离散时间系统的傅里叶分析.doc

离散时间系统的傅里叶分析Fourier analysis in discrete time system用傅里叶变换的方法在频域中对离散时间线性时不变系统在零状态下激励信号产生响应的问题进行分析。在频域中研究离散时间系统中的问题常常比在时域中研究有其特殊的便利。由于离散时间序列的傅里叶变换把时域中的卷积计算变为频域中的乘法计算，使信号通过系统的问题得到简化。还有信号的调制、抽样等实际问题，也需要用傅里叶方法进行分析。所以傅里叶分析在研究信号与系统中是非常重要的。离散时间系统可用差分方程 (1)来描述。式中N 为差分方程的阶数。用N 阶差分方程描述的系统称为N 阶系统。任意阶次的系统可以用一阶或二阶系统作为基本单元来构成，所以，离散时间系统研究的重点在一阶和二阶系统。高阶系统则可以通过基本单元的适当联接实现。离散时间系统傅里叶分析所用的工具为离散时间序列的傅里叶变换。离散时间系统的频率响应 由于在时域中离散时间线性时不变系统的输出序列y(n)等于该系统的单位冲激响应h(n)与输入序列(n)的卷积(2)根据离散时间序列傅里叶变换的时域卷积定理，式(2)的傅里叶变换为Y(ejw)H(ejw)X(ejw) (3) 式中Y(ejw)、H(ejw)和X(ejw)分别为y(n)、h(n)和(n)的傅里叶变换。定义离散时间线性时不变系统的频率响应为该系统输出序列的傅里叶变换与输入序列的傅里叶变换之比。即 (4) 式中H(ejw)为离散时间线性时不变系统的频率响应。已知系统的频率响应，用它乘输入序列的傅里叶变换，便得到系统的输出序列的傅里叶变换。因此，频率响应能全面地描述系统。离散时间系统频率响应的一般表达式为 (5) 频率响应H(ejw)的物理意义，对离散时间系统输入信号e，如图所示，则 (6)式中argH(ejw)为H(ejw)的相位。式(6)说明，信号e通过系统时，系统用它的频率响应在幅度上和相位上对输入信号进行改变，使y(n)的幅度为H(ejw)，相位为n+argH(ejw)。由于很多信号可以看作是，所以把e称为基本信号或系统的本征函数，而把H(ejw)称为系统的本征值。如果输入序列由不同频率的基本信号组成，则系统的输出为(7)式中H(e)为系统对频率k的频率响应。也就是说，对于线性时不变离散时间系统，不同频率的信号通过系统时，系统以不同的频率响应作用于输入信号各不同频率的成分，而系统的输出则为各不同频率输出的叠加。频率响应是一个随频率而变化的复数量。它一般写成 (8)式中H(ejw)是频率响应的幅度，argH(ejw)是频率响应的相位。H(ejw)随频率的变化称为系统的幅频特性，argH(ejw)随频率的变化称为相频特性。根据系统的单位冲激响应 h(n)与频率响应H(ejw)为一对傅里叶变换，所以已知H(ejw)后，便可通过 (9)求出h(n)。二阶离散时间系统 二阶离散时间系统用差分方程 (17)描述。式中a、b等系数皆为实数。上式的频率响应为(18)将H(ejw)展开为部分公式 (19)式中的P1、P2值有下列3种可能。P1、P2为实数，且P1P2。这时求出的A1、A2一定是实数，于是系统的单位冲激响应为当P1、P2都小于1时，h(n)随n的增加而逐渐衰减，系统是稳定的。如果P1、P2中有任何一个大于1，则h(n)将逐渐增长而趋于无穷；如果P1、P2中有一个等于1，则h(n)不是绝对可和的，所以后两种情况下系统都是不稳定的。P1P2P，且为实数。于是这时h(n)的逐渐衰减或增长要依P1或P1而定。P1和P2为一对共