6.离散时间信号与系统的时域分析

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第6章线性时不变离散系统的时域分析

6.1 学习要求

(1)掌握离散信号的基本描述方法、分类及其基本运算;

(2)掌握离散时间系统的差分方程描述;

(3)熟练掌握系统的单位样值响应;

(4)熟练掌握卷积和的概念及计算;

(5)掌握系统零输入响应和零状态响应的求解方法;

(6)了解离散相关的概念和性质。

6.2学习重点

(1)系统的单位样值响应的计算;

(2)零输入响应和零状态响应的求解方法;

(3)卷积和的概念及计算。

6.3知识结构

6.4内容摘要

6.4.1 离散时间信号的定义

离散时间信号是指仅在不连续的离散时刻有确定函数值,而在其它点上函数值未定义的信号,简称离散信号,也称序列,常用)(n x 表示。 6.4.2 常用的时间序列

(1)单位样值序列)(n

⎩⎨

⎧≠==0

00

1)(n n n δ

(2)单位阶跃序列)(n u

⎨⎧<≥=000

1)(n n n u

)(n u 和)(n δ的关系:

+-+-+-+=)3()2()1()()(n n n n n u δδδδ∑∞

=-=0

)(k k n δ

)1()()(--=n u n u n δ

(3)矩形序列)(n R N ⎩

⎧≥<-≤≤=)0(0)

10(1)(N n n N n n R N 或

矩形序列与阶跃序列、样值序列的关系:

∑-=-=+-++-+-+=10

)()1()2()1()()(N m N m n N n n n n n R δδδδδ

)1()()(+--=N n u n u n R N

(4)正弦序列

)sin()(0φω+=n A n x

式中,A 为幅度,φ为起始相位,0ω为正弦序列的数字域频率,N

π

ω20=。 (5)实指数序列

)()(n u a n x n

=

波形特点为:a >1时,序列发散;1

(6)复指数序列

n

j e n x )(0)(ωσ+=

n je n e n x n n 00sin cos )(ωωσσ+=

其中,0ω为复正弦序列的数字域频率,σ表征了复正弦序列的幅度变化情况。

(7)周期序列

对于任意整数n ,若)()(N n x n x +=(N 为某一最小正整数),则序列)(n x 是周期序列,

N 就是该序列的周期。

正弦序列)sin()(0φω+=n A n x 的不一定是周期序列,只有当02N k ωπ=(k 为整数)即02N k πω=有理数时,才是周期为N 的周期序列。

当02ωπ是无理数时,此时正弦序列不是周期序列。 6.4.3 序列的运算

(1).移位:()()y n x n m =± (1).翻褶:()()y n x n =- (3)加减:12()()()y n x n x n =± (4)乘积:12()()()y n x n x n = (5)差分:

前向差分:)()1()(n x n x n x -+=∆ 后向差分:)1()()(--=∇n x n x n x (6)尺度变换

抽取:由)(n x 得到)(mn x , m 正整数。例如,2=m ,)2(n x ,相当于两个点取一点,以此类推。

插值:由)(n x 得到)/(m n x ,m 为正整数。例如,2=m ,)2/(n x ,相当于两个点之间插一个点,以此类推。 6.4.4离散卷积和

定义:已知序列)(n x 、)(n h ,它们的卷积和)(n y 定义为

∑∑∞-∞

=∞

-∞

=-=-=

m m m n x m h m n h m x n y )()()()()(

记作)()()(n h n x n y *=。

求解:卷积和运算可以分解为四步:反褶、位移、相乘和相加。基本步骤与卷积积分相似

性质:离散序列卷积和的代数运算与卷积积分有相似的规律,卷积和也服从交换律、分配律和结合律。即

)()()()(1221n x n x n x n x *=*

)()()()()]()([)(3121321n x n x n x n x n x n x n x *+*=+* )]()]()([)]()([)(321321n x n x n x n x n x n x **=**

)()()(n x n n x =*δ

6.4.5离散时间系统的差分方程建立

一个N 阶线性常系数差分方程一般形式为

∑∑==---=M i N

i i i i n y a i n x b n y 0

1

)()()(

或者

1 )()(0

=-=-∑∑==a i n x b i n y a M

i i

N i i

6.4.6离散系统的求解

(1)递推法

差分方程最原始的求解方法就是递推法,其原理是利用前一时刻的函数值经递推得到当前时刻的函数值。

递推法求解常系数线性差分方程的方法较为简单,但常常只能得到方程的数值,而不易得到其闭合形式(公式)解。 (2)经典解法

与微分方程的经典解法类似,将差分方程的解分成齐次解和特解。 求齐次解

一般齐次差分方程表示为

0)(0

=-∑=N

i i

i n y a i

a 为常数

齐次解)(n y c 通解的一般形式为∑∑+==-+

=

N

m j j

n j

n

m

i i i

m c c

c n

n y 1

1

)(λλ

式中,λ是m 阶重根;j λ为其余)(m N -个单根

求特解

特解的函数形式取决于激励的函数形式。为求得特解)(n y p ,需根据差分方程右端项选择合适的特解函数式(见下表6.4.1),代入方程后求出待定系数。

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