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03 第二章 连续信号与系统的时域分析.pptx

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本课件为《信号与系统》第二章,沿冲激函数的定义与性质、系统冲激响应的求解、信号的时域分解与卷积积分、卷积积分的性质四条主线展开,并给出图解法确定卷积积分限的完整步骤。

第二章连续信号与系统的时域分析封面,标示本章主题与冲激响应、卷积积分两条主线
第二章内容导读页,列出分析方法概述、冲激函数及其性质、冲激响应、卷积积分与卷积性质等条目
时域分析方法概述页,对比直接法、卷积分析法与变换域分析法三条求解路线
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第1页:第二章 连续信号与系统的时域分析

本页为《信号与系统》第二章封面,标示本章主题为连续信号与系统的时域分析。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第2页:第二章内容导读

  • 线性时不变连续系统的分析方法概述
  • 2.1 冲激函数及其性质
  • 2.2 系统的冲激响应
  • 2.3 信号的时域分解和卷积积分
  • 2.4 卷积的图解和卷积积分限的确定
  • 2.5 卷积积分的性质
  • 本章要点
  • 作业

第3页:连续系统时域分析方法概述

连续信号与系统的时域分析
整个分析过程都在连续时间域内进行
时域分析法直接法
求解非齐次微分方程
间接法
把激励分解为冲激信号之和,求冲激响应后叠加,即卷积分析法
变换域分析法
傅里叶变换分析法、拉普拉斯变换分析法

第4页:冲激函数的三种常用定义

  • 工程定义:冲激函数在特定区间上的积分性质
  • 单位冲激函数可以看成某些普通函数的极限
  • 严格的数学定义:作为广义函数作用于测试函数的赋值效果
  • 以上性质称为冲激函数的筛选性

第5页:冲激函数的筛选特性

筛选特性
冲激函数与任意连续函数的积分可取出该点的函数值
证明
利用冲激函数的定义与积分区间收缩
例如
在积分区间(1,2)内被积函数为0,积分结果为0

第6页:冲激函数的加权特性

  • 加权特性:f(t)δ(t-t0)与f(t0)δ(t-t0)等价
  • 证明:两个广义函数对测试函数有相同的赋值效果
  • 特别地,当t0=0时可得常用结论

第7页:单位阶跃函数的导数是单位冲激函数

  • 单位阶跃函数的导数是单位冲激函数
  • 此结论解决了不连续函数在间断点处的求导问题

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第8页:例2-1-1 由波形求导数并作图

例题:已知f(t)的波形如图所示,试求其导数,并画出波形图。图中给出原波形与求导后含冲激的波形。

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第9页:冲激函数是偶函数

单位冲激函数为偶函数,即δ(t)=δ(-t)。

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第10页:冲激函数的尺度变换

单位冲激函数的尺度变换性质:δ(at)等于δ(t)除以a的绝对值。

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第11页:冲激偶及其性质

  • 单位冲激函数的一阶导数称为单位二次冲激函数或冲激偶
  • 冲激偶的图形符号
  • 筛选特性
  • 加权特性

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第12页:冲激函数的n阶导数

此外,还可以定义冲激函数的n阶导数。

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第13页:冲激响应的定义

  • 冲激响应:零状态系统在单位冲激信号作用下的响应
  • 对于简单电路,可直接列微分方程求解

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第14页:RL与RC电路的冲激响应

  • 对RL电路方程在冲激区间取积分,得电感电流由零跃变到某一数值
  • 由三要素公式求得RL电路的冲激响应
  • 与RL电路相对偶,可得RC电路的冲激响应

第15页:三要素法回顾

回顾一阶电路响应的三要素法:由初始值、稳态值与时间常数直接写出响应表达式。

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第16页:冲激响应是阶跃响应的导数

  • 冲激响应是阶跃响应的导数
  • 设线性时不变系统的激励与其零状态响应对应,即可由阶跃响应求导得到冲激响应

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第17页:例:由电路求冲激响应

例题:试求如图所示电路的冲激响应。解:先用三要素法求阶跃响应,再对其求导

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第18页:从微分方程求解冲激响应

设描述n阶连续系统的微分方程为一般形式,由此出发求解系统的冲激响应。

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第19页:冲激响应初始条件的确定

  • 对微分方程两边取积分,左边只有最高阶导数项不为零
  • 由此得到t=0+时的n个初始条件
  • 代入初始条件求解齐次微分方程,即可得到系统的冲激响应

第20页:例:由微分方程求冲激响应

例题:已知系统的微分方程,试求其冲激响应。解:代入初始条件,求解齐次方程并确定待定系数,得到冲激响应。

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第21页:间接法求解冲激响应

  • 当微分方程右边含有x(t)的各阶导数项时采用间接法
  • 为此假设一个新的系统并写出其冲激响应方程
  • 根据线性时不变特性与原方程对比,得到所求系统的冲激响应

第22页:例2-2-5 用间接法求冲激响应

例题:已知描述某系统的微分方程,试求其冲激响应。解:设新系统并代入初始条件,求得冲激响应。

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第23页:直接法求解冲激响应

对于一般的微分方程,也可以直接求解冲激响应(直接法)。

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第24页:特征根有重根时的冲激响应

若微分方程的特征根中有重根,则冲激响应解的形式要作相应改变。

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第25页:间接法的优点与其它求解方法

  • 与直接法相比,间接法的优点是初始条件固定不变,计算方便
  • 变换域方法:傅立叶变换法、拉普拉斯变换法
  • 实验法:观察记录系统在窄脉冲或单位阶跃激励下的响应曲线

第26页:信号的时域分解

  • 任意波形的信号都可以用沿横向等间隔的折线来近似
  • 折线中每一条横向线段都可以看作一个矩形脉冲
  • 折线可以看作是矩形脉冲的叠加

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第27页:时域分解的补充说明

为讨论方便起见,此处矩形脉冲的定义与前面不同。

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第28页:信号的阶跃分解与奇偶分解

  • 任意波形的信号也可以近似表示为无穷多个阶跃信号之和
  • 任意信号也可以分解为偶分量与奇分量之和
  • 利用卷积性质可以很方便地证明这一结论

第29页:零状态响应与卷积积分

  • 对于线性时不变系统:先把任意信号分解为基本单元信号(冲激信号)
  • 再研究系统对基本单元信号的零状态响应(冲激响应)
  • 再根据线性与时不变性把各单元响应叠加起来

第30页:卷积积分的图解说明

图示说明:把激励分解为冲激信号之和,各冲激响应叠加即得零状态响应。

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第31页:卷积积分限的确定

卷积积分限的确定:由参与卷积的两信号各自的非零区间共同确定积分上下限。

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第32页:

第33页:

第34页:卷积的图解步骤

  • 图形卷积能直观理解卷积积分的计算过程,有助于确定积分上下限
  • 卷积的图解过程归纳为五个步骤

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第35页:例:卷积图解之换元

例题图解步骤(1)换元:把参与卷积的两个信号自变量换为积分变量。

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第36页:例:卷积图解之折叠位移与相乘积分

图解步骤(2)折叠

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第37页:卷积图解的折叠与位移过程

图示折叠、位移后两波形相乘并积分的过程。

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第38页:用公式确定卷积积分限

本例采用确定卷积积分限的公式计算较为简便

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第39页:延迟阶跃函数不能遗漏

必须注意,在书写中以上各项的延迟阶跃函数不能丢失

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第40页:卷积代数之交换律

卷积的代数性质(1)交换律:两信号卷积的次序可以互换。

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第41页:卷积代数之分配律

  • 分配律:利用卷积的定义比较容易得到
  • 例如两个子系统并联等效为冲激响应之和

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第42页:卷积代数之结合律

  • 结合律:两次卷积是二重积分,改变积分次序即可证明
  • 例如两个子系统级联等效为冲激响应相卷积

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第43页:卷积的微分与积分性质

  • 卷积的微分性质
  • 卷积的积分性质

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第44页:卷积的微积分性质及其条件

  • 卷积的微积分性质
  • 应用条件:被求导的函数在该处应为零值,或被积分的函数在区间上的积分为零值

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第45页:微积分性质中i的含义

当i为正整数时表示求导数的阶数,当i为负整数时表示求重积分的次数

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第46页:含有冲激函数的卷积

  • 根据信号的时域分解与卷积的定义可得冲激函数的重现性质
  • 利用卷积交换律与冲激函数筛选性质也可得到同样结论

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第47页:卷积的时移性质

卷积的时移性质:若参与卷积的信号延时,则卷积结果相应延时

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第48页:用卷积产生周期信号

利用卷积的重现性质,可以通过卷积运算产生周期信号。

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第49页:卷积性质的简化作用

利用卷积的性质能大大简化卷积计算。

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第50页:例2-5-3

例题2-5-3:利用卷积性质计算所给信号的卷积。

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第51页:例2-5-4 含矩形脉冲的卷积

例题2-5-4:已知两个信号的波形,求其卷积。图中给出两信号波形与求解过程。

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第52页:例2-5-5 分段信号的卷积

例题2-5-5:求图示两信号的卷积。图中给出各信号波形与卷积结果。

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第53页:例:含三角波与矩形脉冲的卷积

例题:求图示信号的卷积。图中给出周期性波形与卷积结果的对应关系。

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第54页:例2-5-6 用重现与微分性质求卷积

例题2-5-6:计算下列卷积积分。(1)应用卷积的重现性质

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第55页:

第56页:

第57页:

第58页:第二章本章要点

  • 冲激函数的性质:筛选性、加权性、是阶跃函数的导数、是偶函数、尺度变换、冲激偶
  • 冲激响应的求解:对阶跃响应求导、从微分方程求解(间接法)
  • 卷积积分:卷积的定义、确定卷积积分限的公式
  • 图解法确定卷积积分限
  • 卷积积分的性质:卷积代数、微分与积分、含冲激函数的卷积

第59页:第二章作业

2.1-2.2
2-1⑷,2-3⑵⑷,2-5⑵⑶⑹,2-23(3)
2.3-2.4
2-9(2)(3),2-11,2-12,2-13
2.5
2-15(b),2-16(b),2-17(1)⑶,2-20,2-27
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