2025年-《信号与系统》张延华全套教学课件

§1-1

信

号重点典型信号的时域描述及特点冲激信号国家“十二五”规划教材

—

—《信号与系统》内容安排1-1-1

信号的特征和分类1-1-2典型信号运算1-1-3信号的工程实例2

第一章

绪

论1-1-1信号的特征和分类●

根据自变量的特性和函数值来定义信号。信号的分类：(1)按自变量划分：本书中，主要讨论确定性时间连续和时间离散信号。3

第一章

绪

论确定性信号随机信号一维信号二维信号

多维信号连续函数离散函数实值函数复值函数(

2)按统计特性划分：三种最基本的时域信号运算：

比

例

(

或

加

权

)

、

时

延

和

叠

加

运

算

。(1)比例运算：

如果x(t)是一个模拟信号，比例运算将产生一个新的信号y(t)=α

·x(t)其中C是常数。如果

t₀>0

定义为前向(或右移)运算；(2

)

时延运算：如果

t₀

<0

定义为后向(或左移)运算。(3

)

叠加运算：

y(t)=x₁(t)+x₂(t)-x₃(t)两个或两个以上信号的线性组合运算。1-1-2典型信号运算1.

基本时域操作：4

第一章

绪

论2.

滤

波：滤波通常是指信号经过一个系统时允许某些频率成份无失真通过，同时

滤除信号的其它频率成份的过程或操作。信号无失真通过的频段定义为信号的通带，信号被滤除的频带定义为信

号的阻带。通常，应用于模拟信号的滤波器是线性的且可以用一个积分

(即后面将要讨论的卷积积分)来描述：根据不同的需求，可划分为以下多种滤波器类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、

带阻滤波器、陷波滤波器、多频带滤波器1-1-2典型信号运算5

第一章

绪

论(1-1-1)

1-1-2典型信号运算3.

复信号的产生：信号可分为实信号和复信号。>所有物理产生的信号都是实信号。但在某些应用中，需要将实信号转换成复信号以便获取信号更为详尽的信息。>由于因果性的限制，可对实信号x(t)求其Hilbert变换，也就是使x(t)通过一个传输函数为的系统来求得这个信号的Hilbert变换。具体变换过程在后续章节中详细介绍。6

第一章

绪

论1-1-2典型信号运算◎

4.调制和解调信号：在长距离信号传输中，传输媒介通常采用电缆、光缆(有线)或者大气(无

线

)等作为传输媒介。每种传输媒介针对不同频率的信号都存在一个能够有效传输信号的带宽。因此，为了通过信道传输低频信号，首先必须利用调

制技术把低频信号变换成高频信号。在信号的接收端，再对这种已调高频信

号进行解调，经进一步处理后就可得到所需要的低频信号。实用中一般采用四种模拟信号调制方法：

幅度调制，频率调制，相位调

制和脉冲幅度调制。其中，幅度调制概念上比较简单。7

第一章

绪

论图1-1-2

幅度调制框图以及调制信号、载波信号和已调信号的波形8

第一章

绪论B-FFTBuffered

FFT

FrameScope1X

Modulated

SignalModulatingSignalB-FFTBuffered

FFT

FrameScopeCamerSignal

1-1-2典型信号运算Moulating

Signal-1Carier

Signal-1ModulatedSignel10-10.11

0.1150.120.1250.13

0.135图1-1-5调制、已调、解调和重构信号波形0

5

10

15

20

Frequency(kHz)9

图1-1-6

已调信号的频谱

第一章

绪

论30002000002

003

0.041000

Time

osetUpperModulated

signaConstant6000500040001-1-2典型信号运算Scope1ScopeUp002

003

0.04口

×的

国

图2

Scopel自

0O

遇

图Modulotedsignel口适

唱

□

饭Demodulotedsignel001Time

oset

0Scope3自Scope3Digital

FIRFilter

DesignMagnituddBDemodulatedsis→Buffered

FFTFrame

Scope回5

深口×的

国

喝SineWaveScope21-1-2典型信号运算5.多路复用和信号分离为了更有效的利用信道带宽，多路窄带低频信号经组合形成所谓的复合宽

带信号作为单一信号传输。这种信号的复合过程被称作多路复用(

技

术

)

,

它需保证在接收端能够恢复原始窄带低频信号。这种恢复过程被称作解复用或信号分离。举例：在电话系统中，一种可将不同语音信号复用的技术被称为频分多路

(FDM)F0=50;F2=80;F4=110;ts=.002;num0,denO]=buter(2,F0/2*1s);[num4,den4]=butter(2,F4/2*ts);[num2,den2]=butter(2,F2/2*ts);图1-1-7

3路频分复用

(FDMA)

仿真模型10

第一章

绪

论AWGNDSB

ADMDSBADMmultiplexsignalroce

ivingSumtransmittingMuxelement

2Muxelement

3kDSBAMSignal1DSBADMFDMA)

仿真模型Muxelement

1Signal2Signal33路频分复用作DSBAMDSBAM1.

远程通信是指将多种信息信息从一个地方传输到另一个地方。为了传输信息，通常

需要一个在两地间建立联系的信道。信道可以是电话线、光纤、互联网络或大

气等。在单一信道上能够传输的信息越多就越有效益。这就导致相应的信号分

析及处理技术，如信号铃音的生成和检测、频带搬移、滤除电源线的交流干扰

等等的飞速发展。·

简单讨论3个典型的例子：●多路技术：将模拟音频信号转化为数字数据码流，由于数据码流容易编码和解码，

实现多路电话同时通过一根电线传输。例如所谓的T载波标准能够同时传输24路话音

信号，每路信号采用8位压缩扩展(对数压缩)模-数转换算法，采样频率8000次/每

秒，因此每路话音信号就有64,000比特/每秒，24路话音就包含1.544兆比特/每秒数

据量。11

第一章

绪论1-1-3信号的工程实例1.

远程通信●压缩：可以用较低的比特率将话音信号转化为数据码流，这就是所谓的数据压缩算法

。与之相对应的解压缩算法则从数据码流中恢复出原话音信号。总的说来，每秒64K

到

32K的数据率不会导致话音质量的损失。当压缩到每秒8K时，声音将会受到影响，但

是仍然可以接受。目前最高的可实现的压缩率已经低于每秒2K,

尽管导致声音的严重失真，但仍然在军事和海底通信等方面有应用前景。●回声抑制：回声是长途电话通信中存在的一个严重问题。应用信号分析及处理技术通

过测量回声信号并且发出一种合适的反相信号来抵消回声。同样的技术也允许免提电

话能够在讲话的同时听电话，而没有刺耳的音频反馈(啸叫声)。这种技术还可以通

过产生数字化的反相噪声来抵消或减少环境噪声。1-1-3信号的工程实例12

第一章

绪

论2.

回声定位要获得一个远处物体信息的常用方法是截获它的反射波信号。例如：雷达发射射频脉冲信号并且通过截获来自飞行器的反射波(回波)来探测目标。声纳则通过声波信号在水中的传播来探测潜艇及其它水下物体。地球物理学家通过人工引发爆炸后拾取来自地下深处岩层的回声信号。●雷达：在最简单的雷达系统中，一个无线电发射机发射一束毫秒级波长的射频能量脉冲

信号。这一脉冲信号被馈入方向性极强的天线后向外辐射。在波束传播路径上若有飞行器

,

则有一小部分辐射能量会被反射回接收天线。根据发射脉冲信号和接收到的回波信号之间的时间差就可以计算出飞行器的距离。确定物体的方向则比较简单，事实上它就是收到

回波时接收天线的指向。1-1-3信号的工程实例13

第一章

绪

论

1-1-3信号的工程实例2.

回声定位●声纳

：分为两类：主动和被动声纳。在主动声纳中，2KHz-40KHz的声波脉冲信号在

水中被发射，同时对声波的回波信号进行检测和分析。通常情况下主动声纳的最大探

测距离是10-100公里。其应用包括：探测并定位海下物体，导航，通信，绘制海底地

形图等。相比之下，被动声纳只能监听水下的声音，如自然漩涡，海洋生物，潜艇和

水面舰船所发出的机械声音。因为被动声纳不发射能量，这就意味着你能侦测到他人

,却不被他人所发现，因此具有理想的隐蔽效果。被动声纳最重要的应用是军事监测

,如探测并跟踪潜艇。被动声纳所用的信号频率比主动声纳的频率低，其作用范围可

达几千公里。14

第一章

绪

论1-1-3信号的工程实例2.

回声定位●地震波：这种信号产生于地震、火山喷发或地下核爆炸导致的岩石移动所产生的波。

地壳的移动产生由移动源向各个方向传播的三种基本弹性波信号，其中两种(速率不

同的)波可以通过地壳传播，速度相对较快的波被称作纵波或P-wave,

而速度稍慢的

波被称作横波或S-wave

。第三种波被称作表面波，它沿地表传播。15

第一章

绪

论3.

图像处理图像是具有特殊特征的信号。首先，它是空间(距离)参数的度量，而大多数

信号是时间参数的度量。第二，它包含大量的信息，例如，

一秒钟的电视视频图

像需要超过10兆字节去存储，比同等长度的语音信号要大1000倍。第三，对图象

质量的最终评判是由人的主观(眼睛)而不是由某种客观标准决定的。这些特点

使得图像处理成为信号处理中的一个特殊分支。图像处理中的基本问题是图像的表示和建模，图像增强，图像复原，以及图像

的重建，分析和编码等。1-1-3信号的工程实例16

第一章

绪

论

1-1-3信号的工程实例3.

图像处理●医学影象：1895年，伦琴

(Whihe1m

Conrald

Rontgen)

发

现X射线能够穿透许多坚

硬的物质，

从而导致了医学的革命性变化。1971年发明的计算机断层扫描技术(CT)

使组织重叠问题得到了很好的

解决，而CT是信号处理应用的一个经典范例。磁共振成像

(MRI)利用磁场信号和射频电波信号研究人体的内部。通过调整磁场(导致共振区位置改变)可以对全身进行扫描，从而得到比CT更为精细

的身体内部影象。磁共振成像的实现完全依赖于信号处理技术，没有信号处理技

术，就不可能有MRI。17

第一章

绪

论

1-1-3信号的工程实例3.

图像处理●商业成像产品：图像系统所需处理的大量信息对要求面向大众的影象设备如数码

相机、数码摄录机、DVD和高清晰度数字电视来说都是一个挑战。商用系统必须廉

价，这就对大内存和高速数据转换器件的应用带来了限制。

一种行之有效的解决方案就是采用图像压缩算法和技术。就像语音信号一样，图像信号中也包含着大量的

冗余信息。对图像进行压缩处理能够极大地减轻传输、存储的负担从而降低产品的

成

本

。18

第一章

绪

论

1-1-3信号的工程实例3.

图像处理●图像建模：

一幅特定图像的每一个象素都代表着对象的某一确定的物理量，象

素的特征被称作图像描述。可以根据图象类型及其应用定义各种图像模型。这些

模型的建立可能还取决于感觉以及局部和全局的特征。图像处理所采用算法的类

型和性能取决于我们所采用的图像模型。●图像增强：

图像增强算法通常从视觉角度强调特定的图像特征以便改善图像的

质量，或者从特征提取角度进行辅助分析图像。所用的算法包括边缘检测、对比

度增减、锐化、线性和非线性滤波、图象缩放以及噪音滤除。●图象恢复：图象恢复技术用于消除或减少图象的污损，例如由系统引入的几何

失真和模糊。图象重构涉及根据从不同角度获得的若干平面投影来推断一个三维

物体的二维图象切片。通过建立连续的图象切片，就可以逐步展现一个给出其内

部视图的三维图象。19

第一章

绪

论§1-2

系

统系统概念与系统建模系统模型的构建国家“十二五”规划教材

—

—《信号与系统》1-2-1系统的概念1-2-2数学模型1-2-3线性及非线性微分/差分方程1-2-5动态系统的数学建模1-2-6典型系统实例2

第一章

绪

论内容安排系统：根据其在时间域上的连续与否可以分为连续时间系统或离散时间系统。系统一般是一个或者多个组织、装置、处理器或者由计

算机实现的算法集成，具有一个或者多个输入/输出端口。如果系统当前的输出取决于系统过去的输入，则系统定义为动态的；如果系统当前的输出只取决于系统当前的输入，则系统定义

为静态的。工程中通常使用高性能计算机(包括先进软件)仿真动

态系统，进行全面的响应分析。1-2-1系统的概念连续时间系统离散时间系统3

第一章

绪

论动态系统静态系统系

统数学模型：分析及设计任何系统均需要在工程设计或构建实际系统前仿真或者预测系统的性能指标。这种仿真

及预测的过程必须基于系统动态特性的数学描述。系统

的数学描述又称为系统的数学模型，获得数学模型的过

程则称数学建模。对于连续时间系统，可以用微分方程建模；对于离散时间系统，需用差分方程进行建模。1-2-2数学模型4

第一章

绪

论方程和线性时变微分方程。(

1

)

在LTI

微分方程中，因变量及其各阶导数是以线性组合的形式

出现且各项系数均为常系数。例如：(

2)对于线性时变微分方程，它的因变量及其各阶导数虽然也是以线性组

合的形式出现，但方程中的系数或者项的系数可以包含自变量。例如：1-2-3

线性及非线性微分/差分方程◎

线性微分方程可分为线性时不变

(Linear

Time

Invariant,LTI)

微分注意：为保证系统线性，微分方程中不能够包含因变量及其导数的幂、其它函数或乘积。5

第一章

绪

论

1-2-3

线性及非线性微分/差分方程◎

不满足线性的微分方程称作非线性微分方程。例如：线性差分方程也分为线性移位(时)不变差分方程和线性时变差分方程。例如，n

阶线性时不变

(LTI)常系数差分方程的通式为：6

第一章

绪

论◎1.数学建模：利用一组数学方程对系统的主要动态特性进行描述。通过将合理的物理定律应用于某个具体的物理过程或者系统，就有可能获得描述该系统动力学行为

的数学模型。这种模型允许包括未知的系统参数，只要这些参数能够通过其它方法(例如测试)获得。如果约束系统动态行为的物理规律不是完全确知的，则用数学公式就不能描述它的数学模型。此时，基于实验建模的系统辩识方法，对系统施加必要的

输入(激励),同时测量系统的输出，根据对实验及测试的输入/输出数据的

分析推导，给出这个系统的数学模型。1-2-4动态系统的数学建模7

第一章

绪

论◎

2.模型简化(降阶)与建模精度：模型的简化和建模精度之间存在紧密的联系。在对系统模型进行简化的过程中，必须考虑哪些物理量及关系可以忽略，以及那些参量决定建模精度。

对于线性微分方程模型，则必须忽略可能存在于这个物理系统中的分布参数

项及非线性项的影响。应用中，通常是先构建一个对象或者过程的简单模型，以便获得关于问

题解决方案的路线或者线索。之后，则可以构建更完善的数学模型用于详细

的系统分析和设计。

需要注意，系统分析的结果仅在用模型近似或者逼近一

个给定物理对象的某个工作区间才有效。1-2-4动态系统的数学建模8

第一章

绪

论任何模型都是真实物理对象或者物理过程的近似数学描述，数学模型仅仅是系统的一个模型，而不是物理系统本身。所有数学模型都包含了

或多或少的近似和条件假设，理论上就没有任何一个数学模型能够确切

表示任何一个物理对象或者过程。因此，数学建模过程中包含的这些近似和假设虽然导致了建模精度

问题，但从另一个层面考虑，这些近似和假设同时又约束了模型适用的

条件，自然也就明确了模型使用的范围。所以，在进行系统分析及系统

仿真时，有关模型的任何近似和假设均需谨慎处理。1-2-4动态系统的数学建模3.数学模型的注释：9

第一章

绪

论4.

建模过程：1)绘出建模对象或者过程的框图，确定系统的变量及其关系；2)应用物理、化学等定律和规律，或者通过实验测试，对于框图中的各个

(子框图或子系统)推导出微分/差分数学方程；3)根据系统框图中各个模块间的输入输出关系，即可获得整个系统的数学

模

型

；4)模型的有效性需要验证。这一步可以通过求解数学模型(一般是求解模

型的输出或者响应),或者通过计算机仿真，与实验结果进行比较。5)如果数学解算或计算机仿真结果与实验结果相差太大，则提示系统的建

模精度太差。需要进行模型修正，导出新模型后重复模型有效性验证过程，

直至达到希望的建模精度为止。1-2-4动态系统的数学建模10

第一章

绪

论◎

1

.分析：在特定条件下对已知数学模型的性能指标进行分析研究的过程。动态系统分析的第一步都是导出系统的数学模型，由于任何物理对

象或者过程都是由元件或者组件构成，故分析就必须通过导出(或实验

测试)每个元(组)件的数学模型开始，并且综合所有组件模型以建立

完整系统的数学模型。注意：系统分析的方法与实际系统的具体形式(如机械系统、电气

系统、生化系统、社会系统等等)无关。1-2-5

LTI动态系统的分析与设计11

第一章

绪

论2.

设计：系统设计是指寻求满足系统性能指标的过程。通常，系统设计过程

不是总是前向的，而是一个反复试验、甚至试凑的过程。◎

3.

综合：系统综合是指用确定的方法寻求一种以恰当方式实现系统特定功能或

者任务的系统。这里首先需要假设系统具有的所预期的特性，之后应用各

种数学方法综合出满足这些特性的系统。

一般而言，系统综合的过程始终

都是数学的或者是计算机仿真的过程。1-2-5

LTI动态系统的分析与设计12

第一章

绪

论1-2-5

LTI动态系统的分析与设计◎

4.设计过程：首先，需要已知系统应满足的技术性能指标，以及系统各组件的动力学(输入输出)特性，设计参数等。然后，一旦启动设计过程，设计及研发人员就必须运用任何可以运用的系统综合方法和技术，建立系统的数学模型。之后，进行系统的数学设计，并得到设计问题的数学解(解析解或者数

值解)。随着数学设计的完成，即可针对模型开始计算机仿真研究，以

便实验或者测试系统对于各种输入及扰动的响应特性。如果初始系统建

模不能满足要求，则需重新设计或者修改系统，并进行相应分析。这一

设计和分析过程可能需要反复进行，直到满足系统设计指标为止。最后，构建原型系统。注意，构建原型系统的过程是系统数学建模的反过程

。13

第一章

绪

论

1-2-6典型系统实例◎1.CD

数字音频系统：16位A/D编码多路调制

光学系统/录音复用同步16位A/D图1-2-1

典型CD光盘录音系统组成

CD光盘光学拾取

信息14位D/A图1-2-2

CD播放机的基本组成14

第一章绪

论14位D/A4x过采样模拟抗混叠滤波器模拟抗混叠

滤波器左话筒CC右话筒模拟低通

滤波器模拟低通

滤波器放大器扬声器解调/误差修正

1-2-5

LTI动态系统的分析与设计◎

2.电话拨号系统：1209Hz1336Hz1477Hz

1633Hz图1-2-3

按键电话0-9数字和符号的4个低频和高频音的配置方案15

第一章绪论697Hz770Hz852Hz941HzABCD147*2580369#

1-2-5

LTI动态系统的分析与设计◎

2.电话拨号系统：1#带通

滤波器2#带通

滤波器3#带通

滤波器4#带通

滤波器5#带通

滤波器6#带通

滤波器7#带通

滤波器8#带通

滤波器检波器检波器检波器检波器检波器检波器检波器检波器16

第一章绪论图1-2-4

分辨低频和高频两组音调的原理框图低音调组

高

音

调

组低通

滤波器高通

滤波器限幅器限幅器

1-2-5

LTI动态系统的分析与设计◎

2.电话拨号系统：Spectrum10⁵10°10⁵1010500

1000Frequency(Hz)Time

Response10.5NAWSANMA110Time

(sec)图1-2-5

音调信号及其频谱17

第一章绪

论0-0.5

-1SignalPower0.04

0.050.02

0.0315002000MSignal0.010回声混合

抵消器接收图1-2-9

回声对消器原理框图第一章

绪

论◎

3.电话网络中的回声消除：4

线发送1-2-5

LTI动态系统的分析与设计接收

4线十发送图1-2-8

回声抑制器框图回声

抑制器混合18§1-3关于MATLAB的说明MATLAB语言MATLAB

的工程应用国家“十二五”规划教材

—

—《信号与系统》1-3关于MATLAB的说明2

第一章

绪

论内容安排MATLAB是由美国Mathworks

公司发布的面向科学计算，可视化以及交互式程序设计的高技术计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视

化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用

的视窗环境之中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众

多学科领域提供了一种全面的解决方案。它在很大程度上摆脱了传统非交

互式程序设计语言(如C

、Fortran)的编程模式，代表了当今国际科学计算

软件的先进水平。MATLAB

应用工具箱代表着当今世界一流专家学者在诸如最优化、偏微

分方程、符号运算、样条分析、统计、金融、非线性系统仿真、自动控制

、鲁棒控制、非线性控制、神经网络、系统辨识、信号处理、图像处理、

模糊逻辑、通讯、小波分析等领域内的工作。Mathworks

为用户提供了大量应用工具箱，与信号与系统有关的工具箱有：1-3关于MATLAB的说明3

第一章

绪

论1-3关于MATLAB的说明1)

SimulinkSimulink

是一种针对各种物理、数学系统，尤其是控制系统以及基于DSP(数字信号处理)

系统的先进可视化建模、分析及仿真环境。它广泛应用于线性系统、非线性系统、离散

时间系统、连续时间系统、单输入单输出系统、多输入多输出系统、多速率系统和混合

系统的仿真等。2)

Signal

Processing

Toolbox和Signal

Processing

BlocksetSignal

Processing

Toolbox(信号处理工具箱)和Signal

Processing

Blockset(信号处理模

块库)是一组基于MATLAB和动态仿真环境Simulink

的信号分析算法集。它拓展了MATLAB

和Simulink

的应用领域，支持各种信号处理运算，如波形产生、滤波器设计

及实现、参数化建模、谱分析等等。4

第一章

绪

论3)Control

System

Toolbox

和Simulink

Control

DesignControl

System

Toolbox(控制系统工具箱)和Simulink

Control

Design(Simulink控制设计)是一组基于MATLAB和动态仿真环境Simulink的系统分析和设计算法

集。它拓展了MATLAB和Simulink的应用领域，适用于构建和分析线性动态系统

模型。可以方便地对现代控制系统进行分析、仿真及原型设计。MATLAB

其它应用工具箱还有许多。查询Mathworks公司主页：和参考文献获得更多信息。1-3关于MATLAB的说明5

第一章

绪

论第二章连续时间信号与国家“十二五”规划教材

—

—《信号与系统》系

统第二章连续时间信号与系统在工程实践中，一般需要针对两种完全不同的

物理现象或者过程进行数学描述。一种是针对某个真实系统的物理过程构建数学

方程，例如线性电路可以用一个微分方程进行描述9另一种是针对某种物理现象(或者称之为信号)

构建数学函数，例如手机天线耦合的射频无线电波

,可以用一个函数表达式描述。2

第二章

连续时间信号与系统第二章连续时间信号与系统对一个物理过程或者物理现象进行数学描述的过程也叫建模。在信号与系统的分析中，信号是携带信息的真

实物理现象，而数学函数是信号的数学描述。系统则在很大程度上取决于它们是如何响应任

意的或者指定的信号。在时域，连续时间系统可

以基于微分方程对任意信号产生的响应进行描述

或者建模。但对于大多数实际系统，由于本身具

有的复杂性，通过构建系统模型进行模型分析，即可保留系统的主要特性又简化了分析计算，这

在系统的设计中是非常有用的。3

第二章

连续时间信号与系统第二章连续时间信号与系统本章首先讨论连续时间信号的基本运算及信号的一部

特性；其次，讨论连续时间系统的重要概念以及基本的分

析方法，对系统的一般特性、描述及模型也将继续定义。

这些特性、运算、描述及模型分析有助于对信号与系统的

深入理解和应用。第2章共分15讲，内容涉及：第1讲

信号的基本运算第2讲

信号的特性第3讲

奇异函数族第4讲

常用工程信号第5讲

信号的广义傅立叶级数描述第6讲

连续时间系统第7讲

连续时间系统的特性4

第二章

连续时间信号与系统第二章连续时间信号与系统第2章共分15讲，内容涉及：第8讲

卷积积分第9讲

卷积积分的性质第10讲

LTI

系统的微分方程描述第11讲

LTI微分方程的求解第12讲

微分方程系统的特性第13讲系统的图形化建模与仿真第14讲LTI系统的状态变量描述第15讲应用示例及MATLAB实验5

第二章连续时间信号与系统§2-1

信号的基本运算重点连续时间信号的3种时间变换3种时间变换的综合使用国家“十二五”规划教材

—

—《信号与系统》内容安排

2-1-1

连续时间信号的变换

2-1-2

时间变换

2-1-3

幅度变换2

第二章

连续时间信号与系统信号携带的信息包含诸如电压、电流、温

度等物理量。本章讨论一维连续时间信号，它

们通常是时间或频率的连续函数。本讲首先研究连续时间信号针对时间t的3

个基本变换以及针对幅度的3个基本变换。它

们将在后续相关章节中发挥作用。3

第二章

连续时间信号与系统2-1-1

连续时间信号的变换e

连续时间信号

2-1-1

连续时间信号的变换

2-1-2

时间变换

2-1-3

幅度变换4

第二章

连续时间信号与系统内容安排2-1-2

时间变换反折(转)变换尺度变换时移变换5

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换反折(转)变换在反折(转)运算中，将原信号x(t)的时间自变量t直

接用-t置换，在几何意义上就是将原信号x(t)对t=0

进行

翻转，从而得到一个折叠后的信号y(t)。反折(转)运算y(t₀)=x(一t₀)

(2-1-2)或y(-t₀)=x(t₀)

(2-1-3)6

第二章

连续时间信号与系统其实是信号x(t)

关于原点

t=0的一个镜像。反折运算表示为：

y(t)=x(-t)对于任意时间，反折运算的结果是使(2-1-1)

2-1-2

时间变换例2-1-1

三角脉冲信号的波形如图2-1-1所示。试求关于纵

轴的反折。y(1)=x(-t)tt1a)b)图2-1-1

反折运算。a)原信号；

b)关于纵轴的反折7

第二章

连续时间信号与系统a)

原信号；

b)关于纵轴的反折解：将原信号的时间自变量t直接用-t置换，既可得到关于

纵轴的反折信号，波形如图2-1-1

b)所示。注意，对这个例子，有x(t)=0,t<-T₁and

t>T₂

和y(t)=x(一t)=0,t>T₁andt<-T₂8

第二章

连续时间信号与系统y(1)=x(-1)tt2

tl2-1-2

时间变换a)图2-1-1

反折运算b)

2-1-2

时间变换●

尺度变换设信号x(t)是连续时间信号，时间尺度变换是指对x(t)

的自变量进行t→at

的置换，即：y(t)=x(at)

(2-1-4)式中a是尺度因子。这里若|a|>1,则(t)是将原信号x(t)

沿横轴(时间轴)压缩；若|a|<1,则

y(t)是将原信号x(t)

沿横轴(时间轴)扩

展。尺度变换的一种应用是滤波器

的设计。9

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换尺度变换图2-1-2给出了时间尺度变换在|a|>1和|a|<1

两种情况的

波形

。t-2

2a)

b)c)图2-1-2

尺度变换在和两种情况的波形。a)原信号；b)

对压缩2倍；c)

对扩展2倍10

第二章

连续时间信号与系统x(1)

y(t)=x(21)

2-1-2

时间变换时移变换设x(t)是连续时间信号，时移运算是指对x(t)的自变量

进行t→t-t₀

的置换，即：y(t)=x(t-t₀)

(2-1-5)式中t。是时移量。上式表明，如果t₀

>0

,

则y(t)=x(t-t。)的波形沿时间轴右移(延迟)t₀

个单位；如果t₀

<0,则的波形沿时间轴左移(超前)t。个单位。换句话说，如

果信号x(t)

在

t=T

处开始，则移位运算后的信号x(t-t₀)

将在t=T±t₀处开始。比如，信号y(t)=x(t-5)是x(t)右

移(延迟)5个单位的信号，而(t)=x(t+5)

则是t)

左移

(

超

前

)5个单位的信号。11

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换讨论题2-1-2

如果信号既有移位又有反折，比如(t)=x(

-t-a)则有两种方法可由x(t)生成：1)先右移后反折：

先对x(t)右移α单位，得到x(t-

α),再对x(t-α)反折得到x(-t-α)

。

注

意，这一步仅对自变量

t进行反折运算。

具体运算过程可表示为：x(t

)→

右移(延迟)α

位反折→

x(t-a)→

反折

→

x(-t-

α)2)先反折后左移：先对x(t)反折得到x(一t),

再对左移x(t)→反折

→

x

(一t)→左移(超前)α位

→

x(-t-α)(超前)α位得到x(-t-α)

。

具体运算过程可表示为：12

第二章

连续时间信号与系统式中a

、b

为实数常数。信号可以通过对原信号进行时

移、反折(转)

和尺度变换运算来获得。13

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换●总结：时间变换的一般形式上述3种时间变换的一般形式为：y(t)=x(at+b)(2-1-6)图2-1-3

例2-1-3的信号波形14

第二章

连续时间信号与系统例2-1-3

信号波形如图2-1-3所示，试画出的波形图。2-1-2

时间变换组合，共有6种顺序。下面给出其中的3

种组合顺序。1)右移

→

压缩

→

反折，如图2-1-4所示。右移3单位

压缩2倍

反折x(t)→

x(t-3)→x[2t-3]]→x(-2t-3)=y(t)解：

y(t)=x(-2t-3)

的波形需要进行时移、

反折和尺度变换运算来获得，根据不同图2-1-4

经右移→压缩→反折运算后的波形15

第二章

连续时间信号与系统2-1-2

时间变换x(1)图2-1-5

经反折→左移→压缩运算后的波形16

第二章

连续时间信号与系统2)反折

→

左移

→

压缩，如图2-1-5所示。反折左移3单位

压缩2倍x(t)→x(-t)→x[-(t+3)]=x(-t-3)→x(-2t-3)=y(t)2-1-2

时间变换

2-1-2

时间变换3)压缩

→

右移

→

反折，如图2-1-6所示。图2-1-6

经压缩→右移→反折运算后的波形17

第二章

连续时间信号与系统压缩2倍

右移3/2单位x(t)→x(2t)

→x(-2t-3)

是将

x(2t-3)

沿时间坐标t反折；x[-(t+3)]=x(-t-3)

是将沿时间坐标t左移3个单位。显然，所有关于时间坐标t的变化都是针对时间自

变

量t的

。18

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换注意，上述3种波形变换中各项的含义是：x(2t)是将x(t)沿时间坐标t压缩2倍；是将x(2t)沿时间坐标t右移3/2个单位；

2-1-2

时间变换如果从自变量变换的角度考虑，令T

为原信号的时间

变量，则变换前后关于时间坐标轴的方程为：T=at+b由此得到

(2-1-7)其中若a<0,

则表示时间反折变换。因此除例2-1-3中讨

论的绘制时间变换信号波形的方法外，还可以采用如下步

骤进行自变量时间坐标轴的变换：19

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换采用如下步骤进行自变量时间坐标轴的变换：1)将原始信号的自变量t用t

代换，x(t)→x(t)2)令,

因此，3

)

在t轴下方直接绘制转换过的t轴4)在新的自变量t轴上绘制变换后的信号

y(t)20

第二章

连续时间信号与系统a)

b)图2-1-7

波形变换21

第二章

连续时间信号与系统t=2-2r→

t已知x(T),如图2-1-3所示，绘出的2-1-2

时间变换例2-1-4y(1)=x(1-1/2)波

形

。将t

轴标在时间轴

T

的下方，见图2-1-6a),在新的自变量时间t轴上画出变换后的信号波形，所求波形见图图2-1-6b)。y(1)=x(1-1/2)a)b)图2-1-7

波形变换22

第二章

连续时间信号与系统首先解出独立变量t和τ的关系：由此得

t=2-2tt2

2

4解：本例包含反折、尺度变换和时移3种运算。2-1-2

时间变换1=2-2r

2-1-2

时间变换为验证变换的正确性，利用函数的某些特殊点，并且引入独立变量相同，函数值相同的概念，对于任意

t=t₀,

由式(2-

1-7)有：独立变量相同，函数值相同求新坐标tx(t)t-11-11410000201111012121-21则验证结果如表2-1-1所示。表2-1-123

第二章

连续时间信号与系统2-1-2

时间变换24

第二章

连续时间信号与系统例2-1-5

已知信号试求

2-1-2

时间变换a)

b)图2-1-8

x(t)和

x(2t)的波形25

第二章

连续时间信号与系统x(t)和x(2t)的波形如图2-1-8所示：解：

2-1-2

时间变换解：x(t)和

的波形如图2-1-9所示：第二章

连续时间信号与系统图2-1-9

x(t)

和

的波形b)26a)

b)图2-1-10

x(t)

和

x(-2t)

的波形27

第二章

连续时间信号与系统

2-1-2

时间变换1tx(t)

和x(-2t)的波形如图2-1-10所示：解：a)b)图2-1-11

x(t)

和

x(-2t+2)的波形

2-1-2

时间变换x(t)

和

x(-2t+2)的波形如图2-1-11所示：28

第二章

连续时间信号与系统解：x(-21+2)内容安排

2-1-1

连续时间信号的变换

2-1-2

时间变换

2-1-3

幅度变换29

第二章

连续时间信号与系统

2-1-3

幅度变换幅度变换信号变换中除时间变换外，还存在3种与时间变换遵

循同样运算规则的幅度变换。信号的这3种幅度变换的一

般形式为

：信号x(t)进行幅度缩放(若A<0

,

意指反相缩放),B

为信号幅度的上下平移量

(

B>0

上移，B<0

下移)。30

第二章

连续时间信号与系统y(t)=Ax(t)+B(2-1-8)式中A

、B为实数常数。信号Ax(t)+B中的A意指对原

2-1-3

幅度变换幅度变换运算可以通过假设信号经过一个增益为A的放

大器放大后又引入一个偏置电压为B

的直流分量来模拟，如

图2-1-12所示。其中增益A和偏置电压B可正可负。图2-1-12

幅度变换运算的模拟31

第二章

连续时间信号与系统Ax(t)+B

十x(t)A放大器Ax(t)B§2-2

信号的特性重点难点连续时间信号的5种特性信号的奇偶性和周期性判定国家“十二五”规划教材

—

—《信号与系统》内容安排

2-2-1

连续时间信号

2-2-2

偶信号和奇信号

2-2-3

周期信号和非周期信号

2-2-4

随机信号

2-2-5能量信号和功率信号2

第二章

连续时间信号与系统2-2-1

连续时间信号信号描述的方法取决于信号的具体类型及特性。按照

信号的特性，一般常用下述5种方法对信号进行分类描述。◎

连续时间信号如果信号一个x(t)在所有的时刻t都有定义，则称该

信号是连续时间信号。工程实践中的许多信号都是连续时间信号，如大多数物理信号

(声、光、电等)通过换

能器就可转化为连续时间电信号。麦克风将声压的变化