信号与系统第二章
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信号与系统课件：第二章 LTI系统
第2章 线性时不变系统
2.1 离散时间LTI系统: 卷积和
（1)用移位单位抽样信号表示离散时间信号 （2)卷积和在离散时间信号LTI系统中的表征 （3)卷积和的计算 （4) 离散时间信号LTI系统的性质
（1）用单位抽样信号表示离散时间信号
x[n] ... x[1] n 1 x[0] n x[1] n 1... x[n][0] x[n 1][1]
（１）初始条件为n<0时，y(n)=0，求其单位抽样响应；
（２）初始条件为n≥0时，y(n)=0，求其单位抽样响应。
解：（１）设x(n) (n)，且 y(1) h(1) 0 ，必有
y(n) h(n) 0, n 0
依次迭代
y(0) h(0) (0) 1 y(1) 1 0 1
2
当系统的初始状态为零，单位抽样响应h(n)就 能完全代表系统，那么对于线性时不变系统，任意 输入下的系统输出就可以利用卷积和求得。
差分方程在给定输入和边界条件下，可用迭代 的方法求系统的响应，当输入为δ（n）时，输出 （响应）就是单位抽样响应h(n)。
例：常系数差分方程
y(n) x(n) 1 y(n 1) 2
x[n]u[n] x[k]u[n k] x[k]
k
k
（ii）交换律:
yn xnhn hn xn
例子： 线性时不变系统中的阶跃响应 sn
sn unhn hnun
阶跃输入
输 单位抽样信号 入 响应的累加
n
sn hk
k
(iii)分配律:
xnh1n h2 n xnh1n xnh2 n
y(1) h(1) (1) 1 y(0) 0 1 1
2
22
y(2) h(2) (2) 1 y(1) 0 1 1 (1)2
2.1 离散时间LTI系统: 卷积和
（1)用移位单位抽样信号表示离散时间信号 （2)卷积和在离散时间信号LTI系统中的表征 （3)卷积和的计算 （4) 离散时间信号LTI系统的性质
（1）用单位抽样信号表示离散时间信号
x[n] ... x[1] n 1 x[0] n x[1] n 1... x[n][0] x[n 1][1]
（１）初始条件为n<0时，y(n)=0，求其单位抽样响应；
（２）初始条件为n≥0时，y(n)=0，求其单位抽样响应。
解：（１）设x(n) (n)，且 y(1) h(1) 0 ，必有
y(n) h(n) 0, n 0
依次迭代
y(0) h(0) (0) 1 y(1) 1 0 1
2
当系统的初始状态为零，单位抽样响应h(n)就 能完全代表系统，那么对于线性时不变系统，任意 输入下的系统输出就可以利用卷积和求得。
差分方程在给定输入和边界条件下，可用迭代 的方法求系统的响应，当输入为δ（n）时，输出 （响应）就是单位抽样响应h(n)。
例：常系数差分方程
y(n) x(n) 1 y(n 1) 2
x[n]u[n] x[k]u[n k] x[k]
k
k
（ii）交换律:
yn xnhn hn xn
例子： 线性时不变系统中的阶跃响应 sn
sn unhn hnun
阶跃输入
输 单位抽样信号 入 响应的累加
n
sn hk
k
(iii)分配律:
xnh1n h2 n xnh1n xnh2 n
y(1) h(1) (1) 1 y(0) 0 1 1
2
22
y(2) h(2) (2) 1 y(1) 0 1 1 (1)2
《信号与系统》第2章1
信号与系统讲稿
二. 系统模型的建立是有一定条件的：
1. 对于同一物理系统在不同条件之下，可以得到不 同形式的数学模型。（参考书中P29） 2. 对于不同的物理系统，经过抽象和近似有可能得到 形式上完全相同的数学模型。（参考书中P29）
建立数学模型
解数学模型
对解加于物理解释
三. 时域分析方法
时域分析：在分析过程中，所涉及到的函数都是时间的 函数。 （1） 经典方法：求解微分方程 （2） 卷积积分。（重点内容）
在 t = 0 时刻换开关，由于电感的电流不能跳变，所以： i( 0+ ) = i( 0 ) = 0 A
di(t ) 而i (0 ) dt
L 1 1 u ( t ) u L (t ) u L (0 ) L t 0 t 0 t 0 L
且u L (0 ) 20 u C (0 )
信号与系统讲稿
对于电阻，有信号就有可能发生跳变。 第一种情况：在没有冲激电流（或阶跃电压）强迫 作用于电容的情况下，电容两端电压uC( t )不发生跳变； 在没有冲激电压（或阶跃电流）强迫作用于电感的情 况下，流过电感的电流iL( t )不发生跳变。 即： uC( 0+ ) = uC( 0 )、iL( 0+ ) = iL( 0 ) 第二种情况：在有冲激电流（或阶跃电压）强迫作 用于电容以及有冲激电压（或阶跃电流）强迫作用于 电感时， uC(0)和iL( 0 )发生跳变，这种情况只能借助 于对微分方程在[ 0，0+ ]内取积分或用奇异函数平衡 法来决定。 （2） 利用方程和起始条件uC( 0 )、iL( 0 )，通过奇异 函数平衡法决定初始条件。
1 i R (t ) u R (t ) 或 u R (t ) R i R (t ) R
信号与系统 第二章repeat
④
0
e2t
k
2 t 4 e d t 2 dt e d t 2 k dt 0
19
课堂练习：计算下列各式
sin 2t sin 2t dt 4d t ① 2d t dt 4 d t dt 4 t 2t
t 设齐次解: ht C1e U t C2d t
代入方程: C1etU t C1d t C2d t C1etU t C2d t 2d t 比较系数: C1 C2 0, C2 2, C1 2 所以:
ht 2etU t 2d t
25
课堂练习
1. 已知激励为零时刻加入，求该系统的零输入响应。(2.13)
y(t ) 3 y(t ) 2 y(t ) f (t ),
yx (t ) (2et e2t )U (t )
y(0 ) 1, y(0 ) 0
2C1 C2 2C3 1 C1 C2 3C3 2C4 0 C3 3C4 0 C4 1, C3 3, ht 7e2tU t 3d t d t
f t d t t0 dt f t0 f t d ( n) t t0 dt (1)n f ( n) t0
（2）相乘性质：
f t d t f 0 d t f 0 d t
2. 已知 yt 3 yt 2 yt f t f t ,
3. 4.
求 ht .
y(t ) 3 y(t ) 2 y(t ) f (t ) f (t ) y(t ) 7 y(t ) 12 y(t ) f (t )
信号与系统第2章信号的复数表示
π
3
j
π
j
π
4
C1 + C 2 = (1 + 1) + j ( 3 + 1) = 2 + j ( 3 + 1)
2 C1 = 2 + j ( 2 3 ) = 2 2 e
j
= 4e
j
π
3
C1 C 2 = 1 + j 3 + j 3 3 = (1 3 ) + j ( 2 3 )
= 2 2e
j(
π
3
+
π
4
)
= 2 2e
j(
7π ) 12
2 复数中定义 j = 1 ，故 D = (a1a2 b1b2 ) + j(a1b2 + b1a2 )
换一种形式表示复数的乘法
D = C1 C2 = C1 e C2 e = C1 C2 e
j1 j2
= C1 C2 e j1 e j2
j (1 +2 )
复数的加法和乘法在复平面内的表示
复数加法
2、复平面形式
可以在复平面中表示复数
虚轴 b |C| a
复数C可表示成一个矢量
实轴
由图可以看出，矢量 的长度为复数的模，与 实轴的夹角为复数的辐 角
2.3 复数形式的运算
1、复数的数乘和共轭
数乘： k 为实数
虚轴 j
kC C
实轴
kC = ka + jkb
| kC | e j k ≥ 0 kC = | kC | e j ( +π ) k < 0
2、复数的加法和乘法
C1 、 C2 为复数， C1 = a1 + jb1 ， C2 = a2 + jb2
3
j
π
j
π
4
C1 + C 2 = (1 + 1) + j ( 3 + 1) = 2 + j ( 3 + 1)
2 C1 = 2 + j ( 2 3 ) = 2 2 e
j
= 4e
j
π
3
C1 C 2 = 1 + j 3 + j 3 3 = (1 3 ) + j ( 2 3 )
= 2 2e
j(
π
3
+
π
4
)
= 2 2e
j(
7π ) 12
2 复数中定义 j = 1 ，故 D = (a1a2 b1b2 ) + j(a1b2 + b1a2 )
换一种形式表示复数的乘法
D = C1 C2 = C1 e C2 e = C1 C2 e
j1 j2
= C1 C2 e j1 e j2
j (1 +2 )
复数的加法和乘法在复平面内的表示
复数加法
2、复平面形式
可以在复平面中表示复数
虚轴 b |C| a
复数C可表示成一个矢量
实轴
由图可以看出，矢量 的长度为复数的模，与 实轴的夹角为复数的辐 角
2.3 复数形式的运算
1、复数的数乘和共轭
数乘： k 为实数
虚轴 j
kC C
实轴
kC = ka + jkb
| kC | e j k ≥ 0 kC = | kC | e j ( +π ) k < 0
2、复数的加法和乘法
C1 、 C2 为复数， C1 = a1 + jb1 ， C2 = a2 + jb2
信号与系统第二章
第 2 章 连续信号与系统的时域分析
2.0 引 言
2.1 连续时间基本信号 2.2 卷积积分 2.3 系统的微分算子方程 2.4 连续系统的零输入响应 2.5 连续系统的零状态响应 2.6 系统微分方程的经典解法
2.0 引 言
信号与系统分析的基本任务：
在给定系统和输入的条件下，求解系统的
输出响应。
f2( ) c
f2(-)
1
2、反转：
-1
c
0
3、平移： 将f(-)沿时间轴平移t，t为参变量
f2(-) c
t>0时向右平移， t<0时向左平移
f2(t-) c
-1
0
f 2 (( t )) f 2 (t )
f2(t-) c
-1
0 t-1 t
t-1
t
-1
0
0
0
2 0
1
0
2 0
f1() f2(1-) 1 g(t)
f1() f2(2-)
0
2
0
0
t
以上可以归纳为下列情况：
f1( )
2
f1(t) f2(t)
g(t)
0
2
0
t
当t<0时，f1()f2(t-)=0，所以g1(t)=0
当0t2时，f1()与f2(t-) 有部分重迭， 积分限 0t，g2(t)为：
t-2
t 0
用图解法进行分段积分，求出g(t)
f1( ) 2 0 1 2 2 0
f1( ) 2 2 f2(1-) 0
f1( ) 2 2 0
f1 ( )
2.0 引 言
2.1 连续时间基本信号 2.2 卷积积分 2.3 系统的微分算子方程 2.4 连续系统的零输入响应 2.5 连续系统的零状态响应 2.6 系统微分方程的经典解法
2.0 引 言
信号与系统分析的基本任务：
在给定系统和输入的条件下，求解系统的
输出响应。
f2( ) c
f2(-)
1
2、反转：
-1
c
0
3、平移： 将f(-)沿时间轴平移t，t为参变量
f2(-) c
t>0时向右平移， t<0时向左平移
f2(t-) c
-1
0
f 2 (( t )) f 2 (t )
f2(t-) c
-1
0 t-1 t
t-1
t
-1
0
0
0
2 0
1
0
2 0
f1() f2(1-) 1 g(t)
f1() f2(2-)
0
2
0
0
t
以上可以归纳为下列情况：
f1( )
2
f1(t) f2(t)
g(t)
0
2
0
t
当t<0时，f1()f2(t-)=0，所以g1(t)=0
当0t2时，f1()与f2(t-) 有部分重迭， 积分限 0t，g2(t)为：
t-2
t 0
用图解法进行分段积分，求出g(t)
f1( ) 2 0 1 2 2 0
f1( ) 2 2 f2(1-) 0
f1( ) 2 2 0
f1 ( )
信号与系统-第2章
f (t)
K
两式相加:
cosωt =
1 2
(e
jωt
+
e
jωt )
(2-4)
0 K
t
两式相减:
sinωt =
1 2j
(e
jωt
－e
jωt )
(2-5)
(3) 复指数信号: f(t) = Ke st = Ke (σ+ jω)t
= Keσt (cosωt + j sinωt)
当 σ > 0 时为增幅振荡 ω = 0 时为实指数信号 σ < 0 时为衰减振荡
2
01
t
f(
1 2
t)
=
1 2
t
0
0＜t ＜4 其它
f(12 t)
2 0
4t
注意: 平移、反折和展缩都是用新的时间变量去代换原来的
时间变量, 而信号幅度不变.
t +2 －2＜t＜0 例2-5：已知 f(t) = －2t + 2 0＜t＜1
f (t)
2
0
其它
－2 0 1
t
求 f(2t－1),
f(
1 2
(1) 相加和相乘
信号相加: f t f1t f2 t fn t 信号相乘: f t f1t f2 t fn t
0 t＜0 例2-1：已知 f1(t) = sint t ≥ 0 , f2(t) =－sint, 求和积.
解: f1(t) + f2(t) =
－sint 0
t＜0 t≥0
0
t＜0
f1(t) f2(t) = －sin2t t ≥ 0 也可通过波形相加和相乘.
∞ t=0 作用: 方便信号运算.
信号与系统第2章
第二章 傅立叶变换
(5) 微分特性 如果 那么
（6）积分特性 如果 那么
如果F(0)=0
第二章 傅立叶变换
(7)卷积定理 1．时域卷积定理 如果 那么 (8)频域卷积定理 如果
那么
第二章 傅立叶变换
11周期信号的傅里叶变换
周期信号的频谱------用傅里叶级数表示。 非周期信号的频谱——用傅里叶变换表示。 周期信号的频谱可以用傅里叶变换表示吗？ （1）正弦、余弦信号的傅里叶变换 直流信号的博立叶变换为
n1 ) 2 n1 2
2 E sin( An T
2 E sin( An T
2
)
2
这里
2 1 T
Hale Waihona Puke n1第二章 2 E sin( An T
傅立叶变换
2
)
2
若: 2 An 0 （1） 2 （2） 2
该式表明：周期信号f(t)的傅里叶变换F(ω )是由一些冲击函数组成的， 并位于基波ω 1的整数倍处，冲击强度为f(t)的指数傅里叶级数的系数Cn 的2π 倍。
第二章 傅立叶变换
例4. 求周期单位冲激序列的傅里叶级数与傅里叶变换。
傅里叶级数为
第二章 傅立叶变换
例5. 求周期矩形脉冲信号的傅里叶级数和傅里叶变换 矩形脉冲信号f(t)的 傅里叶系数为：
第二章 傅立叶变换
例1已知矩形脉冲f1(t)如图(a)所示，其相位谱如图(b)所示， 将f1(t)右移τ /2得到如图（c）所示f2(t),试画出其相位谱。
由题意可知
根据时移特性，可得f2(t)的频谱函数 为
第二章 傅立叶变换
f2(t)幅度谱没有变化，其相位谱比图(b)滞后τ ω /2、如图（d）所示。要
信号与系统第二章习题与答案
第二章习题与答案1．求以下序列的z 变换并画出零极点图和收敛域。
分析：Z 变换概念∑∞-∞=-==n nzn x z X n x Z )()()]([，n 的取值是)(n x 的有值范围。
Z 变换的收敛域 是知足∞<=∑∞-∞=-M zn x n n)(的z 值范围。
解：(1) 由Z 变换的概念可知：∞====<<<<z z az a z az a z a az ,0 1, 11,1 零点为：极点为：即：且收敛域：)(21)()2(n u n x n⎪⎭⎫⎝⎛=)1(21)()3(--⎪⎭⎫⎝⎛-=n u n x n)1(,1)()4(≥=n nn x 为常数）00(0,)sin()()5(ωω≥=n n n n x 10,)()cos()()6(0<<+=r n u n Ar n x n Φω)1||()()1(<=a an x nnn nzaz X -∞-∞=⋅=∑)(nn n nn n z a za-∞=---∞=-∑∑+=1nn n nn n z a z a -∞=∞=∑∑+=01))(1()1()1)(1(1111212a z az a z a az az a za az az ---=---=-+-=-解：(2) 由z 变换的概念可知：n n nz n u z X -∞-∞=∑=)()21()( ∑∞=-=0)21(n n n z 12111--=z 211121><⋅z z 即：收敛域： 0 21==z z 零点为：极点为：解:（3）nn n z n u z X -∞-∞=∑---=)1()21()(∑--∞=--=1)21(n n n z∑∞=-=12n n n z zz212--= 12111--=z 21 12 <<z z 即：收敛域：0 21 ==z z 零点为：极点为： 解： (4) ∑-⋅∞==11)(n nz n z X∑∞--=-=•••11)(1)(n n z n n dz z dX 21)(11z z z n n -=-=∑∞=-- ，1||>z。
信号与系统讲义-2
f (t) u 3 10
p
u pf (t) 2p 10
u(t) (Ae5t B)U(t)
2 du(t) 10u(t) df (t)
dt
dt
u(t) 5Ae5t U(t) (A B)(t)
2(A B) 1 B0
u(t) 1 e5tU(t)V 2
H
(
p)
2p2 8p 3 ( p 1)( p 3)2
求系统的响应 y(t)。
解： D(p) (p 1)(p 3)2 0 p1 1 p2 p3 3
y0 (t) K1e t K 2e3t K 3te3t
y0 (0 ) K1 K2 =2 y0 (0 ) K1 3K 2 K3=1
3、共轭复根：(欠阻尼) 即 R 2 L C
uc Aet cos(dt ) Us
R 2L
,
d
02 2 , 0
1 LC
4
三、 RLC串联电路全响应
d 2uc dt 2
R L
duc dt
1 LC
uc
1 LC Us
(二阶常系数线性非齐次微分方程)
t<0 , K在2,有 uc (0 ) U0
C
uc Aep1t Be p2t Us
2、重根：(临界阻尼) 即
R2
L C
（自然频率、固有频率）
uc (A Bt)ept Us
3、共轭复根：(欠阻尼) 即 R 2 L C
uc Aet cos(dt ) Us
R 2L
d 02 2
《信号与系统》第二章总结
其中零状态响应rzs (t )由初始态为零时的方程求解而定 即rzs (t ) = rzsh (t ) + rzsp (t )
其中rzsh (t )和rzsp (t )分别为如下方程的齐次解和特解 zsp d n rzs (t ) d n −1rzs (t ) dr (t ) C0 + C1 + L + Cn −1 zs + Cn rzs (t ) dt n dt n −1 dt d m e(t ) d m −1e(t ) de(t ) = E + E1 + L + Em −1 + Em e(t ), m −1 0 dt m dt dt (k ) rzs (0− ) = 0
则h(t )为t ≥ 0+时满足起始态为零的微分齐次方程的解
n α t 当n > m时，h(t ) = ∑ Ak e k u (t ) k =1 （设特征方程的根为n个单根α k）
当n ≤ m时，h(t )还须含δ ( m − n ) (t )、δ ( m − n −1) (t )、 、δ (t ), L 而各项系数由Em决定
•连续时间系统的时域分析法：不通过任何变换，直接求解 求解系 求解 统的微分 微分、积分方程 方程。 微分 方程 •连续时间系统的时域分析方法：经典法，卷积法，算子法。
设n阶复杂系统激励信号为e(t )，响应信号为r (t )
其n阶微分方程为 d n r (t ) d n −1r (t ) dr (t ) C0 + C1 + L + Cn −1 + Cn r (t ) n n −1 dt dt dt d m e (t ) d m −1e(t ) de(t ) = E0 + E1 + L + Em −1 + Em e(t ) m m −1 dt dt dt
其中rzsh (t )和rzsp (t )分别为如下方程的齐次解和特解 zsp d n rzs (t ) d n −1rzs (t ) dr (t ) C0 + C1 + L + Cn −1 zs + Cn rzs (t ) dt n dt n −1 dt d m e(t ) d m −1e(t ) de(t ) = E + E1 + L + Em −1 + Em e(t ), m −1 0 dt m dt dt (k ) rzs (0− ) = 0
则h(t )为t ≥ 0+时满足起始态为零的微分齐次方程的解
n α t 当n > m时，h(t ) = ∑ Ak e k u (t ) k =1 （设特征方程的根为n个单根α k）
当n ≤ m时，h(t )还须含δ ( m − n ) (t )、δ ( m − n −1) (t )、 、δ (t ), L 而各项系数由Em决定
•连续时间系统的时域分析法：不通过任何变换，直接求解 求解系 求解 统的微分 微分、积分方程 方程。 微分 方程 •连续时间系统的时域分析方法：经典法，卷积法，算子法。
设n阶复杂系统激励信号为e(t )，响应信号为r (t )
其n阶微分方程为 d n r (t ) d n −1r (t ) dr (t ) C0 + C1 + L + Cn −1 + Cn r (t ) n n −1 dt dt dt d m e (t ) d m −1e(t ) de(t ) = E0 + E1 + L + Em −1 + Em e(t ) m m −1 dt dt dt
信号与系统第二章ppt课件
解 先画出f1(t－τ)|t=0, 即f1(－τ)和f2(τ)波形如题解图2.6(a)所 示。再令t从－∞ 开始增长，随f1(t－τ)波形右移，分区间计算卷 积积分：
30
第2章 连续信号与系统的时域分析 31
最后整理得
第2章 连续信号与系统的时域分析
波形如题解图2.6(b)所示。
32
第2章 连续信号与系统的时域分析
3
(2) 因为
第2章 连续信号与系统的时域分析
所以
4
第2章 连续信号与系统的时域分析
2.2 写出下列复频率s所表示的指数信号est的表达式，并画 出其波形。
(1) 2； (2) －2； (3) －j5； (4) －1+j2。
5
第2章 连续信号与系统的时域分析
解 (1) f1(t)=e2t,波形如题解图2.2(a)所示。 (2) f2(t)=e－2t, 波形如题解图2.2(b)所示。显然, f1(t)和f2(t)都 是实指数信号。 (3) f3(t)=e－j5t=cos5t－j sin5t。f3(t)是虚指数信号，其实部、 虚部分别是等幅余弦、正弦信号。实部信号波形如题解图2.2(c) 所示。 (4) f4(t)=e(－1+j2)t=e－t·ej2t=e－t(cos2t+j sin2t)。f4(t)是复指数信 号，其实部和虚部分别是幅度按指数规律衰减的余弦和正弦信 号。实部信号波形如题解图2.2(d)所示。
(4) 由于tε(t)|t=－∞=0,有 所以
38
第2章 连续信号与系统的时域分析
2.8 已知f1(t)和f2(t)如题图2.4所示。设f(t)=f1(t)*f2(t)，试求 f(－1)、f(0)和f(1)的值。
题图 2.4
30
第2章 连续信号与系统的时域分析 31
最后整理得
第2章 连续信号与系统的时域分析
波形如题解图2.6(b)所示。
32
第2章 连续信号与系统的时域分析
3
(2) 因为
第2章 连续信号与系统的时域分析
所以
4
第2章 连续信号与系统的时域分析
2.2 写出下列复频率s所表示的指数信号est的表达式，并画 出其波形。
(1) 2； (2) －2； (3) －j5； (4) －1+j2。
5
第2章 连续信号与系统的时域分析
解 (1) f1(t)=e2t,波形如题解图2.2(a)所示。 (2) f2(t)=e－2t, 波形如题解图2.2(b)所示。显然, f1(t)和f2(t)都 是实指数信号。 (3) f3(t)=e－j5t=cos5t－j sin5t。f3(t)是虚指数信号，其实部、 虚部分别是等幅余弦、正弦信号。实部信号波形如题解图2.2(c) 所示。 (4) f4(t)=e(－1+j2)t=e－t·ej2t=e－t(cos2t+j sin2t)。f4(t)是复指数信 号，其实部和虚部分别是幅度按指数规律衰减的余弦和正弦信 号。实部信号波形如题解图2.2(d)所示。
(4) 由于tε(t)|t=－∞=0,有 所以
38
第2章 连续信号与系统的时域分析
2.8 已知f1(t)和f2(t)如题图2.4所示。设f(t)=f1(t)*f2(t)，试求 f(－1)、f(0)和f(1)的值。
题图 2.4
信号与系统第二章
1.3 复指数信号与正弦信号
（Exponential and Sinusoidal Signals ）
一. 连续时间复指数信号与正弦信号 连续时间正弦信号 (周期信号)
ω ω0 为频率，Φ为相位， 0=2π/T0
x(t)=Asin(ω0 t + Φ)
∃ T0 , s.t. x(t + T0 ) = x(t) Asin(ω0 (t + T0 ) + φ) = Asin(ω0t + φ) ∴ω0T0 =2π
离散时间信号的频率表示为 ω0 ，其量纲是弧度。
离散时间正弦信号不一定是周期的，因此，离散 时间虚指数信号也不一定是关于n的周期信号。
3. 一般复指数信号：
x[n] = Cα n
令 C = C e jθ α = α e jω0 则
x[n] = C α en j(ω0n+θ )
= C ⋅ α n ⋅[cos(ω0n +θ) + j sin(ω0n +θ)] 其实部与虚部都是幅度按实指数规律变化的正弦 序列。
k =－∞
k =0
δ[n − k]
1
• • • •••• •• • k
n
δ [n]具有提取信号 x[n]中某一点的样值的作用。 x[n]δ [n] = x[0]δ [n] x[n]δ [n − n0 ] = x[n0 ]δ [n − n0 ]
5
二. 连续时间单位阶跃与单位冲激
1. 单位阶跃 u(t)
可见,只有当 2π/ Ω0为有理数时, sinΩ0n才是周期信号. 周期为？？
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
（Exponential and Sinusoidal Signals ）
一. 连续时间复指数信号与正弦信号 连续时间正弦信号 (周期信号)
ω ω0 为频率，Φ为相位， 0=2π/T0
x(t)=Asin(ω0 t + Φ)
∃ T0 , s.t. x(t + T0 ) = x(t) Asin(ω0 (t + T0 ) + φ) = Asin(ω0t + φ) ∴ω0T0 =2π
离散时间信号的频率表示为 ω0 ，其量纲是弧度。
离散时间正弦信号不一定是周期的，因此，离散 时间虚指数信号也不一定是关于n的周期信号。
3. 一般复指数信号：
x[n] = Cα n
令 C = C e jθ α = α e jω0 则
x[n] = C α en j(ω0n+θ )
= C ⋅ α n ⋅[cos(ω0n +θ) + j sin(ω0n +θ)] 其实部与虚部都是幅度按实指数规律变化的正弦 序列。
k =－∞
k =0
δ[n − k]
1
• • • •••• •• • k
n
δ [n]具有提取信号 x[n]中某一点的样值的作用。 x[n]δ [n] = x[0]δ [n] x[n]δ [n − n0 ] = x[n0 ]δ [n − n0 ]
5
二. 连续时间单位阶跃与单位冲激
1. 单位阶跃 u(t)
可见,只有当 2π/ Ω0为有理数时, sinΩ0n才是周期信号. 周期为？？
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
信号与系统第二章
§2.1 经典时域解法
2 连续时间信号与系统的时域分析
2.1.1 微分方程式的建立与求解
1．物理系统的模型
•许多实际系统可以用线性系统来模拟。
•若系统的参数不随时间而改变，则该系统可以用
线性常系数微分方程来描述。
2 连续时间信号与系统的时域分析
•根据实际系统的物理特性列写系统的微分方程。 •对于电路系统，主要是根据元件特性约束和网络
2 连续时间信号与系统的时域分析
2 冲激函数匹配法 配平的原理：t =0 时刻微分方程左右两端的δ(t) 及各阶导数应该平衡.
【例】
d y t 3 y t 3 t 已知y0 , 求y0 dt
ut : 表示0 到0 相对单位跳变函数
该过程可借助数学描述
所以系统响应的完全解为
需要注意的: 特解的函数形式由系统所加的激励决定，齐次解 的函数形式完全取决于特征方程的根。 由于构成系统的各元件本身所遵从的规律、系统 的结构与参数决定了微分方程的阶次与系数，因此， 齐次解只与系统本身特性有关。
2 连续时间信号与系统的时域分析
2.1.2 从 到 状态的转换
2 连续时间信号与系统的时域分析
齐次解：由特征方程→求出特征根→写出齐次解形式 注意重根情况处理方法。 特 解：根据微分方程右端函数式形式，设含待定系 数的特解函数式→代入原方程，比较系数 定出特解。
完全解:齐次解和特解相加, 齐次解中的待定系数可通过初始条件求得.
在系统分析中，响应区间定义为激励信号 加 入后系统的状态变化区间。系统响应的求解区间为
a 3 即 b 9 c 9
即 y0 y0 9
2 连续时间信号与系统的时域分析
冲激函数匹配法实现过程中应注意的问题： (1) 对于冲激函数只匹配 及其各阶导数项， 微分方程两端这些函数项都对应相等。 (2) 匹配从方程左端 的最高阶项开始，首 先使方程右端冲激函数最高阶次项得到匹配,在已 匹配好的高阶次冲激函数项系数的条件下，再匹配 低阶项。 (3) 每次匹配方程低阶冲激函数项时，如果方 程左端所有同阶次冲激函数各项系数之和不能和右 端匹配，则由左端 高阶项中补偿。
信号与系统(第二章)
•但由于自变量 的系数不同， 但由于自变量t 的系数不同， 但由于自变量 则达到同样函数值2的时间不同。 则达到同样函数值 的时间不同。 的时间不同 •时间变量乘以一个系数等于改 时间变量乘以一个系数等于改 变观察时间的标度。 变观察时间的标度。
1
O
f (2t ) 2 1
O
T 2
t
2T
t
, a > 1 压缩保持信号的时间缩短 f (t ) → f (at ) , 0 < a < 1 扩展保持信号的时间增长
13 页
τ < 0，左移 超前 超前) ，左移(超前
例：
f (t ) 1
−1 O t −1 O
f(t+1)的波形？ 的波形？ 的波形
ft) f ((t+ 1)
1 t
1
1
宗量相同，函数值相同， 宗量相同，函数值相同，求新坐标
t = 0 t +1 = 0 t = −1 f (t ) = 1 f (t +1) = 1 f (t +1) = 1
X
O
t
第
欧拉(Euler)公式
1 jωt −jωt sin(ωt ) = e − e 2j
1 jωt −jωt cos(ωt ) = e + e 2
7 页
(
)
(
)
e
jω t
= cos(ωt ) + jsin(ωt )
X
第
6．复指数信号
f (t ) = Kest = Keσ t cos(ω t ) + jKeσt sin(ω t ) (−∞< t < ∞)
宗量3t+5 宗量
信号与系统-第二章线性时不变系统
n
1
k
f1 (k )
f2 (0
k)
3,
k
f1 (k )
f2 (1 k)
3,
n0 n 1
k
f1 (k )
f2(2 k)
1,
0,
n2 n14 3
三. 卷积和的计算：(3)列表法
分析卷积和的过程，可以发现有如下特点：
① x(n与) 的h(所n)有各点都要遍乘一次；
② 在遍乘后，各点相加时，根据 x(k)h(n k)， k
x (t) x(t)
20
x(t) x (t)
x(k)
t
0
k (k 1)
引用 (t，) 即：
(t)
1
/ 0
0t otherwise
则有：
(t
)
1 0
0t otherwise
21
第 个k 矩形可表示为： x(k) (t k)
这些矩形叠加起来就成为阶梯形信号 x，(t)
即： x (t) x(k) (t k) k 当 时0 ， k d
un 4 ak
an3
1un 4
k 0
a 1
9
例4： x(n) nu(n) 0 1 h(n) u(n)
x(k) ku(k)
1
0
k ...
h(n k) u(n k)
1
k
0
n
y(n) x(n) h(n)
x(k)h(n k) ku(k)u(n k)
k
k
u(n) n k 1 n1 u(n)
例2 :
1 x(t) 0
h( )
2T
0t T otherwise
信号与系统第二章习题答案
(− 3C1 + 3C2 )δ (t ) + (C1 + C2 )δ ' (t ) − (− 2C1 + C 2 )δ (t ) = δ (t )
h (t ) = C1e −2t + C2 e t ε (t )
对上式求一阶、二阶导数，得
(
)
h ' (t ) = − 2C1e −2t + C 2e t ε (t ) + C1e −2t + C2 e t δ (t )
(
)
(
t
)
h '' (t ) = 4C1e −2 t + C2 e t ε (t ) + − 2C1e −2t + C 2e t δ (t ) + − 2C1e − 2t
d 2e (t ) d 2i1 (t ) di1 (t ) di 2 (t ) = 4 + 6 + 2 dt 2 dt 2 dt dt
将⑴式、⑸式代入⑽式中，得到：
⑾
对⑾式求导，得到：
⑿
再将⑴式代入⑿式中，得到 i1 (t ) 的微分方程为：
64
d 2e (t ) d 2i1 (t ) di1 (t ) = 4 + 6 + 4i1 (t ) dt 2 dt 2 dt
⑼
再将⑴式代入⑼式中，得到 i 2 (t ) 的微分方程为：
2
d 2i 2 (t ) di 2 (t ) de(t ) + 3 + 2i 2 (t ) = 2 dt dt dt
⑽
对⑹式求一阶导，得到：
di (t ) di (t ) du (t ) de(t ) = 4 1 +2 2 + c dt dt dt dt di (t ) de(t ) = 4 1 + 6i1 (t ) + 2i2 (t ) dt dt
信号与系统第二章 总结
第二章 总结一﹑LTI 连续系统响应（一）微分方程经典解法=解开方式：全解y （t ）=通解）（特解）（t y t y p n + 1﹑通解（齐次解）：令右侧为零由特征方程n a +n λ1-n a +1-n λ…+0a a 01=+λ确定通解形式，再由n 个+0初始条件确定系数。
总结：齐次解模式由系统决定，系数由n 个初始条件决定，有时与f （t ）有关。
2﹑特解：函数形式与f （t ）有关，根据f （t ）形式选择特定形式后，代入原微分方程，球的系数。
3﹑全解：） y （t ）=）（）（t y t y p n + 响应。
）又称强迫响应或受迫（响应；）又称自由响应或固有（t y t y p n (二)初始条件与-00+（1）经典系统的响应应限于到正无穷范围。
+0（2）不能将{）（-n 0y }作为微分方程初始条件。
（3）{）（+0y n }由{）（-n 0y }导出，{）（+0y n }又称导出初始条件。
（三）零输入响应与零状态响应y （t ）=）（）（t y t y zs zi + 定义求解：（1）求解zi y ：微分方程→特征方程→特征根→zi y （t ）模式→数由{）（-n 0y }确定。
（2））（t y zs 求解：经典法﹑卷积积分法。
二﹑卷积积分卷积积分及其图解计算（1）定义： （2）图解计算：∑=n 1i i i t y a ）（）（∑=m 1j j j t f b ）（）（()()()τττd 21⎰∞∞--=t f f t f ττ ),()(.111积分变量改为f t f →)()()()(.22222τττ-−−→−-−−→−→t f f f t f 平移翻转τττd )(.)(.321-⎰∞∞-t f f 乘积的积分：总结：翻卷（翻转+平移）→乘积→积分三﹑卷积的性质：（一）卷积的代数性质：（1） 交换性：（2） 分配性：（3） 结合律： (二)延时特性：卷积的延迟量等于相卷积的两函数卷积之和（三）函数与冲激函数卷积)()()(t f t t f =*δ卷积奇偶性：同偶异奇（四）卷积的导数与积分：1﹑卷积导数：[）（）（t f t f 21*]´=）（）（t f t f 21*´=）（）（，t f t f 21* 推广：）（）（）（）（）（）（t f t f t f t f n 2n 121-*=* 2、卷积积分）（）（）（）（）（）（t f dx x f dx x f t f dx x f x f 2t 1t 212t 1*=*=*⎰⎰⎰∞-∞-∞- 若y （t ）=）（）（t f t f 21*，则）（）（）（）（）（）（t f t f t y j -i 2j 1i *= （五）相关函数dt t f t f dt t f t )()()(f R 212-112•+=-•=⎰⎰∞∞-∞∞τττ）（）（ dt t f t f dt t f t )()()(-f R 212-121τττ+•=•=⎰⎰∞∞-∞∞）（）（ )-(R 2112ττR =）（ ）（）（ττ-R R 1221=自相关函数：若）（）（）（t f t f t f 21==，则R （τ）称为自相关函数。
信号与系统第二章
0
0
y '' zs ( t ) d t
0
0
y ' zs ( t ) d t
0
0
y zs ( t ) d t 2 6
0
0
(t ) d t
2.2
冲激响应和阶跃响应
一、冲激响应
由单位冲激函数δ(t)所引起的零状态响应称为单位冲 激响应，简称冲激响应，记为h(t)。h(t)=T[{0},δ(t)] 例1 描述某系统的微分方程为 y”(t)+5y’(t)+6y(t)=f(t) 求其冲激响应h(t)。 解 根据h(t)的定义 有 h”(t) + 5h’(t) + 6h(t) = δ(t) h’(0-) = h(0-) = 0 先求h’(0+)和h(0+)。
f ( )
f ( )
fˆ (t )
…
f(0)
“1”号脉冲高度f(△) ,宽度为 0 1 2 … -1 △，用p(t - △)表示为： f(△) △ p(t - △) “-1”号脉冲高度f(-△) 、宽度为△，用p(t +△)表示为： f ( - △) △ p(t + △) 这些脉冲的和近似的等于f(t) ˆ f (t ) f (n)p (t n)
g
( j)
(0 ) 0, j 0,1, 2...n 1
由于等号右端只含ε(t)，故除g(n)(t)外，其他各阶导数均 ( j) ( j) 连续 g (0 ) g (0 ) 0, j 1, 2..., n 1 由于δ(t) 与ε(t) 为微积分关系，故 t g(t)= T [ε(t) ，{0}] g ( t ) h ( ) d
《信号与系统》第二章讲
第二章 连续时间系统的时域分析2.1 系统模型为便于对系统进行分析，需要建立系统的模型，在模型的基础上可以运用数学工具对系统进行研究。
一. 模型：模型是系统物理特性的数学抽象，以数学表达式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统特性。
由电路图可列出方程：dt t de C t i dt t di RC dtt i d LC t e t Ri dt t di L dt t i Ct)()()()()()()()(122=++=++⎰∞-即：这就是系统的数学模型。
二. 系统模型的建立是有一定条件的：1. 对于同一物理系统在不同条件之下，可以得到不同形式的数学模型。
（参考书中P29）2. 对于不同的物理系统，经过抽象和近似有可能得到形式上完全相同的数学模型。
（参考书中P29）建立系统模型只是进行系统分析工作的第一步，为求得给定激励条件下系统的响应，还应当知道激励接入瞬间系统内部的能量储存情况。
如果系统数学模型、起始状态以及输入激励信号都已确定，即可运用数学方法求解其响应。
一般情况下我们对所求得结果可以作出物理解释赋予物理意义。
综上所述，系统分析的过程，是从实际物理问题抽象为数学模型，经过数学解释后再回到物理实际的过程。
也即：建立数学模型解数学模型对解加于物理解释三. 时域分析方法时域分析：在分析过程中，所涉及到的函数都是时间的函数。
（1）经典方法：求解微分方程（2）卷积积分法（重点内容）2.2 线性时不变系统微分方程的建立分析对象：线性的、时不变系统（非时变系统）教学目标：熟练掌握建立线性系统的微分方程的方法。
重点：电路系统建立微分方程的基本依据。
难点：用网孔电流法及节点电位法列状态方程。
一.一. 电路系统建立微分方程的基本依据1.元件特性约束（电路元件的伏安特性）（1）电阻器：-R由欧姆定律：)( )()(1)(tiRtutuRtiRRRR⋅==或若电阻特性参数与时间无关，即R与流过电阻器的电流或施加的电压大小无关，则此电阻称为时不变电阻或线性电阻。
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KCL： i( t )＝0 KVL： u( t )＝0 VCR： uR( t ) = R i( t )
uL
(t)
L
di(t) dt
iC
(t)
C
du(t) dt
对图1(a)，有
RC
duC (t) dt
uC
(t)
uS
(t)
即
uC (t)
1 RC
uC (t)
1 RC
uS (t )
h(t) ds(t) dt
t
s(t) h( )d
（3）利用转移算子求h(t)
定义算子
p d , dt
pn
dn dt n
，
1 t
p
算子的运算规则： （1）可因式分解： （2）算子方程中左右两端的算子p不能随意消去： （3）算子p和1/p的位置不能互换：
如图所示的二阶系统，其描述方程如下
a、自由响应：取决于系统性质，即特征根；
b、强迫响应：取决于输入信号的形式；
按响应的变化形式：
a、瞬态响应：当t无限增长，响应最终趋于零；
b、稳态响应：响应恒定或为某个稳态函数。
例2-1 一阶系统
uC (t) 2uC (t) 2uS (t)
当uC(0)=4V， uS(t)=1+e3t 时，则完全响应为： uC (t) 4e2t e2t 2e3t1 零输入响应 零状态响应 （储能响应）（受激响应）
图1
1、阶跃响应
LTI系统在零状态下，由单位阶跃信号引起的 响应称为单位阶跃响应，简称阶跃响应，记
为s( t )。
图2
对于一阶系统方程
y(t) ay(t) k (t)
则零状态响应：
则阶跃响应：
y(t) s(t) eat t k ( )ea d 0 k (1 eat )ε(t) a
(3) 特征根是成对共轭复根 si i ji , i n / 2
yh (t) e1t (K1 cos1t K1 sin 1t) L eit (Ki cosit Ki sin it)
3、零输入响应与零状态响应
• 零输入响应（储能响应 ）： 从观察的初始时刻起不再施加输入信号，仅由该时 刻系统本身的起始储能状态引起的响应称为零输入 响应（ZIR）。
1、LTI系统的微分方程的建立
描述线性时不变（LTI）系统的输入-输出特性的是 线性常系数微分方程。 从系统的模型（微分方程）出发，在时域研究输入 信号通过系统后响应的变化规律，是研究系统时域 特性的重要方法，这种方法就是时域分析方法。
• 系统的微分方程的建立
对于电系统，建立其微分方程的基本依据是 ：
➢ 如果包含有(t)及其各阶导数，说明相应的0_状态到0＋状态发生了跳变 。
3、0＋ 状态的确定
➢ 已知 0_状态求 0＋ 状态的值，可用冲激函数匹配法。 ➢ 求 0＋ 状态的值还可以用拉普拉斯变换中的初值定理求出。
4、各种响应用初始值确定积分常数
➢在经典法求全响应的积分常数时，用的是 0＋ 状态初始值. ➢在求系统零输入响应时，用的是 0_ 状态起始状态。 ➢在求系统零状态响应时，用的是 0＋ 状态初始值，这时的零 状态是指 0_状态为零。
特解的函数形式由激励确定，称为强迫响应。
全响应＝齐次解(自由响应)＋特解(强迫响应)
齐次解：写出特征方程，求出特征根（自然频率或固有
频率）。根据特征根的特点，齐次解有不同的形式。一
般形式（无重根）：
n
yh (t) Cieit i 1
i 为特征根
特解：根据输入信号的形式有对应特解的形式，用待定
（2）求yzi(t)的基本步骤
①求系统的特征根，写出yzi(t)的通解表达式。
②由于激励为零，所以零输入的初始值：
y
(i zi
)
(0)
y
(i zi
)
(0)
确定积分常数C1，C2， …，Cn
③将确定出的积分常数C1，C2， …，Cn代入通解表达式， 即得yzi(t) 。
关于 0_ 和 0+ 初始值
对本例 所以
H ( p) 2 1 p 1 p 2
y(t) h(t) ( 2 1 ) (t)
p 1 p 2
最后
h(t) (2et e2t ) (t)
2.3 卷积及其应用
教学目的：深刻理解并掌握卷积的定义，会利用 其性质求卷积，掌握卷积在LTI系统中的应用。
即
y(t)
p2
p 3 (t)
3p 2
p 3 (t) H ( p) (t)
( p 1)( p 2)
H( p )称为转移算子。
一般
有 (2-32)
H ( p) k1 k1 ki
p 1 p 1
p i
n
h(t) kieit , t 0 i 1
零状态响应
（1）即求解对应非齐次微分方程的解
（2）求yzs(t)的基本步骤
①求系统的特征根，写出的通解表达式yzs(t) 。
②根据f(t)的形式，确定特解形式，代入方程解得特解yp(t)
③求全解，若方程右边有冲激函数（及其各阶导数）时，根
据冲激函数匹配法求得
y(i) zs
(0)
，确定积分常数C1，
C2， …，Cn
④将确定出的积分常数C1，C2， …，Cn代入全解表达式，即 得。
几种典型自由项函数相应的特解
• 一阶系统的零状态响应
对于一阶系统方程
y(t) ay(t) x(t)
x(t)：强迫函数（与输入信号有关）
特征方程的根： 则零状态响应：
a
或
yzs (t) eat
定义为f1(t)和f2(t)的卷积，记作
即：
y(t) f1(t) f2 (t)
y(t) f1(t) f2 (t) f1( ) f2 (t )d
若f1(t)、f2(t)均为因果信号：
有 所以
y(t) k (t)
pa
H ( p) k pa
y(t) h(t) ke at (t)
例2-4 设有二阶方程
y(t) 3y(t) 2y(t) f (t) 3 f (t), f (t) (t)
则有算子方程
( p2 3 p 2) y(t) ( p 3) (t)
第二章 连续系统的时域分析
学习重点：
• 连续系统微分方程的特点； • 系统响应的分解形式； • 阶跃响应与冲激响应； • 卷积及其应用； • 系统的特征函数及其应用。
本章目录
2.1 LTI连续系统的微分方程及其响应 2.2 阶跃响应与冲激响应 2.3 卷积及其应用 2.4 特征函数及其应用
2.1 LTI连续系统的微分方程及其响应
• 阶跃响应的测量
图3
2、冲激响应
（1）定义 储能状态为零的系统，在单位冲激信号作用下产生
的零状态响应称为冲激响应，记为h(t)。
对于一阶系统
y(t) ay(t) k(t)
x(t)
则冲激响应：
y(t) h(t) eat t k ( )ea d 0 keat (t)
R L
uC
(t)
1 LC
uC
(t)
1 C
iS (t)
R LC
iS (t)
2、微分方程的经典解法
• 对于n阶LTI连续系统，其微分方程为
微分方程的经典解： y(t)(完全解) = yh(t)(齐次解) + yp(t)(特解）
齐次解是齐次微分方程
yh(t)的函数形式仅与系统本身的特性有关，而与激励f(t)数形 式无关，称为系统的固有响应或自由响应；
例2-3 求图6示系统冲激响应h(t)=uC(t)
解 所以
图6
uC (t)
1 RC
uC (t)
1 (t)
RC
t
uC (t) h(t) e RC
t 0
1
( )e RC d
RC
1
t
e RC (t)
RC
（2）阶跃响应与冲激响应的关系
由系统的微、积分特性，则
4e2te2t 12e3t 自由响应 强迫响应
5e
2t
2e3t
1
瞬态响应 稳态响应
•经典法不足之处
•若微分方程右边激励项较复杂，则难以处理。 •若激励信号发生变化，则须全部重新求解。 •若初始条件发生变化，则须全部重新求解。 •这种方法是一种纯数学方法，无法突出系统响应的物 理概念。
系数法确定。在输入信号为直流和正弦信号时，特解就
是稳态解。
齐次解yh(t)的形式
(1) 特征根是不等实根s1, s2, , sn
yh (t) K1es1t K2es2t L Knesnt
(2) 特征根是等实根s1=s2==sn
yh (t) K1es t K2tes t L Knt n1es t
uC
(t)
R L
uC
(t)
1 LC
uC
(t)
1 C
iS (t)
R LC
iS (t)
i(t)
R i(t) L
1 LC
i(t)
1 LC
iS ( t )
（3）利用转移算子求h(t)
定义转移算子H( p )： H ( p) N( p)
D( p)
一般可将输入-输出关系表示为： y(t) H ( p) f (t) 则对一阶方程 y(t) ay(t) k (t)
uL
(t)
L
di(t) dt
iC
(t)
C
du(t) dt
对图1(a)，有
RC
duC (t) dt
uC
(t)
uS
(t)
即
uC (t)
1 RC
uC (t)
1 RC
uS (t )
h(t) ds(t) dt
t
s(t) h( )d
（3）利用转移算子求h(t)
定义算子
p d , dt
pn
dn dt n
，
1 t
p
算子的运算规则： （1）可因式分解： （2）算子方程中左右两端的算子p不能随意消去： （3）算子p和1/p的位置不能互换：
如图所示的二阶系统，其描述方程如下
a、自由响应：取决于系统性质，即特征根；
b、强迫响应：取决于输入信号的形式；
按响应的变化形式：
a、瞬态响应：当t无限增长，响应最终趋于零；
b、稳态响应：响应恒定或为某个稳态函数。
例2-1 一阶系统
uC (t) 2uC (t) 2uS (t)
当uC(0)=4V， uS(t)=1+e3t 时，则完全响应为： uC (t) 4e2t e2t 2e3t1 零输入响应 零状态响应 （储能响应）（受激响应）
图1
1、阶跃响应
LTI系统在零状态下，由单位阶跃信号引起的 响应称为单位阶跃响应，简称阶跃响应，记
为s( t )。
图2
对于一阶系统方程
y(t) ay(t) k (t)
则零状态响应：
则阶跃响应：
y(t) s(t) eat t k ( )ea d 0 k (1 eat )ε(t) a
(3) 特征根是成对共轭复根 si i ji , i n / 2
yh (t) e1t (K1 cos1t K1 sin 1t) L eit (Ki cosit Ki sin it)
3、零输入响应与零状态响应
• 零输入响应（储能响应 ）： 从观察的初始时刻起不再施加输入信号，仅由该时 刻系统本身的起始储能状态引起的响应称为零输入 响应（ZIR）。
1、LTI系统的微分方程的建立
描述线性时不变（LTI）系统的输入-输出特性的是 线性常系数微分方程。 从系统的模型（微分方程）出发，在时域研究输入 信号通过系统后响应的变化规律，是研究系统时域 特性的重要方法，这种方法就是时域分析方法。
• 系统的微分方程的建立
对于电系统，建立其微分方程的基本依据是 ：
➢ 如果包含有(t)及其各阶导数，说明相应的0_状态到0＋状态发生了跳变 。
3、0＋ 状态的确定
➢ 已知 0_状态求 0＋ 状态的值，可用冲激函数匹配法。 ➢ 求 0＋ 状态的值还可以用拉普拉斯变换中的初值定理求出。
4、各种响应用初始值确定积分常数
➢在经典法求全响应的积分常数时，用的是 0＋ 状态初始值. ➢在求系统零输入响应时，用的是 0_ 状态起始状态。 ➢在求系统零状态响应时，用的是 0＋ 状态初始值，这时的零 状态是指 0_状态为零。
特解的函数形式由激励确定，称为强迫响应。
全响应＝齐次解(自由响应)＋特解(强迫响应)
齐次解：写出特征方程，求出特征根（自然频率或固有
频率）。根据特征根的特点，齐次解有不同的形式。一
般形式（无重根）：
n
yh (t) Cieit i 1
i 为特征根
特解：根据输入信号的形式有对应特解的形式，用待定
（2）求yzi(t)的基本步骤
①求系统的特征根，写出yzi(t)的通解表达式。
②由于激励为零，所以零输入的初始值：
y
(i zi
)
(0)
y
(i zi
)
(0)
确定积分常数C1，C2， …，Cn
③将确定出的积分常数C1，C2， …，Cn代入通解表达式， 即得yzi(t) 。
关于 0_ 和 0+ 初始值
对本例 所以
H ( p) 2 1 p 1 p 2
y(t) h(t) ( 2 1 ) (t)
p 1 p 2
最后
h(t) (2et e2t ) (t)
2.3 卷积及其应用
教学目的：深刻理解并掌握卷积的定义，会利用 其性质求卷积，掌握卷积在LTI系统中的应用。
即
y(t)
p2
p 3 (t)
3p 2
p 3 (t) H ( p) (t)
( p 1)( p 2)
H( p )称为转移算子。
一般
有 (2-32)
H ( p) k1 k1 ki
p 1 p 1
p i
n
h(t) kieit , t 0 i 1
零状态响应
（1）即求解对应非齐次微分方程的解
（2）求yzs(t)的基本步骤
①求系统的特征根，写出的通解表达式yzs(t) 。
②根据f(t)的形式，确定特解形式，代入方程解得特解yp(t)
③求全解，若方程右边有冲激函数（及其各阶导数）时，根
据冲激函数匹配法求得
y(i) zs
(0)
，确定积分常数C1，
C2， …，Cn
④将确定出的积分常数C1，C2， …，Cn代入全解表达式，即 得。
几种典型自由项函数相应的特解
• 一阶系统的零状态响应
对于一阶系统方程
y(t) ay(t) x(t)
x(t)：强迫函数（与输入信号有关）
特征方程的根： 则零状态响应：
a
或
yzs (t) eat
定义为f1(t)和f2(t)的卷积，记作
即：
y(t) f1(t) f2 (t)
y(t) f1(t) f2 (t) f1( ) f2 (t )d
若f1(t)、f2(t)均为因果信号：
有 所以
y(t) k (t)
pa
H ( p) k pa
y(t) h(t) ke at (t)
例2-4 设有二阶方程
y(t) 3y(t) 2y(t) f (t) 3 f (t), f (t) (t)
则有算子方程
( p2 3 p 2) y(t) ( p 3) (t)
第二章 连续系统的时域分析
学习重点：
• 连续系统微分方程的特点； • 系统响应的分解形式； • 阶跃响应与冲激响应； • 卷积及其应用； • 系统的特征函数及其应用。
本章目录
2.1 LTI连续系统的微分方程及其响应 2.2 阶跃响应与冲激响应 2.3 卷积及其应用 2.4 特征函数及其应用
2.1 LTI连续系统的微分方程及其响应
• 阶跃响应的测量
图3
2、冲激响应
（1）定义 储能状态为零的系统，在单位冲激信号作用下产生
的零状态响应称为冲激响应，记为h(t)。
对于一阶系统
y(t) ay(t) k(t)
x(t)
则冲激响应：
y(t) h(t) eat t k ( )ea d 0 keat (t)
R L
uC
(t)
1 LC
uC
(t)
1 C
iS (t)
R LC
iS (t)
2、微分方程的经典解法
• 对于n阶LTI连续系统，其微分方程为
微分方程的经典解： y(t)(完全解) = yh(t)(齐次解) + yp(t)(特解）
齐次解是齐次微分方程
yh(t)的函数形式仅与系统本身的特性有关，而与激励f(t)数形 式无关，称为系统的固有响应或自由响应；
例2-3 求图6示系统冲激响应h(t)=uC(t)
解 所以
图6
uC (t)
1 RC
uC (t)
1 (t)
RC
t
uC (t) h(t) e RC
t 0
1
( )e RC d
RC
1
t
e RC (t)
RC
（2）阶跃响应与冲激响应的关系
由系统的微、积分特性，则
4e2te2t 12e3t 自由响应 强迫响应
5e
2t
2e3t
1
瞬态响应 稳态响应
•经典法不足之处
•若微分方程右边激励项较复杂，则难以处理。 •若激励信号发生变化，则须全部重新求解。 •若初始条件发生变化，则须全部重新求解。 •这种方法是一种纯数学方法，无法突出系统响应的物 理概念。
系数法确定。在输入信号为直流和正弦信号时，特解就
是稳态解。
齐次解yh(t)的形式
(1) 特征根是不等实根s1, s2, , sn
yh (t) K1es1t K2es2t L Knesnt
(2) 特征根是等实根s1=s2==sn
yh (t) K1es t K2tes t L Knt n1es t
uC
(t)
R L
uC
(t)
1 LC
uC
(t)
1 C
iS (t)
R LC
iS (t)
i(t)
R i(t) L
1 LC
i(t)
1 LC
iS ( t )
（3）利用转移算子求h(t)
定义转移算子H( p )： H ( p) N( p)
D( p)
一般可将输入-输出关系表示为： y(t) H ( p) f (t) 则对一阶方程 y(t) ay(t) k (t)