号通过，故称此为低通滤波电路。4.2 系统对非正弦周期信号的响应在电路分析中，已详尽讨论了正弦周期信号作用电路的稳态响应。现在的问题是，若一个非正弦周期信号激励于系统，其响应如何？根据第三章讨论可知，周期信号可以分解为一系列谐波分量之和。线性电路在周期信号激励下产生的响应，按线性性质是激励信号中每个谐波分量分别单独作用时产生响应分量的叠加。而每个谐波分量都是单一频率的正弦波，且存在于至之间，同时由于时间的增长而引起的系统的暂态已过去，系统处于稳定状态。此外，考虑信号从进入系统之前系统处于零状态。由此分析可以确定，当非正弦周期信号作用于线性电路时，其响应可通过相量法和叠加定理综合求得。例4.5 LTI RL 电路如图4.4（a）所示，已知，激励信号的波形如图4.4（b）所示，求稳态响应（求到三次谐波为止）。图4.4 LTI RL电路及其输入信号的波形解 由4.4（b）图可知激励信号的周期为，基波角频率。将激励信号进行傅里叶级数展开可有此式说明，可以将看成是一个直流分量和奇次谐波分量所组成激励源，这相当于把无穷多个电压源串联作用于电路上，如图4.4(c)所示。因为周期信号的频谱具有收敛性，其能量主要集中在低频分量上，所以计算傅氏级数时只需计算前几项即可。进一步确定系统函数，利用叠加定理，让各次谐波分量单独作用并求其响应相量。当时， 则响应（直流分量）为 当时， 则一次谐波分量所对应的稳态响应相量为当时 则三次谐波分量所对应的稳态响应相量为以此类推可求出各次谐波分量所对应的稳态响应相量。而作为各次谐波分量的稳态响应相量的时域表达式分别为将各次谐波分量的时域响应相加得该电路的稳态响应为 4.3系统对非周期信号的响应非周期信号通过线性系统的响应与周期信号有所不同。由于非周期信号对系统的激励是有确定时间的，所以对于零状态系统，其响应只含零状态响应，其中既有稳态分量，也有随时间衰减的暂态分量。若系统初状态不为零，则其响应还应包含零输入响应分量。本节重点讨论零状态系统对非周期信号的响应。由时域分析可知，当线性时不变系统的单位冲激响应为，激励为时，系统的零状态响应 （4.4）将上式两端取傅里叶变换，并利用其时域卷积定理可得 （4.5）即系统零状态响应的频谱函数等于系统函数与激励的频谱函数之乘积。在求得后，则可利用 （4.6）求得系统时域响应。例4.6 某线性时不变系统的冲激响应，求激励信号时系统的零状态响应。解 因 由(4.5)式可知系统零状态响应的频谱函数为将用部分分式展开得进行反变换，可得从上例可知，利用傅里叶变换求系统的零状态响应时，必须首先求得激励的频谱函数和频域系统函数，然后可求出零状态响应的频谱函数。这样从频谱改变的观点来解释激励与响应波形的差异,物理概念比较清楚，反映了系统本身是一个信号处理器。它依照自身的系统函数的特性对输入信号的频谱进行处理，使得输出响应的频谱为。但是傅里叶变换分析法求反变换一般比较困难，因此频域分析的目的通常不是由此求系统时域响应，而重点是在频域分析信号的频谱和系统的带宽，以及研究信号通过系统传输时对信号频谱的影响等。图4.5例4.6 图4.5所示电路。若激励电压，试求两种电路的零状态响应，并从频谱的观点对其结果进行解释。解 对图4.5（a）所示电路，由电路分析理论可得式中为电路时间常数。响应频谱为所以 对于图4.5(b)所示电路，可得所以 图4.6示出了和的波形及其频谱，以及传输函数的幅频特性。由图4.6可知，在通过系统后，低频分量受到削弱，并失去了冲激线谱，而高频分量几乎不变。高频分量的存在意味着输出波形会和输入波形一样地产生突变；冲激线谱的失去使变为连续谱，这意味着输出波形是一个脉冲，因而最终必衰减到零。在通过系统后，其高频分量受到抑制，但低频分量几乎不变，并含有冲激。在频域中，处的冲激表明在时域中含有平均值，因而当时，仍有一定数值。而高频分量失去较多，表明时域中波形不能急剧变化。因此输出波形只能逐渐地上升到稳态值。图4.64.4信号无失真传输条件通信中的传输应有两个任务：其一是将信号原样从甲方传到乙方（不失真）；其二是将信号改变后进行传送。采用哪种传输，要取决于通信自身的要求及其制取不同的通信系统。一般来说，输入信号通过通信系统后，其输出信号都会发生变化。在通信系统中出现信号失真主要体现在两个方面，即幅度失真和相位失真。在通信系统中，传送语言及音乐信号时，为了保证声音不失真，重要的是使信号中各频率分量的幅度保持相对不变，因为人耳对各频率分量间的相位变化不很敏感。当传送图像信号时，保持各频率分量间的相位关系，则是保证图像不失真的决定性条件。需要提醒注意的是，这是所说的信号失真是一种线性失真，不会在传输过程中产生新的频率分量。4.4.1 无失真概念对于一个线性系统，一般要求能够无失真地传输信号。信号的无失真传输，从时域来说，就是要求系统输出响应的波形应当与系统输入激励信号的波形完全相同，而幅度大小可以不同，时间前后可有所差异，即 (4.7)式中为与无关的实常数，称为波形幅度衰减的比例系数；为延迟时间。图4.7这样，虽然输出响应的幅度有系数倍的变化，而且有时间的滞后，但整个波形的形状不变，举例示意于图4.7。4.4.2 无失真传输条件若要保持系统无失真传输信号，从频域分析，可对式(4.7)两边取傅里叶变换，并利用其时移性，有由于 所以无失真传输的系统函数为 （4.8）即 因此，无失真传输系统在频域应满足两个条件：（1）系统的幅频特性在整个频率范围内应为常数，即系统的通频带为无穷大； 图4.8（2）系统的相频特性在整个频率范围内应与成正比，即，如图4.8所示。若对式(4.8)取傅里叶反变换，则可知系统的冲激响应为 (4.9)该式表明，一个无失真传输系统，其单位冲激响应仍为一个冲激函数，不过在强度上不一定为单位1，位置上也不一定位于处。因此，式(4.9)从时域给出了无失真传输系统的条件。无失真传输系统的幅频特性应在无限宽的频率范围内保持常量，这是不可能实现的。实际上，由于所有信号的能量总是随频率的增高而减少，因此，系统只要有足够大的频宽，以保证包含绝大多数能量的频率分量能够通过，就可以获得较满意的传输质量。图4.9例4.7 要使图4.9(a)所示电路为一个无失真传输系统，试确定和的值，激励为正弦稳态函数。解 图4.9(a)电路的频域模型如图4.9(b)所示。由相量法可得 故系统函数 若该电路为一个无失真传输系统，则应满足式(4.8)，即可见，当时，可满足此条件，即所以 4.5理想低通滤波器的冲激响应与阶跃响应由4.4节所讨论的无失真传输系统的条件可知这种要求是比较苛刻的，对于实际系统而言很难满足这个条件。所以，一般都会根据系统不同的功能，适当将此条件放宽。理想低通滤波器就是放宽无失真条件下的一种理想系统。4.5.1 理想低通滤波器的冲激响应理想低通滤波器是实际滤波器的理想化模型。该系统函数可表示为 （4.10）其频率特性曲线如图4.10所示。图4.10 理想低通滤波器的频率特性由式（4.10）及图4.10可以看到理想低通滤波器的截止频率为。其幅频特性要求，在截止频率范围内，即在通带范围内，它的传输系数的模量为一个常数，高于截止频率的那些信号将被滤掉。同时相应的相频特性要求在通带内与频率呈线性正比关系。显然理想低通滤波器的系统函数要比无失真传输系统的条件得到了放宽。作为理想低通滤波器的单位冲激响应与其系统函数的关系是一对傅里叶变换，即由傅里叶反变换定义式可有 （4.11）图4.11 理想低通滤波器的输入及输出由式（4.11）的结果可知，对于理想低通滤波器而言，输入的是单位冲激信号，如图4.11(a)所示，而输出的单位冲激响应则是抽样信号，如图4.11(b)所示。显然该系统为失真系统。此外，由式（4.11）及图4.11都可以看到，该系统在时，这说明该系统在输入没有进入系统之前，就已经有响应了。所以理想低通滤波器是非因果系统，是物理不可实现的系统。尽管如此，由于理想低通滤波器的频率特性比较简单，且实际系统的频率特性较为接近理想低通滤波器的频率特性，故近似采用该系统的频率特性，从而实现对实际系统的逐步修正、完善。4.5.2理想低通滤波器的阶跃响应设理想低通滤波器的阶跃响应为，它与系统的冲激响应满足关系式，将理想低通滤波器的冲激响应的结果代入该式中有令，则上式可为 （4.12）其中，为正弦积分函数该函数具有以下性质：（1）为奇函数，即；（2）取自变量的极限，可有；（3）。作为理想低通滤波器的输入信号为单位阶跃信号，而输出信号的函数表达式为正弦积分函数，故该系统为失真系统。其阶跃响应的时域波形如图4.12所示。同时该系统在时，仍有输出，故该系统为非因果系统。图4.12 理想低通滤波器的阶跃响应4.6抽样定理随着计算机的日益普及以及通信技术向数字化方向迅速发展，离散信号及系统得到了广泛应用。4.6.1抽样的概念离散信号如何获得？一般来说，首先对连续信号进行抽样。所谓抽样过程就是指将连续信号变为离散信号的过程。一般情况下都是采用等间隔抽样（也可以不等间隔）。实现这一过程可以通过不同的手段。1自然抽样自然抽样的过程是通过电子开关来实现的，图4.13(a)为电子开关的示意图。在该图中，端输入连续信号，其波形如图4.13所示。该开关按周期T往复动作。导致被断续接通到端。设定开关每次接通到a点的时间为，则端将得到如图4.13所示的抽样信号。显然，原始的连续信号经电子开关后变成了一系列幅值离散的具有宽度为、高度为在各时间点取值的门函数。故又将此抽样过程称之为矩形脉冲抽样。图4.13 自然抽样过程2理想抽样理想抽样是将周期为，幅度为1的冲激脉冲序列（如图4.14(a)所示）与连续信号相乘（如图4.14(b)所示）即得抽样信号，如图4.14(c)所示。显然的波形仍然是冲激序列，但是加权的冲激序列，各点的冲激强度（即权值）取信号在该时刻的数值。图4.14 理想抽样过程4.6.2 时域抽样在下面的讨论过程中，将解决两个问题：（1）抽样信号的傅里叶变换是什么形式，它和未经抽样的原连续信号的傅里叶变换之间的关系如何；（2）连续信号被抽样后，它是否保留原信号的全部信息，即在什么条件下，可以从抽样信号中无失真地恢复原信号。设连续信号的傅里叶变换为，即；任意抽样脉冲序列的傅里叶变换为，即；抽样后幅值离散信号的傅里叶变换为，即。又设采用均匀抽样，其抽样周期为，抽样角频率为 （4.13）其中，为抽样频率。一般情况，时域抽样过程是通过任意抽样脉冲序列与连续信号相乘来完成。即满足 （4.14）由于任意抽样脉冲序列是周期信号，则该脉冲序列的傅里叶变换为 （4.15）其中，傅里叶复系数 （4.16）根据频域卷积定理可有 （4.17）将式（4.15）代入有 （4.18）此式表明：连续信号在时域被抽样后，它的频谱是连续信号的频谱以抽样角频率为间隔，周期地重复而得到。图4.15 理想抽样过程及其对应的频谱以理想抽样为例，图4.15给出了时域连续信号的抽样过程及其对应的傅里叶变换的频谱形式。4.6.3时域抽样定理设连续信号的频谱的最高频率为，抽样角频率为。显然，两个频率的取值不同，会导致抽样信号的频谱与原信号的频谱之间发生变化。当时，抽样后的频谱的波形之间无重叠，但波形之间有间隔，如图4.16（a）所示。图4.16 时域抽样下的频谱混叠当时，抽样后的频谱的波形之间无重叠又无间隔，如图4.16（b）所示。当时，抽样后的频谱将发生频率的混叠，如图4.16（c）所示。显然，频率混叠后就会使信号在恢复过程中出现失真，从而没有达到抽样的目的。由以上分析可以得到结论，为了避免交混失真，抽样信号的角频率应大于或等于输入信号最高角频率的两倍。时域抽样定理：一个限带信号要想从它的抽样中完全恢复过来，则其抽样的时间间隔必须满足 （4.19）称（4.19）式为奈奎斯特间隔，相对应的称为奈奎斯特频率。抽样定理的限制条件：（1）输入信号必须是限带信号，不允许带宽无穷宽；（2）抽样的时间间隔要小于或等于奈奎斯特间隔。4.6.4频域抽样及其抽样定理1频域抽样频域抽样模型如图4.17所示。它是时域抽样模型的对偶形式，可表示为 （4.20）由傅里叶变换的时域卷积定理可有 （4.21）其中，连续信号为时限信号，它的时间存在区间为。图4.17 频域抽样模型由于在频域中对进行等间隔为的抽样，所以有 （4.22）由傅里叶反变换可得 （4.23）其中 将(4.23)式代入(4.21)式中，可有 （4.24）此式表明：在频域对连续信号的频谱进行等间隔抽样，其结果就是将被抽样后的频谱所对应的时域信号是以为周期重复再现原信号再乘上因子。图4.18给出了频域抽样时，频域与时域的相关波形。图4.18 频域抽样下的时频变换关系2频域抽样定理若连续时间信号是一个时限信号，即满足在以外其取值为零，那么在频域抽样时，当抽样间隔满足Ts2tm时，就可以保证连续信号在作周期再现时不会发生信号的混叠，从而可以从中无失真地截取出原信号。4.7调制与解调图4.19在通信和信息传输系统、工业自动化和电子工程技术中，调制和解调应用最为广泛。而调制和解调的基本原理是利用信号与系统的频域分析和傅里叶变换的基本性质，将信号的频谱进行搬移，使之满足一定需要，从而完成信号的传输或处理。本节仅介绍有关基本概念。4.7.1调制图4.19所示为一幅度调制（AM）系统。其中为调制信号，亦即待传输或处理的信号；称为载波信号，为载波频率。由此系统输出的响应为 （4.25）可见是一个幅度随变化的振荡信号，故称为调幅信号。若记 则由频域卷积定理，有 （4.26）式中 所以 （4.27）若和如图4.20（a），（b）所示，则调幅信号的频谱如图4.20（c）所示。由图4.20可知，经调制后，原信号的频谱被重新复制并搬移至处，即所需要的高频范围内。这种经过调制的高频信号很容易以电磁波形式辐射传播。图4.20图4.21除幅度调制外，还有频率调制（FM）和相位调制（PM），它们较幅度调制具有更好的抑制噪声和抗干扰能力。4.7.2解调由已调高频信号恢复调制信号的过程称为解调。图4.21（a）所示为一调幅信号的解调系统，其中称本地载波信号，它与原调幅的载波信号同频率同相位。可见该系统是把接收到的调幅信号经本地载波信号再调制，即 （4.28）两端取傅里叶变换得 （4.29）由图4.21（b）所示的频谱结构中可知，其中含有原信号的全部信息，此外还有附加的高频分量。当通过理想低通滤波器时，只要使该滤波器幅度为2，截止频率满足就可由输出响应达到恢复调制信号，完成解调的目的。4.7.3调幅信号作用于线性系统下面举例说明调幅信号作用于线性系统的响应求解问题。例4.8 已知某线性时不变系统的系统函数为求调幅信号作用于此系统时的稳态响应。解 根据三角函数关系，可写为考虑到频率范围仅在附近，取近似条件，有因为，所以响应表示式为可见，由于系统频率特性的影响使信号频谱产生变化，从而致使响应信号的两个边频分量和相对载频分量有所削弱，在相位上分别产生了的相移。所以经此系统以后，调幅波包络相对强度减小，而且包络产生时延，其相移，而载波点相移为零。4.8频分复用与时分复用将若干路信号以某种方式汇合，统一在同一信道中传输称为多路复用。在近代通信系统中普遍采用多路复用技术。本节介绍频分复用与时分复用的原理和特点。频分复用的设备在发送端将各路信号频谱搬移到各不相同的频率范围，使它们互不重叠，这样就可复用同一信道传输。在接收端利用若干滤波器将各路信号分离，再经解调即可还原为各路原始信号，图4.22示出频分复用原理方框图。通常，相加信号还要进行第二次调制，在接收端将此信号解调后再经带通滤波分路解调。图4.22 频分复用通信系统时分复用的理论依据是抽样定理。在第4.6节已经证明，频带受限于的信号，可由间隔为的抽样值唯一地确定。从这些瞬时抽样值可以正确恢复原始的连续信号。因此，允许只传送这些抽样值，信道仅在抽样瞬间被占用，其余的空闲时间可供传送第二路、第三路等各路抽样信号使用。将各路信号的抽样值有序地排列起来就可实现时分复用，在接收端，这些抽样值由适当的同步检测器分离。当然，实际传送的信号并非冲激抽样，可以占有一段时间。图4.23示出两路抽样信号有序地排列经同一信道传输（时分复用）的波形。对于频分复用系统，每个信号在所有时间里都存在于信道中并混杂在一起。但是，每一信号占据着有限的不同频率区间，此区间不被其他信号占用。在时分复用系统中，每一信号占据着不同的时间区间，此区间不被其他信号占用，但是所有信号的频谱可以具有同一频率区间的任何分量。从本质上讲，频分复用信号保留了频谱的个性，而在时分复用中信号保留了波形的个性。由于信号安全由其时间域特性或完全由其频率域特性所规定，因此，在接收机里总是可以在相应的域内应用适当的技术将复用信号分离从电路实现来看，时分复用系统优于频分复用系统。在频分复用系统中各路信号需要产生不同的载波，各自占据不同的频带，因而需要设计不同的带通滤波器。而在时分复用系统中，产生与恢复各路信号的电路结构相同，而且以数字电路为主，比频分复用系统中的电路更容易实现超大规模集成，电路类型统一，设计、调试简单。时分复用系统的另一优点体现在各路信号之间的干扰（串话）性能方面。在频分复用系统中，各种放大器的非线性产生谐波失真，出现多项频率倍乘成分，引起各路信号之间的串话。为减少这种干扰的影响，在设计与制作放大器时，对它们的非线性指标要求比传送单路信号时严格得多，有时难以实现。对于时分复用系统不存在这种困难。当然，由于设计不当相邻脉冲信号之间可能出现码间串扰，这一问题容易得到控制，使其影响很小，下面将说明防止码间串扰的方法。实际的时分复用系统很少直接传输图4.23所示的离散时间连续幅度信号（PAM信号），而是传送脉冲编码调制（PCM）信号。图4.23 两路信号的时分复用在PCM系统中，由于对每个抽样点要进行多位编码，因而使脉冲信号传输速率增高、占用频带加宽，这是时分复用系统显示许多优点而付出的代价。有时，可利用频带压缩技术改善信号所占带宽。码速与带宽的关系是各种数字通信系统设计中需要考虑的一个重要问题。合理设计码脉波形可使频带得到充分利用并且防止码间串扰。下面结合图4.24讨论几种典型波形的码速与带宽关系。若时钟信号（CP）周期为T，如图4.24(a)，并假设待传输的数字信号是01011010。当选择矩形脉冲传输时，脉冲宽度应满足。对于的情况如图4.24（b），这种码型称为归零码（regress zero，简写RZ），的最大可能是，如图4.24(c)，称为不归零码（NRZ）。通常，可粗略认为矩形脉冲信号的频率分量集中在频谱函数第一个零点之内，也即频带宽度（或角频率）。显然，为节省频带最好选用不归零码，令，此时。由时钟周期T可求得脉码传输速率（单位为比特/秒，写作bit/s或bps），可以看出，此时带宽与码速数值相等，（注意，带宽单位为）。在以上分析中，由于忽略了矩形波频谱第一零点以外的高频成分，所得结果存在误差。当按照的带宽传输矩形脉冲信号时，在接收端波形要产生失真，它将畸变为具有上升、下降延迟的形状，而且可能出现拖尾振荡。当此失真较小时，在接收端对应抽样点不会产生误判，可正确恢复1码或0码。当失真较严重时，可能出现误判，引起各路信号之内的串扰。图4.24 矩形码和升余弦码示例为有效地解决这一问题，可不选用矩形码，而是选用主要频率成分集中于带宽之内，高频分量相对更小的波形，例如升余弦码，选升余弦脉冲信号底宽为，如图4.24(d)。其频谱函数第一个零点，也即带宽为，与图4.24（b）矩形码所占带宽相同。然而，升余弦频谱在带宽以外的高频分量相对非常微弱，按带宽传输波形时基本上不会产生失真，有效地避免了码间串扰，在接收端对应抽样点如图4.24(d)中的或可以正确恢复1码或0码。利用函数波形也可避免码间串扰。设函数第一零点值为T，其波形主瓣底宽为2T，那么在T的整数倍各时刻其函数值均为零，因而接收端以此处为抽样判决点，保证不会出现误判。图4.25示例给出10110函数码型，图中波形的某些部分有重叠，没有画出重叠相加的结果，但是，可以清楚地看出在各抽样点处不会产生串扰，例如，在时刻为1码，在时刻为0码，没有串扰。若脉码速率，相应的单个脉冲波形表达式为，它的频谱函数为矩形，所占带宽是。可见，在码速相同的条件下