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文档简介
第— 绪 (第二 连续时间系统的时域分 (第三 连续信号的正交分 (第四 连续时间系统的频域分析 (第五 连续时间系统的复频域分析 (第六 连续时间系统的系统函数 (第七 离散时间系统的时域分析 (第八 离散时间系统的变换域分析 (第九 线性系统的状态变量分析 (~、教材说信号与线性系统(第四版高等教育出版 管致中主二、辅导课阶段安教材重点、难点、考点精名校考研真题及典型题的分类解课程内容的整体串讲及模拟试题分三、教材内第—章绪论第二章连续时间系统的时域分析第三章连续信号的正交分解第四章连续时间系统的频域分析第五章连续时间系统的复频域分析第六章连续时间系统的系统函数第七章离散时间系统的时域分析第八章离散时间系统的变换域分析第九章线性系统的状态变量分析1第一 绪【本章知识要点—、信信号的分信号的简单处(1)相加、相(2)延(3)尺度变二、系统系统的描系统的分(1)线性非线性系(2)时不变时变系(3)连续时间离散时间系(4)因果非因果系~、信信号的分①信②信
确定信号随机信连续信号离散信a能量信号:E<!,0,E=lim∫
f(t)2③信
-功率信号:P<!,E→0,P=lim f(t)2④信
→!2a周期信号:连续:f(t)=f(t+离散:f(k)=f(k+mN)(m=0,±1,±2,…能量信号(脉冲信号
(功率信号非周期信号:可能 功率信号(εt)非能量/非功率信号(tεt)2周期信号的判别及周期的确定例:1.f(t)=asint- (依据)周期信号的傅里叶级数展开 f(t)=
+∑(a
Ωt+b
t)
Ω=2 2nT若找出各角频率的最大公约数Ω则T=TΩ若无法确定Ω则f(t)为非周期信号 因为ω1=1ω2=3的最大公约数为Ω=故T=Ω
=2)2.f(t)=asin(5t+bcos(6+csin() 由于
=2
=570
=5
=4=70
=07的最大公约数为Ω=故T=Ω
=140(3.f(t)=asin(3t)+bcos( ①π≈3,该信号为周期信②π…,该信号为非周期信号能量信号与功率信号的判别 1.f(t)=e-εt),α0.2.f(t)=Acos(ω0t2.信号的简单处 都是针对时间“t”而变换①相加:f(t)=f1(t)f2(②相乘:f(t)=f1(t)·f2(③时移:f(t)→f(t-t④尺度变换:f(t)→f(a>1:f(t)在t轴压缩到a0<a<1:f(t)在t轴扩展到1a⑤反褶(反转):f(t)→f(- 已知f(t),求f(-2t-1)3右
反步骤:f( →f(t- →f(2t- →f(-2t- 已知f(3-2t),求f(步骤:f
左3f(t+
压2f(2t+
反转f(-2t+二、系
右 扩 反系统的描系统的分(1)线性系统和非线性系1°分解 r(t)=rzi(t)+rzs(2°零输入线3°零状态线性判断方法:(1)先判别分解(2)再分别判别零输入响应和零状态响应是否具有线性性质 判断下列系统是否为线性系统41.r(t)=e-tx(0)
∫sinxe(x)∫02.r(t)=e(t)x(0)
∫e(x)∫03.r(k)=(0.5)kx(0)+e(k)e(k- 判断下列方程所描述的系统是否为线性系1.dr(2.dr(dr(3.
+r(t)=e(t)++[r(t)]2=e( de(+tr(t)+5∫r(τd dt+e(依据:在激励ke(t)+ke(t)作用时,判断系统的响应是否k1r1(t)+k2r2((2)时不变系统和时变系若e(t)→rzs(则e(t-t)→rzs(t-t判断方法:先经系统再时移=先时移再经系统 判断下列两个系统是否为时不变系统1.r(t)=cos[e(t) 2.r(t)=e(t)· 判断下列方程所描述的系统是否为时不变系1.dr(d2r(
+3r(t)=e(d2. +tdtr(t)+r(t)=2e(3.r(k)+4r(k-1)+4r(k-2)=e(k-4.r(k)+4r(k-1)+r(k-1)r(k-2)=e(k-结论:若系统方程为常系数微分(差分)方程,则系统是时不变的(3)连续时间系统和离散时间系(4)因果系统和非因果系判断方法:响应不可能出现于激励之 r(t)=2e(t-3)所描述的系统为因果系r(t)=2e(t)所描述的系统为非因果系 一具有两个初始条件x1(0)、x2(0)的线性时不变系统,其激励为e(t),输出响应为r(t)。已知:(1)当e(t)=0,x(0)=5,x(0)=2时r(t)=e-t(7t+5),t>5 (2)当e(t)=0,x(0)=1,x(0)=4时r(t)=e-t(5t+1),t> (3)当e(t(3)当e(t),x(0)=1,x(0)=1时r(t)=e-t(t+1),t> 0,t<3,t>求:e(t) 时的零状态响应0,t<6第二 连续时间系统的时域分本章知识要—、线性时不变系统的响
卷积二、奇异函数εt),δt),δt)三、冲激响应h(t)四、卷积积~、线性时不变系统的响1.古典dn dn-1 dm-1 dtn+an-1dtn-1+…+a1dt+a0r=bmdtm+bm-1dtm-1+…+b1dt+b0e(2-n阶线性常系数微分方r(t)=齐次解特=自由响应强迫响=零输入响应零状态响(1)零输入响应rzi(①转移算子H( d=p
dtn=则式(2)表示 pnr+apn-1r+…+apr+ar=bpme+ pm-1e+… (pn+apn-1+…+ap+a) (bpm+ pm-1+bp+b) D(故
N(r(t)=N(p)e(t)D(
N( 10定义:转移算子H(p) = 10②rzi(t)的求
D( pn+
pn-1+…+ap+D(p)r(t)= 齐次方7 D(p)=0特征根λ,λ,…,λ(设均为单根)故r(t)=Ce+Ce2+…+C 其中,,…Cn由n个初始条件确定说明:λ(i=1,…,n)称为响应中的自然频例1已知系统的转移算子H(p) p+ ,未加激励的初始条件r(0)=1、r′(0)=2,p2+3p+该系统的零输入响应,并指出自然频率(2)零状态响应rzs(D(p)r(t)=N(p)e(对于较复杂的激励e(t),求rzs(t)需要求解复杂的非齐次方程,计算量大,不常采用卷积rzs(t)主要用卷积积分的方法来求,该部分在后续内容中详细讲解二、奇异函数εt),δt),δ单位阶跃函数εεt)说明
t>不定 t= t<应用:用εt)及εt-ti)表示信号例2:单位冲激函数δ8定义δ(t)=0,t≠δ(t)=!t=∫!∫ δt)dt=性质:
=δ∫t∫δτdt=ε∫!∫ δt)dt=③δt)=δ-④f(t)δt)=f(0)δf(t)δt-t0)=f(t0)δt-t0∫!∫f(t)δt)dt=f(⑤∫!∫f(t)δt-t0)dt=f(t0
取样⑥δat)=a
δ冲激偶δ性质:①δ-t)=-δ②f(t)δt)=f(0)δt)-f′(0)δ∫!∫ δt)dt=∫t∫ δ(τd=δ例3(1)y(t)=td[e-tεt) ∫!∫(2)y2(t)(3)y3(t)
e-t[δt)+δt)]∫∫tt(4+τ)δ1-τ9∫—∫—(4)y4(t) (
+τ
三、冲激响应h(1.定2.求(1)一般情况 h(n)(t)+ah(n-1)(t)+…+ah′(t)+ah(t)=δt)h(0)=h′(0)=…=h(n-1)(0) 则+h(n-1)(0)=+ h(n-2)(0)=…h′(0)=h(0) (2)h(n)(t)+ah(n-1)+…+ah′(t)+ah(t)=bδ)(t)+bδm(t)+…+ b0δ第一步:先求h(n)(t)+ah(n-1)(t)+…+ah′(t)+ah(t)=δt)得到h( n-1 1 0 第二步:利用线性时不变系统的齐次性,可加性和微分性质m m-1 1 0 h(t)=bh()(t)+ h(m(t)+…+bh′(m m-1 1 0 已知系统的微分方程为r″(t)+3r′(t)+2r(t)=e(t)+4e″(t)-5e(t)求冲激响应h(t)。 特征根λ=-1=-2 设δt)单独作用的冲激响应为h(t),则h(t)=(Ce-t+Ce-2t) 又h()=1h()=故C1+C2=∴C1C1+C2=–C1-2C2=1∴h(t)=(e-t-e-2t)εt)系统的冲激响应为1h(t)=h1(t)+4h″1(t)-5h1(=δt)-3t)+(8e-2t-e-t)εt)+4t)+(4e-t-16e-2t)εt)-(5e-t-5e-2t)ε=δt)+δt)-3e-2tεt)-2e-tε练习(1)求系 dr(t)+3r(t)=2de(t)的冲激响 (2)求系 dt3r(t)+dt2r(t)+2dtr(t)+2r(t)=dt2e(t)+2e(t)的冲激响应阶跃响应ε(1)定义(2)求解tttεt)=∫δτd→εt)=ttt
h(τd=∫h(τ 求上题中的εt)四、卷积积叠加积
e(t)
!∫e(τδt-τ∫
!∫e(τh(t-τd=rzs(∫=e(t)δ( e(t)h(t)=rzs(∫!∫ rzs(t)=e(t)h(t)卷积积分的定
e(τh(t-) 卷积积f(t)=f1(t)f2(t)
!∫f1(τf2(t-τ∫卷积积分的物理意!!∫r(t)∫
e(τh(t-τ系统的零状态响应等于系统的激励与系统冲激响应的卷积积分卷积积分的性(1)卷积的代数运①交换律f1(t)f2(t)=f2(t)f1(②分配律f1(t)[f2(t)f3(t)]=f1(t)f2(t)f1(t)f3(③结合律[f1(t)f2(t)]f3(t)=f1(t)[f2(t)f3(t)(2)函数与冲激函数的卷f(t)δ(t)=δt)f(t)=f(t)δ(t-t1)=f(t-t1
∫δτf(t-τd=f(∫f(t-t1)δ(t-t2)=f(t-t1-t2(3)卷积的微分与积①卷积的微分:若f(t)=f1(t)f2(t)=f2(t)f1(df(t)=df1(t)f(t)=df2(t)f(t) ②卷积的积分若f(t)=f1(t)f2(t)=f2(t)f1(∫∫ ∫∫ f(x)dx=
tt∫f1(x)dx]f2(t)=∫
f2(x)dx]f1(f(t)ε(t)=f(
∫t∫δτd∫t∫
f(τ③卷积的微分与积分 f1(t)f2(t)④函数延时后的卷积若f1(t)f2(t)=f(t)则f1(t-t1)f2(t-t2)=f(t-t1-t2)5.卷积积分的计算
dtf1(
-!
f2(x)dx=[
f1(x) f2((1)用定义 ①求εt)ε(②求e-2tεt)e-3tεt)练习:求εt)eλtεt)(2)图解f(t)=f1(t)f2(t)步骤①f1(t)→f1()
!∫f1(τf2(t-τ∫反 时②f2(t)→f2()!
→f2(- →f2(t-③求
f1(τf2(t-τ t< f1(t) ,f2(t)=2(0t3),求f1(t)f2(t) t> ①t"-f1(τ·f2(t-τ=∫!∫故f1(t)f2(t)②-1t1f(t-τ=t-
f1(τf2(t-τd=∫ t- ∫故f1(t)f2(t) ③1t2
2d=(2–4
t
∫1∫f1(t)f2(t)
t-τd=2④2t41t
∫ t-τd=-t2+∫f1(t)f2(t)
t
2+⑤ f1(t)f2(t)=波形t2+t+1 1 f1(t)f2(t)=
1t2 -4+
+ 2t4 其它说明:积分上下限和卷积结果区间的确ττ卷积结果区间一般规律:下 上f1( [ f2( [ f1(t)f2( [A+ B+ 已知f1(t),f2(t)的波形,令f(t)=f1(t)f2(t),试求f(3)(3)用性质 ①求εt-1)ε(t-②已知e(t),h(t),求r(t)=e(t)h(t)第三 连续信号的正交分【本章知识要点—、周期信号的分 傅里叶级二、非周期信号的分析 傅里叶变换三、周期信号的傅里叶变换四、帕塞瓦尔定~、周期信号的分析———傅里叶级三角傅里叶级
定性质f(t)=
!+∑[acos(
t)+bsin(
t) n Acos(nΩ=0Acos(nΩ n1 Ω=2π:基波频TT:周n:谐波频:直流分22Tt1∫f(t)cos(ndta0t2Tt1∫t11任意一个代表信号的函数可以用2Tt1∫f(t)cos(ndta0t2Tt1∫t11an
2t1
f(t)bn=T f(t)sin(ntdt(n=1,2,3…1 槡an=An槡bn=-An
A n=-a anan=a-bn=-b-
An=n(幅度频谱φn=φ-n(相位频谱说明:只有函数f(t)满足Dirichlet条件时,f(t)才可以分解为谐波分量 试画出f(t)=1+2t-3cos(3-π)+4cos(5+π)的单边谱 指数傅里叶级
1
jnf(t)
∑Ae·其中
φ
2t1∫T∫
f(t)e-t
2n nAn=n(双边幅度谱nφn=φ-n(双边相位谱例说明:周期信号频谱的特点:离散性、谐波性、收敛性函数的偶、奇性及其与谐波含量的关(1)f(t)为偶函数f(t)=f(-an
T f(t)cos(n12t11
包含直流分量,余弦分bn=(2)f(t)为奇函数f(t)=-f(-∫an=0a0=∫
包含正弦分bΩ2t1bΩT f(t)sin(nt)Tt1(3)f(t)为奇谐函数f(t)=-f(t+T2n为偶数:an=bn=
只包含奇次谐波分(4)f(t)为偶谐函数f(t)=f(t+T2n为偶数:an0bn0n为奇数:an=bn=0
只包含偶次谐波分 利用信号的奇偶性,判断下图中信号的傅里叶级数所包含的分量 已知周期信号f(t)前四分之一周期的波形,按以下条件绘出整个周期的信号波形:f(t)是的偶函数,其傅里叶级数只有偶次谐波二、非周期信号的分析———傅里叶变1.定F(jω
!∫f(t)e-jωt∫∫1 ∫
f(t)F(f(t)
F(jωe频谱密度函数F(jω
F(
e∫!∫说明:非周期信号f(t)傅里叶变换存在的充分条件
f(
dt<常用傅里叶变换(1)δt)(2)12πδ((3)δt)(4)εt)πδ(ω+(5)e-ε 1(α>α+(6)e-αtε (α>α2+(7)g(t)τSa( (8)sgn( (9)costπ[δω+ω0)+δω-ω0)intjπ[δω+ω0)-δω-ω0)傅里叶变换的性(1)线 a1f1(t)+a2f2(t)a1F1(jω+a2F2(0(2)延时f(t±t)F(jωe±0c(3)移频f(t)eωtF[j(ω-ω)c应用:f(t)coωt1F[j(ω+ω)]+F[j(ω-ω)] f(t)intj1F[j(ω+ω)]-F[j(ω-ω)] 求该信号的傅里叶变f1(t)=2(t)cos((4)尺度变f(at)
F(jωa 求e-2tεt+1)的傅里叶变(5)奇偶F(jω的奇偶F(jω
∫f(t)e-dt∫
∫∫f(t)cos(ωtdt-∫∫
f(t)sin(ωt=R(ω+jX(=F(jωe R(ω=R=(-X(ω=-X(-
F( =F(-φω=-φ-(6)对称性 若f(t)F() 则F(jt)2πf(-)例1求Sa(t的傅里叶变换例2求1
的傅里叶变例3 2α的傅里叶变2+(7)时域微df(t)jωF(jωddnf(
()nF(例 δt)例2求三角函数的频谱密度函(8)时域积
∫tf(τdτπF(0)δω+F(∫t 若F(0)=0
∫f(τ∫!
其中F(0)=F(jωω
f(t)== 求f(t)的傅里叶变(9)频域微分(-jt)f( dF( 求tεt)的傅里叶变(10)卷积定频域卷积定理:f(t)f( 1F(ωF( 2 例1求下图信号的傅里叶变例2利用频域卷积定理求cos(ωt)εt)的傅里叶变三、周期信号的傅里叶变 TF(jω=π∑Anδω-nΩΩTn周期信号的频谱函数是一个冲激序列,各个冲激位于各次谐波频率处,各冲激的强度分别等于各次谐波复振幅的π倍。 求δT(t)的傅里叶变换 四、帕塞瓦尔定周期信号的功
A 1 A∑P=f2(t)=(0 ∑
∑
(n 2n1 n 周期信号的平均功率在各次谐波中分布,其功率等于直流功率与各次谐波功率之和非周期信号的能
∫!∫W
f2(t)dt=
∫F()∫ 已知f(t)的频谱函数为F(jω,求下列各值∫!∫(∫!∫
F(jω(
F(
2第四 连续时间系统的频域分【本章知识要点—、频率响应H(jω及在系统分析中的应用二、调制与解调三、无失真传输条~、频率响应H(jω及在系统分析中的应频率响应H((1)定E(jω·H(jω=R()R()H(jω
E(
=F[h(t) H(jω
H(
e(H()~ω幅频响φω~ω相频响(2)求解方①已知系统方程r″(t)+3r′(t)+2r(t)=2e′(t)+3e(②已知系统结2.零状态响 Rzs(jω=E(jω·H(jωr(t)=F-1[R(jω
τ1!e(τ例1某系统的输入e(t)与输出rzs(t)的关系为rzs(t)(1)求系统的频率响应H(
π∫!t-(2)证明rzs(t)与e(t)的能量相 例2已知H(jω
H(
e(ω),激励e(t)=2+n
cos(nt)求零状态响应r(t)n例3求e(t)=sin(2
的信号通过图(a)系统后的输出,系统中理想带通滤波器的传输特性图(b)示,其相位特性φω=0例4如图所示系统,已知h(t)=d[sin(2t)],H(jω=eω dt h(t)=εt),h(t)=sin(6t) (1)求复合系统的频率响应H(jω和冲激响应h(t)(2)若输入e(t)=sin(4t)+cos(t),求系统的零状态响应r(t)二、调制与解调制与解调的概①调制:由待传输的低频电信号(调制信号),去控制另一个高频振荡信号的振幅、频率或初相位等参数之一。a0(t)=A0cos(ωct+φ0幅度调制(M):用调制信号去控制高频振荡信号的振幅,使振幅不再是常数,而是按调制信号的规律在变化,该调变振幅的过程成为~。频率调制(M):调变的是高频振荡信号的频相位调制(M):调变的是高频振荡信号的初相另外:脉冲调制:用调制信号去控制一个脉冲序列的脉冲幅度,脉冲宽度或脉冲位置等参数之一。说明:a0(t)=A0cos(ωct+ 载ωc= 载②解调:从已调信号中恢复或取出调制信号的过程,是调制的逆过程抑制载频调幅(①调制a(t)=e(t)cos(ωcA(jω=1E[j(ω+ω)]+E[j(ω-ω)] 频谱图频带宽度:BA=②解调c(t)=1e(2b(t)=a(t)cosωt=e(t)cos2(ωt)=1[e(t)+e(t)cos(2ωt) B(jω=1A[j(ω+ω)]+1A[j(ω-ω) =1E[j(ω+2ω)]+1E(jω+1E[j(ω-2ω) 说明:调制解调中的载波必须严格地同频同相,否则无法恢复原信号的频谱结构,从而发生信号失真。振幅调制(a(t)=[A0+e(t)]cos(ωt)=A0cos(ωt)+e(t)cos(ωA(jω=πA[δω+ω)+δω-ω)]+1E[j(ω+ω)]+1E[j(ω-ω) 频带宽度BA=
说明:
e(
n若e(t)=∑Enmcos(Ωt+φn1 a(t)=[A0+e(t)]cos(ωn=[A0+∑Enmcos(Ωt+φn)]cos(ω1n=A0[1+∑mncos(Ωt+φn)]cos(ω1Am=Enm:表示调制信号中n次谐波分量对载频幅度控制程度An0称为部分调幅系数n令φn= 1nE(jω=∑Em[δω+Ω)+δω-Ω)1调幅信号的频nA(jω=π[δω+ω)+δω-ω)]+ nm[δω+ +ω)+δω+ –ω)2 2n
2 nm[δω-2
+ω)+δω-Ω-ω) 1调幅信号的功率:载频功率P=A 2!边频功率P=∑n 2 有一调幅信号为a(t)=A[1+0.3cos(ω1t)+0.1cos(ω2t)]sin(ωct),其中:ω1=2×5×103rad/s、2ω=2×3×103rad/s、cω=2×45×106rad/sA=100V,试求:(1)部分调幅系数(2)此调幅信号加到1电阻上产生的平均功率、载波功率与边频功率三、无失真传输条r(t)=Ke(t-t0无失真传输的条件1.时域:h(t)=Kδt-t0)频域:H(jω=e-0H()=φω=-第五 连续时间系统的复频域分【本章知识要点—、单边拉普拉斯变换二、常用信号的F(三、拉普拉斯变换的基本性质四、拉普拉斯反变换五、线性系统的拉普拉斯变换分析法六、双边拉普拉斯变换七、信号流图八、系统模~、单边拉普拉斯变为什么引入拉普拉斯变换!1.定!F(s)
∫f(t)e-stf(t)=
∫∫
+!σ-
F(s)estds]ε或f(t)F(收敛区(收敛域把f(t)e满足绝对可积的σ值的范围称为收敛区通常f(t)是指数阶函数且有分段连续的性单边拉普拉斯变换的收敛区为某条直线的右半边平lim(t)e=0?,σ> σ0:收敛坐(1)单个脉冲信号:收敛区为全平面(2)单位阶跃信limεt)e-]=0?,σ>(3)指数函数lim[e·e-]=lime(α-t=0?,σ> 二、常用信号的F(若f(t)的拉普拉斯变换收敛区包括j轴在内,则F(s)=F(jω敛区不包括j轴在内,则F(s)必须由积分式求得。1.δt)2.eεt) s-
jωs;若f(t)的拉普拉斯变换3.εt) 4.tnε 5.tt)
,t2εt) 6.sin(tε s2+7.cos(βtε s2+8.sinh(tε s2-9.cosh(βtεt) 10.δt)三、拉普拉斯变换的基本性1.线设f1(t)(s)f2(t)(s)则a1f1(t)+a2f2(t)a1F1(s)+a2F2( 求δt)+e-2tεt)的拉普拉斯变尺度变设f(t)F(s),则f( 1F(s),(a> 求f(t)=cos(2t)εt)的拉普拉斯变时间平 设f(t)F(s),则f(t-t)εt-t)F(s)e-st0, 求下图中f(t)的拉普拉斯变频率平0设f(t)F(s),则f(t)es0tF(s-s0例1已知t
,则e-ttε例2已知cos(2t)ε( s,则e-2tcos(2t)εs2+时域微设f(t)F(ddf( df( ( sF(s)-sf(0-)-sf′(0)-…- (0 dtsF(s)-f(0-2d2f(2 sF(s)-sf(0)-f′(0ndnf(n若f(t)为因果信号,即t<0时f(t)=0, sF( 求f(t)=dt2[sin(t)εt)]的拉普拉斯变时域积设f(t)F(s),
t∫f(τ∫0
∫ F(∫
0∫f(τ∫f(τ
+ 求f(t)的拉普拉斯变复频域微设f(t)F(s),则(-t)f( dF( 求t2e-tεt)的拉普拉斯变初值定(1)设f(t)及f′(t)存在,并有拉普拉斯变换,f(+)=mt)=isF(s)(F(s):真分式t0 (2)若f(t)在t=0处有冲激及其导数, f( a+as+…+asp+F(s)(F(s): 那么f()=limsFp(终值定设f(t)及f′(t)存在,并有拉普拉斯变换,且F(s)的所有极点都位于s左半平面内(包括在原点处的单极点)则f(!)=lif(t)=sF( (s+1)
原函数的初值f()和终值f(卷积定时域卷积:f1(t)f2(t)F1(s)·F2(复频域卷积:f(t)f( 1F(s)F( 2 应用:rzs(t)=e(t)h(t)Rzs(s)=E(s)H(s)四、拉普拉斯反变f(t)=
+!σ-
F(s)estds]ε∫1.部分分式展开法(F(s)为有理函数∫2.留数法(围线积分法部分分式展开N(s) bsm+bsm+…+bs+bF(s)= =m 10D( sn+10
sn-1+…+as+ n:F(s)表示为多项式与真分式之 (长除法m<n:F(s)为真分式,直接用该方法3s3+2s2-4s+ 长除法F(s) s2+2s+多项式:其原函数为冲激函数及其各阶导数之和(1)m<n,D(s)=0的根无重根情 F(s) +… ··· =s- s- s- i1s-Ki=(s-si)F(s)snf(t)=∑Kiesitεi例1求F(s)例2求F(s)例3求F(s)
s+4 的原函数f(t)s3+3s2+2s 的原函数f(t)s2+2s+5 的原函数f((s+1)(s2+ 求F(s) s+ 的原函数f(s2+10s+(2)m<n,D(s)=0的根有重根的情况设D(s)=0有p阶重根=F(s)=N(=
N(
K1(p+
+…
+…
D( (s-s) (s-s) (s-s) (s-s) (s-s dp- 其中K1k=(p-k)!dspk[(s-s)F(s)1(s-s)1特例:p=
tk-1es1tε(k-1)
sK=(s-s)2F( K=d[(s-s)2F(s) s s 求F(s) 的原函数f(s(s-1)2.留数法(围线积分法 真分∫f(t)=1∫
+!σ-
F(s)est s=R→!?
F(s)→f(t)=
F(s)estds
n∑s2 i∫左边的积分:平面内沿一不通过被积函数极点的封闭曲线进行等式右边:围线中被积函数各极点上留数之和∫t>0 f(t)
+!σ-
iF(s)estds=∑iit<0 f(t)=n∴f(t)=∑sεi(1)F(s)为有理函数,在s=sk为一阶极点时,其留数为 Res=[(s-s)F(s)est
s(2)F(s)为有理函数,在s=sk为p阶极点时,其留数为 dp Resk=(p-1)![dsp-1(s-sk (1)F(s) 24(s+s(s+12)(s+
F(s)e
s4s2+17s+(2)F(s)=(s+2)2(s+结合拉普拉斯变换的基本性质求反变换例1求
1-e-s )的拉普拉斯反变例2求下列函数的拉普拉斯反变(
s+( 1+(3)
1-e-s 五、线性系统的拉普拉斯变换分析1.系统的拉普拉斯变换分析e(t)h(t)=rzs(t)E(s)·H(s)=Rzs(系统函数:H(s)=Rzs(E(①由微分方程的拉普拉斯变换求②由电路的s域模型求③由h(t)的拉普拉斯变换求微分方程的拉普拉斯变rr(n)(t)+ar(n-1)(t)+…+ar′(t)+ar(t)=be()(t)+…+be'(t)+be(r(0),r′(0),…,r(n-1)(0
1d2r(
dr(
,t例1用拉普拉斯变换法分析 dt2+3dt+2r(t)=0,r(0)=1,r′(0)=2的响应例2求微分方程r″(t)r′(t)r(t)=3e(t)的零输入响应和零状态响应,已知e(t)=ε,r(0)=1,r′(0)=23.电路系统的拉普拉斯变(1)R、L、C元件的s域模电阻②电容③电感(2)S域KCL,∑t)=0→∑s)=∑t)=0→∑s)= 已知e(t)为2v直流,设开关S在t=0时断开,断开前电路已达稳态,求电压u(t),并指出其中的零输入响应与零状态响应;受迫响应与自然响应;瞬态响应与稳态响应。系统函数H(R( 0H(s)=E( εt)=∫h(τ0h(t)H( R(s)=H( 例1求微分方程是dr(
+2r(t)=de(
+e(t)的系统,在如下激励信号时的零状态响应(1)e(t)=e-tε(2)e(t)=e-2tε例2电路如下图,激励为e(t),响应为i(t),求冲激响应和阶跃响应例3因果系统,当e1(t)=εt)εt)时零状态响应rzs1(t)如图示,求当e2(t)=t[εt)εt)]时的rzs2(t)例4已知LTI系统的H(s)=s2+4s+3,输出r(t)的初始状态r(0)=1,r′(0)=2,为全响应r(t)=0,求输入e(t)六、双边拉普拉斯变1.定Fd(s)其
!∫f(t)e-st∫f(t)=fa(t)εt)+fb(t)ε-0!Fd(s)=∫f(t)edt+∫f(t)e0!ba ba =Fb(s)+Fa(如Fa(s),Fb(s)同时存在,即二者有公共收敛区,则Fd(s)存在如Fa(s),Fb(s)无公共收敛区,则Fd(s)不存在。2.右边函数:fa(t)εt)Fa(s)收敛区为某直线的右半区域左边函数:fb(t)ε-t)Fb(s)收敛区为某直线的左半区 eαtε
s-eβtε- -
s-双边拉普拉斯反变(1)极点的归属:哪些极点由左边函数形成,哪些极点由右边函数形成(2)反变换的方法:部分分式展开法,常用变换对3s2+6s- 求对应于不同收敛区时的原函数,已知Fd(s)=(s+1)(s+3)(s-(1)σ<- (2)-3<σ<- (3)σ>七、信号流信号流图:用线图结构来描述线性方程组变量间的因果关系,便于求得H(s)常用术(1)结点:表示信号变量的点,兼有加法器的作(2)支路:表示信号变量间因果关系的有向线(3)支路传输值(支路增益):支路因果变量间的转移函(4)闭环(回路):信号流通的闭合路(5)自环:仅包含一条支路的闭(6)前向路径:由源结点至汇结点,不包含任何回路的信号流通路径。2.流图的化简规(1)支路串(2)支路并(3)自环消3.梅森公 求信号流图总传输值(总增益1(1)Δ流图行列
H ∑PΔiΔiΔ=1-∑Li+∑LiLj-∑LiLjLk+ i, i,j,式中∑Li:所有不同回路的增益之i∑LiLj:所用两两不接触回路的增益乘积之∑LiLjk:所有三个互不接触回路的增益乘积之(2)Pi:第i条前向通路的传输Δ:第i条前向通路流图行列式的余因例1求系统函数R(E(例2已知系统函数H(s) (s+1)(s+ ,试作直接式,并联式及级联式流图(s+2)(s2-2s+八、系统模拟(将流图表示为框图级联模第六 连续时间系统的系统函【本章知识要点—、系统函二、系统函数的表示三、系统函数的极零点分布与时域特性的关系四、系统函数的极零点分布与频率特性的关系五、系统的稳定性~、系统函1.定2.意(1)rzs(t)=e(t)h(t)即H(s)h(t)(2)当e(t)=est∫!∫
H(s)=Rzs(E(rzs(t)=h(t)e(t)!
h(τes(t-可见
=
h(τe-st=H(s)①系统函数是系统对复指数信号的加权系数,与输入无关,反映系统本身特性②h(t)是对系统的时域描述,而H(s)是对系统的复频域描述二、系统函数的表示H(s)H(s) D( ans+an-1 +…+a1s+
数学表达式:数学表达式:简单,但无法看出系统的特性=mn
sm-1+…+bs+ 图示法:可表示出系统特
频率特性曲线复轨迹极零频率特性曲H(jω=H(jωe幅频特性:H()~相频特性:φω~说明:s=σ+ H(jω=H(s)σ复轨H(jω=U(ω+jV(=H(jωe(式中U(ω=H(jωco(V(jω=H(jωin(固定σ值,改变ω,可得到幅 相角特性曲线取σ=,复变量s沿j轴变化,映射到平面中得到的曲线为系统函数的复轨迹极零系统函数一般是一个实系数的有理分式,N(s) bsm+bsm+…+bs+bH(s)= =m n10D( asn+n10
sn-1+…+as+(s-z)(s-z)…(s-z
= (s= (s-p)(s-p)…(s-p12nzi:系统函数的零pj:系统函数的极““i = ∏(s-pjjaH=a0n H(s) s(s+1)(s+3)(s- ,试画出该系统的极零图(s+2)(s2+1)(s2+2s+三、系统函数H(s)的极零点分布与时域特性h(t)的关通过讨论极零分布与时域特性的关系,来讨论系统稳定性对极点分布的要求1.h(t)的形若H(s)=N(D(
为真分式,且具有单阶极点
、
、…、pnn则h(t)=Kep1t+Kep2t+…+Kepnt=∑K k1结论:①h(t)为一系列指数函数之和,每一指数函数对应于系统函数H(s)的一个极点②h(t)的形式仅由H(s)的极点确定2.H(s)与h((1)极点在s的左半开平极点在负实轴—阶极
(α>s+二阶极 as+(s+α极点不在负实轴—阶极 N((s+α2+(2)极点在j轴极点在原—阶极点s二阶极点②极点不在原点一阶极点 s2+(3)极点在s的右半开平极点在正实轴—阶极点 二阶极 as+(s-α极点不在正实轴—阶极 N((s-α2+结论(1)极点位置决定了h(t)的大致形(2)左半开平面的极点对应h(t)是衰减 系统稳(3)右半开平面的极点对应h(t)是增长 系统不稳(4)j轴上的极—阶极点应h(t)为等幅的临界稳定高阶极点对应h(t)为增长的不稳定总结论:稳定系统的系统函数的极点只能在s的左半平面内,如果在jω轴上有极点,则只能是单阶的,对零点无限制。四、系统函数H(s)的极零点分布与频率特性H(jω的关H(jω=H( 1) 2)… m 1) 2)… m分析:若H(s)=H0(s-p)(s-p)…(s-p
s则(j-z1)(j-z2)…(j-H(jω=H0(j-p)(j-p)…(j-p B1B2…Bmj(β+β+…+β-α-α-…-α 1=H0AA…1
e1
m1 极点矢量mH0∏ i ej(β∑ 零点矢量en∏k
i1k=H(
e(H(jωH0的系数φω:
:零点矢量模的乘积除以极点矢量模的乘积,再乘◦点矢量的相角和减法极点矢量的相角和1.全通系 H(s)的零点与极点关于j轴对2.最小相移系 H(s)的零点位于s的左半平φ(ω=β(α1α2)对具有相同幅频特性的系统函数而言点位于左半开面的系统画数频特性φω最小五、系统的稳定系统的稳定及其条稳定系统:有界激励产生有界响应的系统,即 e(t)M,0t!, r(t)Mrt!充要条件:!
h(t)d<02.罗 霍维茨判前提:H(s)的极点都位于s的左半开bsm+…+bs+=H(s)=
D(
asn+…+as+
m< D(s)=asn+…+as D(s)=所有的根均在s左半开平面,此多项式为霍维茨多项(1)an,an,…a,a0均为(2)不能缺(3)列罗斯 霍维茨阵列罗 霍维茨阵列行112an-an-an-53cn-cn-cn-54n+…………其1a
=a
n
=-1
… 1dn-1=-
1dn-3=-
…
指出:D(s)为霍维茨多项式的充要条件(1)第一列元素均大于零(D(s)=的根都在s的左半开平面(2)如果第一列元素的符号不完全相同,那么变号的次数就是在右半平面根的数目。例1判别多项式D(s)=s4+s3s2+s是否为霍维茨多项式例2已知H(s) ,为使系统稳定,常数K应满足什么条件s3+3s2+3s+1+例3如图示单环反馈系统,若G(s) s(s2+s+βs)=s+
,试确定使系统稳定的值范围第七 离散时间系统的时域分【本章知识要点~、离散时间信号及其时域特1.离散时间信号的定义2.常见典型序列及其关系离散时间信号的运算二、离散时间系离散时间系统的描2.离散时间系统响应的求解3.离散时间系统的稳定性离散时间系统的模拟三、取样定~、离散时间信号及其时域特离散时间信号的定(1)仅在一些离散时刻k(k=0、±1、±2、…)上才有定义的信号,用f(k)表示(2)连续时间信号f(t)经过抽样后所得到的抽样信号,用f(kT)表示,为抽样周期,简写为f(◦(1)单位函数(或单位序列)δδk)
1k=00k≠(2)单位阶跃序列εεk)
1k 0k<(3)矩形序列(GN(k) 1,0kN- 其(4)实指数序f(k)=akε a为实(5)εk)与δk)的关δk)=εk)-εk- εk)=∑k-n)=∑δn nk 求序列和∑
nδn) n 离散时间信号的运(1)加法和乘(2)移位、翻转和尺度变①位移y(k)=f(k-②翻转y(k)=f(-
f(k)=f1(k)+f2(k)f(k)=f1(k)f2(③尺度变 y(k)=f((3)卷积①定②性
!f1(k)f2(k)=∑f1(i)f2(k-i1°交换 f1(k)f2(k)=f2(k)f1(2°分配 f1(k)[f2(k)+f3(k)]=f1(k)f2(k)+f1(k)f3(3°结合 [f1(k)f2(k)]f3(k)=f1(k)[f2(k)f3(k)③几个常用的卷10f(k)δ(k)=f( 20f(k)δ(k-k)=f(k-k 30εk)ε(k)=(k+1)ε4εk)aεk)4εk)aεk)=1-aε50akεk)bkεk)④卷积的求
ak+1-bka≠aa≠ak(k+1)εk)a=!∑10按定义求(针对无限长序列)f(k)f(k) f(i)f(k-∑ i 求εk)ε(k-!2°图解 f(k)=f1(k)f2(k)=∑f1(i)f2(k-i步骤a.f1(k)→f1(b.f2(k)→f2(!
翻→f2(-
延→f2(k-c.求f(i)f(k-i 已知f1(k) 1k=0、1、2求f(k)=f1(k)f2( 其3°不进位乘法(针对两个有限长序列说明:上下限是两个序列上下限之上题:f1(k)={1,1,1}f2(k)={1,,2,3}可求出的f1(k)f2(k k4°用性质例1εk-3)ε(k+例2求
εk-
1)kε3二、离散时间系1.离散时间系统的描 差分方(1)差分:设有序列y(k),则…,y(k+2),y(k+1),y(k),y(k-1),y(k-2)…称为y(k)的移位序列。—阶前向差分:Δk)=y(k+1)-y(k)一阶后向差分:yk)=y(k)-y(k-前向差分方程与后向差分方程的关系:Δyk-1)=yk)二阶差分:Δ2y(k)=ΔΔyk))=Δy(k+1)-y(k))=y(k+2)-y(k+1)-[y(k+1)-y(k)=y(k+2)-2y(k+1)+y( 银行存储户每月定期在银行存款e(k),银行支付月息利率为β,每月利息结算,试计算储户在k个月的本息总额y(k)—般差分方程可以写成以下两种形前向差分方 y(k+2)+5y(k+1)+6y(k)=2e(k+1)+e(k)k阶数:未知函数变量的最高和最低移位量的差数n=二阶线性常系数差分方需初始条件:y(0),y(1)数值解y(k+2)=-5y(k+1)-6y(k)+2e(k+1)+e(k)e(k)=εk)(2)=-5y(1)-6y(0)+y(3)=-5y(2)-6y(1)+后向差分方 y(k)+5(k-1)+6y(k-2)=2e(k-1)+e(k-2)k需初始条件y(-1)y(-2)离散时间系统响应的求解y(k+n)+an-1y(k+n-1)+…+a0y(k)=bme(k+m+bm-1e(k+m-1)+…+b0e( 或∑aiy(k+i)=∑bje(k+j)其中an=i jy(k)=yzi(k)+yzs((1)零输入响应yzi(1°一阶差分方程y(k+1)+ay(k)=be(k)齐次方程yzi(k+1)+ayzi(k)=0yzi(k+1)=-ayzi(k)设yzi(0)已知,则yzi(1)=-a0yzi( 0 y(2)=-ay(1)=(-a) 0 y(3)=(-a)3y … 推导:yz(ik)=(-a)ky( 2°移序算s[e(k)]=e(k+s2[e(k)]=e(k+…sn[e(k)]=e(k+3°求解yzi(
e(k+1)比e(k)延迟Ty(k+n)+an-1y(k+n-1)+…+a0y(k)= (sn+an-sn-1+…+a)y(k)= 特征方程:sn+ sn-1+…+a 特征根:v,v,…,vn(单根∑则y(k)=Cvk+Cvk+…+Cvk=nCν ∑ 11 22 nn iii1由初始条件y(0),y(1),…,y(n-1)确定C,C,…,例1前向差分方程表示的离散系y(k+2)-3y(k+1)+2y(k)=e(k+1)-2e(k),已知yzi(0)=0,yzi(1)=1,求该系统的零输入响应。例2后向差分方程表示的离散系y(k)-3y(k-1)+2y(k-2)=e(k-1)-2e(k-已知
(-1)=1,
(-2)=4
,求该系统的零输入响应4°系统的稳定yzi(k)为系统的自然响ν为实ν<稳ν>不稳ν=临界稳定(单根 上题yzik)=-1+2k, 0→系统不稳(2)零状态响应yzs(1°单位函数响应h(①定义
yzs(k)=e(k)h(②求解:(算子法y(k+n)+an-1y(k+n-1)+…+a0y(=bme(k+m+bm-1e(k+m-1)+…+b0e( (sn+asn-1+…+a)y(k)=(bsm+ sm-1+…+b)e( 则bsm+ sm-1+…+y(k)= 0e(k)=H(s)e( 式(7sn+an-1sn-1+…+H(s):离散时间系统的转移算子,是运算符号,作用是e(k)和y(k)作式(7)或(7)的运算bsm+ sm-1+…+ m<n:H(s)= 0 sn+
sn-1+…+ s- s-
s-
s-
Aνk-1εk-n∴h(k)=i
Aνkεk-im=n:H(s) s-
=1+s-则h(k)=δk)+ννkεk-1)=νε③阶跃响应εh(k)与εk)的关∵δk)=εk)-εk-∴h(k)=εk)-εk- ∵εk)=∑i)=∑k-i i ∴εk)=∑i)=∑k-i i1例1已知阶跃响应εk)=6[1-0.(2)]εk),求单位函数响应例2已知单位函数响应h(k)=1δk)+[1(3)k-0.5(2)k]εk)求阶跃响应 2°零状态响应yzs(!yzs(k)=e(k)h(k)=∑i)h(k-i例1已知y(k+2)-5y(k+1)+6y(k)=e(k+2)-3e(k),求h(例2已知一离散时间系统的转移算子H(s) s(7s- 、求h(k)(s-0.5)(s-0.例3已知e(k)=εk)对上题中的H(s),求yzs(!充要条件:k
h(k)由系统特征方程的根的绝对
ν>1
ν<1
ν=来判ν<稳ν>不稳ν=临界稳离散时间系统的模系统表示连离(1)系统输入—输出方微分方差分方(2)框图模三种基本单三种基本单(3)系统函H(H(说明:线性时不变(LTI)连续系 →线性常系数微分方线性时移不变()离散系(1)基本运算单1°加法
→线性常系数差分方2°标量乘法3°延时(2)离散系统的框由移序算子S有:y(k)=N(s)e(D(选中间变量q(k),令e(D(
=q(k),则y(k)=N(s)q( 某离散系统的差分方程为y(k+2)-3y(k+1)+2y(k)=e(k+1)-2e(k)试画出该系的模拟框图三、取样定问题:取样间隔如何定原信号能否由样本点恢复?若能,如何恢复时域:fs(t)=f(t)s(频域:F(jω=1F(ωS( 冲激取1°信号的取 s(t)=δ(t)=∑δt-nTs)S(jω=ωδ(ω=ω∑δω-ωn nTTs:取样周 ωs=Tf=
:取样频F(jω=1F( !δω-nω)=1!F[j(ω-nω) s n 2ωm:频谱无混叠,可恢复f(
Tsnω<2ωm:频谱产生混叠,无法恢复f(2°信号的恢当 2ωm时H(jω
Ts ω< ω>
ωm<
<
-f(t)=fs(t)h(t)!=∑nTs)δt-nTsn
∑f(nT)S[ω(t-nT)πn 说明: 2ωm,3°时域取样定
2fm,Ts"m—个频谱在区间(ω,ω)以外为的带限信号f(t),可唯一地由其在均匀间隔T(T1)m 的样点值f(nTs)确定
s奈奎斯特频率:ωs=2ωm或fs=1奈奎斯特间隔:Ts=m2.脉冲取!s(t)=pTs(t)=∑g(t-nTsn例1已知f(t)的频谱F(jω
ω<2rad/ ω>2rad/
,对f(t)cos(2t)均匀取样的最大Ts为例2有限频带信号的最高频率为200z,若对以下信号进行时域抽样,求fs(1)f((2)f(2t)f((3)f2(第八 离散时间系统的变换域分【本章知识要点—、z变二、常用序列的z变换三、z变换的性质四、逆z变换五、域分系统的零状态响应系统函数Hz)系统的频率响系统的z域框信号流图及系统模离散系统的稳定性六、域与z域的关~、z变从拉氏变换到z变 取样信号fs(t)=f(t)Tt)=f(t)δt-kT)=f(kT)δt-k k!fs(t)F(s)=∑f(kT)k!令z= F(z)=∑f(k)z 双边z变k!F(z)=∑k)z 单边z变k说明:因果序列单边,双边变换相等收敛!∑k
f(k)zk<!(绝对可和条件(1)在部分z平面收1°因果序f(k)=akεz-F(z) z z-结论:因果序列的收敛区为某个圆的圆外区2°反因果序f(k)=bkε-k-F(z)=-z-
z 结论:反因果序列的收敛区为某个圆的圆内区3°双边序f(k)=akεk)+bkε-k-F(z) z-
az- a
z 说明:
a
时F(z)不存结论:双边序列的收敛区是环状区(2)整个z平面收f(k)为有限长序如:f(k)={1,2,3,2,kF(z)=z2+2z+3+2z-1+z-20<z<结论:有限长序列的收敛区为0 z<(3)平面均不收如:f(k)
(12k2k
k<既满
z>
<1,无公共收敛区,z平面均不收敛z2z二、常用序列的z变1.δk)2.ε z-3.akε
z>,z
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