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文档简介
1、数字信号处理4.线性时不变滤波器与系统 8/11/20221马尽文8/11/20222马尽文8/11/20223马尽文8/11/20224马尽文4.1线性时不变系统及其时间响应函数A.系统的一般定义 从数学上讲,一个系统就是对信号的一个变换。 输入信号 输出信号 滤波器自然是一个系统,本书中的系统即指滤波器。 系统基本分类:线性,非线性,时不变,时变等。B.线性时不变系统8/11/20225马尽文4.1线性时不变系统及其时间响应函数 线性性: 时不变性:即输出信号的波形不随输入信号的延迟而改变。同时输出信号的延迟和输入信号的延迟是同步的,即延迟时间都是 。 线性时不变系统:系统既是线性的,又是
2、时不变的。按频谱分析设计的滤波器: 是一个线性时不变系统线性时不变滤波。8/11/20226马尽文4.1线性时不变系统及其时间响应函数C.离散 函数 离散 函数定义为: 在数学中, 称为克罗内克(Kronecker)函数。 的频谱为: 对于任何信号 ,有8/11/20227马尽文4.1线性时不变系统及其时间响应函数 意义:对于褶积而言, 像是一个单位信号,任何信号 与它褶积,其结果仍是原信号。D.线性时不变系统的时间响应函数 线性时不变系统 ,定义 为系统的时间响应函数或滤波因子。 相应地, 的频率响应函数 和其Z变换 为8/11/20228马尽文E.线性时不变系统的输出信号4.1线性时不变系
3、统及其时间响应函数 对于输入信号 ,输出信号 为 这表明,与输入信号 褶积的信号 为系统的时间响 应函数。从而,线性时不变系统实际上是对输入信号 用 进行线性滤波。8/11/20229马尽文4.2线性时不变系统的因果性和稳定性 另外,由于 通过Z变换得A.因果性 若线性时不变系统的时间响应函数 满足 则称线性时不变系统为因果的,或物理可实现的。(因果性的判别和详细性质,将在第九章讨论)B.稳定性8/11/202210马尽文4.2线性时不变系统的因果性和稳定性 稳定的含义:当输入信号为有限的时候,希望输出信号 也是有限的(指信号本身有限,或者信号的 能量是有限的)。对于一个离散信号 ,如果存在一
4、个正数 ,使得 则称 是有界的。 对于一个系统或滤波器,当输入信号 是有界的,输出 信号 也是有界的,则称其为具有有界输入有界输出(BIBO)稳定性。 一、有界输入有界输出的稳定性8/11/202211马尽文4.2线性时不变系统的因果性和稳定性定理 1. 线性时不变系统 具有有界输入有界输出 (BIBO)稳定性,充分必要条件为 证明:必要性 对任何输入信号 ,输出信号 为 在上式中,取 ,并令8/11/202212马尽文4.2线性时不变系统的因果性和稳定性 此时 为有界信号,按有界输入有界输出的性质有 充分性 对任何一个有界输入信号 ,存在一个正数 使得 ,对输出信号 ,有因此,系统具有BIB
5、O稳定性。8/11/202213马尽文4.2线性时不变系统的因果性和稳定性二、能量有限稳定性对于一个系统或滤波器,当输入信号是能量有限的,输 出信号也是能量有限的,则称该系统或滤波器是能量有 限稳定的。定理 2. 线性时不变系统 具有能量有限稳定性的充 分必要条件是: 的频谱 是有限的,即 存在一个正数 ,使8/11/202214马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈注意: 一个系统具有有界输入有界输出稳定性,则一定 具有能量有限稳定性,反之则不然。8/11/202215马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈A.串联因此,串联后的时间响应函数为8/11/202216马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈 用Z变换表示,则 或B.并联8/11/202217马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈 根据并联结构得: 相应的Z变换为 则,并联后滤波器的滤波因子为C.反馈8/11/202218马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈8/11/202219马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈 由反馈滤波器的结构可知: 因此, 即 作相应的Z变换,则8/11/202220马尽文4.3系统的组合串联、并联及反馈 反馈滤波器 递归滤波器(第11章) 可以看出, 不能直接由 , 表出
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