信号与系统 课件 奥本海姆 第五章

第5章离散时间傅立叶变换TheDiscrete-TimeFourierTransform基本内容1.离散时间傅立叶变换；2.常用信号的离散时间傅立叶变换对;3.离散时间周期信号的傅立叶变换；4.傅立叶变换的性质；5.系统的频率响应与系统的频域分析方法；注释:CFS(TheContinuous-TimeFourierSeries):

连续时间傅立叶级数DFS(TheDiscrete-TimeFourierSeries):

离散时间傅立叶级数CTFT(TheContinuous-TimeFourierTransform):

连续时间傅立叶变换

DTFT(TheDiscrete-TimeFourierTransform):

离散时间傅立叶变换

5.0

引言Introduction

本章将采用与讨论CTFT完全相同的思想方法，来研究离散时间非周期信号的频域分解问题。

DFS与CFS之间既有许多类似之处，也有一些重大差别：主要是DFS是一个有限项级数，其系数具有周期性。

在采用相同方法研究如何从DFS引出离散时间非周期信号的频域描述时，可以看到，DTFT与CTFT既有许多相类似的地方，也同时存在一些重要的区别。抓住它们之间的相似之处并关注其差别，对于掌握和加深对频域分析方法的理解具有重要意义。5.1

非周期信号的表示RepresentationofAperiodicSignals:TheDiscrete-timeFourierThransform一.从DFS到DTFT:

在讨论离散时间周期性矩形脉冲信号的频谱时,我们看到：当信号周期增大时，频谱的包络形状不变，幅度减小，而频谱的谱线变密。

因此，可以预见，对一个非周期信号，它的频谱应该是一个连续的频谱。

当时，有，将导致信号的频谱无限密集，最终成为连续频谱。

从时域看，当周期信号的周期时，周期序列就变成了一个非周期的序列。当时令对周期信号由DFS有即说明:显然对是以为周期的。DTFT有:

当在一个周期范围内变化时，在范围变化，所以积分区间是。将其与表达式比较有当时于是:

表明:离散时间序列可以分解为频率在2π区间上分布的、幅度为的复指数分量的线性组合。

DTFT对结论：DTFT对结论：DTFT对离散、非周期连续、周期

二.常用信号的离散时间傅立叶变换通常是复函数，用它的模和相位表示:1.由图可以得到:时，高通特性,摆动指数衰减时，低通特性,单调指数衰减2.可以得出结论:实偶序列实偶函数3.矩形脉冲:当时，可得到:有同样的结论:实偶信号实偶函数两点比较:1.与对应的周期信号比较显然有关系成立2.与对应的连续时间信号比较如图所示:如图所示:4.三.DTFT的收敛问题

当是无限长序列时，由于的表达式是无穷项级数，当然会存在收敛问题。收敛条件有两组：

则存在，且级数一致收敛于。1.则级数以均方误差最小的准则收敛于。考察的收敛过程，如图所示：但随着的振荡频率变高，起伏的幅度趋小;当时，振荡与起伏将完全消失，不会出现吉伯斯(Gibbs)现象，也不存在收敛问题。由图可以得到以下结论:当以部分复指数分量之和近似信号时，也会出现起伏和振荡;5.2

周期信号的DTFT

对连续时间信号，有由此推断，对离散时间信号或许有相似的情况。但由于DTFT一定是以为周期的，因此，频域的冲激应该是周期性的冲激串，即对其做反变换有：TheFourierTransformforPeriodicSignals可见,由DFS有因此，周期信号可用DTFT表示为（对L展开）比较:可以看出与连续时间傅立叶变换中相应的形式是完全一致的。注意到也以为周期，于是有：CFSCTFTDFSDTFT例1.它不一定是周期的。当时才具有周期性。如图所示:如图所示:如图所示:如图所示:例2.比较:与连续时间情况下对应的相一致。均匀脉冲串5.3

离散时间傅立叶变换的性质

DTFT也有很多与CTFT类似的性质，当然也有某些明显的差别。

通过对DTFT性质的讨论，目的在于揭示信号时域和频域特性之间的关系。一、周期性(periodic)：比较：这是与CTFT不同的。PropertiesoftheDiscrete-TimeFourierTransform则若二.线性(linearity):三.时移与频移(shifiting):若则时移特性频移特性四.时域反转(reflaction):若则五.共轭对称性(symmetryproperties):若则由此可进一步得到以下结论:即1.若是实信号，则2.若是实偶信号，则于是有:即是实偶函数。3.若是实奇信号，于是有:表明是虚奇函数。4.若则有:说明:这些结论与连续时间情况下完全一致。六.差分与求和(DifferencingandAccumulation):说明:在DTFT中对应于CTFT中的。例:七.时域内插(Interplation):定义为的整数倍其他信号的时域与频域特性之间有一种相反的关系。八.频域微分(DifferentioninFrequency):九.Parseval定理:称为的能量谱密度函数。比较:在DFS中有称为周期信号的功率谱。5.4

卷积特性(TheConvolutionProperty)

若则说明：该特性提供了对LTI系统进行频域分析的理论基础。即是系统的频率特性。例1:求和特性的证明例2：一阶差分方程5.5

相乘性质（TheMultiplicationProperty)如果则由于和都是以为周期的，因此上述卷积称为周期卷积。例:5.6傅立叶变换的性质及基本变换对列表（自学）5.7对偶性（Duality）

由于本身也是以N为周期的序列，当然也可以将其展开成DFS形式。一.DFS的对偶即:或即:

利用对偶性可以很方便的将DFS在时域得到的性质，通过对偶得到频域相应的性质。这表明：序列的DFS系数就是二.DTFT与CFS间的对偶由知是一个以

为周期的连续函数,如果在时域构造一个以为周期的连续时间信号则可以将其表示为CFS形式:由DTFT有：

利用这一对偶关系，可以将DTFT的若干特性对偶到CFS中去；或者反之。比较和的表达式可以看出这表明：若则可以将对偶关系归纳为如下图表:时域的连续性可以看出：信号在时域的特性和在频域的特性之间存在以下对应关系：时域的周期性时域的离散性时域的非周期性频域的离散性频域的连续性频域的周期性频域的非周期性5.8由LCCDE表征的系统

相当广泛而有用的一类离散时间LTI系统可以由一个线性常系数差分方程（LCCDE）来表征:一.由LCCDE描述的系统的频率响应:进而对做变换而求得。方法一:可以从求解时的差分方程得到SystemsCharacterizedbyLinearConstant-CoefficientDifferenceEquations方法二:可以通过求出时方程的解而因为是LTI系统的特征函数,得到此时的。方法三:对方程两边进行DTFT变换，可得到:

可见是一个有理函数。当需要得到时,往往是先从方程得到进而通过反变换得到。二.系统的频率响应:

刻画了LTI系统的频域特征，它是系统单位脉冲响应的傅立叶变换。三.由方框图描述的系统:这说明:稳定系统可以由其频率响应来描述。

由所表征的系统应该是稳定系统。DD如果，则存在。但并非所有的LTI系统都一定存在频率响应。通过对图中两个加法器的输出列方程可得到:由上式可得：四.LTI系统的频域分析方法:2.根据系统的描述，求得系统的频率响应。1.对输入信号做傅立叶变换，求得。3.根据卷积特性得到。4.对做傅立叶反变换得到系统的响应。

做傅立叶变换或反变换的主要方法是部分分式展开、利用傅立叶变换的性质和常用的变换对。5.9小结Summary通过对DTFT性质的讨论，揭示了离散时间信号时域与频域特性的关系。不仅看到有许多性质在CTFT中都有相对应的结论，而且它们也存在一些重要的差别，例如DTFT总是以2π为周期的。本章与第4章平行地讨论了DTFT，讨论的基本思路和方法与第4章完全对应，得到的许多结论也很类似。对偶性的讨论为进一步认识连续时间信号、离散时间信号、周期信号与非周期信号频域描述的几种工具之间的内在联系，提供了重要的理论根据。深入理解并恰当运用对偶性，对深刻掌握CFS、DFS、CTFT、DTFT的本质关系有很大帮助。通过卷积特性的讨论，对LTI系统建立了频域分析的方法。同样地，相乘特性的存在则为离散时间信号的传输技术提供了理论基础。与