信号与系统-信号与系统4课件

1、南京邮电大学信号分析与信息处理教学中心2009.3SIGNALS AND SYSTEMS信号与系统第四章 连续信号与系统的复频域分析第四章 连续信号与系统的复频域分析连续信号与系统的复频域分析概述4.1 拉普拉斯变换4.2 典型信号的拉普拉斯变换4.3 拉普拉斯变换的性质4.4 拉普拉斯反变换4.6 连续系统的复频域分析4.7 系统函数4.8 由系统函数的零、极点分析系统特性4.9 连续时间系统的稳定性本章要点作业 返回连续信号与系统的复频域分析概述傅里叶变换（频域）分析法在信号分析和处理方面十分有效：分析谐波成分、系统的频率响应、波形失真、取样、滤波等要求信号满足狄里赫勒条件只能求零状态响应

2、反变换有时不太容易拉普拉斯变换（复频域）分析法 在连续、线性、时不变系统的分析方面十分有效可以看作广义的傅里叶变换变换式简单扩大了变换的范围为分析系统响应提供了规范的方法返回4.1 拉普拉斯变换4.1.1 从傅里叶变换到拉普拉斯变换信号不满足绝对可积条件的原因是： 只要 取得合适，很多函数(几乎所有常用的函数)都可以满足绝对可积的条件。一. 引进广义函数(傅氏变换)二. 拉氏变换(无需引进广义函数) 若 f(t) 不满足狄里赫勒条件，我们为了能获得变换域中的函数，人为地用一个实指数函数e- t 去乘 f (t) 。称 为衰减因子； e- t 为收敛因子。解决的方法：取 f(t)e- t 的傅里

3、叶变换：其傅里叶反变换为双边拉普拉斯正变换双边拉普拉斯反变换上两式称为双边拉普拉斯变换对，可以表示为拉氏变换扩大了信号的变换范围。变换域的内在联系时域函数频域函数时域函数复频域函数4.1.2 单边拉普拉斯变换考虑到：1. 实际信号都是有始信号，即2. 我们观察问题总有一个起点，或者说只需考虑 的部分 。此时拉普拉斯正变换可以改写为 正变换的积分下限用 0- 的目的是：把 t=0 时出现的冲激包含进去。这样，利用拉氏变换求解微分方程时，可以直接引用已知的初始状态 f(0-)。 但反变换的积分限并不改变。以后只讨论单边拉氏变换： （1）f (t) 和 f (t) (t) 的拉氏正变换 F(s) 是

4、一样的。 （2）反之，当已知 F(s) ，求原函数时，也无法得到 t 0 时， f(t)e- t 绝对收敛。(4) 任何可以进行拉氏变换的信号，其拉氏变换 F(s) 中一定没有冲激函数。 4.1.3 （单边）拉氏变换的收敛域 信号 f (t) 乘以收敛因子后，有可能满足绝对可积的条件。是否一定满足，还要看 f (t) 的性质与 的相对关系。通常把使 f (t)e- t 满足绝对可积条件的 值的范围称为拉氏变换的收敛域。 满足上述条件的最低限度的 值，称为 0 (绝对收敛横坐标)。如：有始有终的能量信号 0 = -功率信号 0 = 0按指数规律增长的信号：如 e t ，0 = 凡是增长速度不超过

5、指数函数的函数，统称为指数阶函数。指数阶函数均可以用乘以 e- t 的方法将其分散性压下去。结论：凡指数阶函数都有拉氏变换。比指数信号增长的更快的信号：如 找不到0 ，则此类信号不存在拉氏变换。 单边拉氏变换的收敛域是：复平面( s 平面)内，Re(s) =0 的区域，比较容易确定。一般情况下，不再加注其收敛域。1. 傅里叶级数： 实际上是把周期信号分解为一系列离散的等幅振荡的正弦分量之和。 复振幅： （可以用复平面虚轴上的离散频谱表示） 4.1.4 变换域之间的内在联系单元信号:角频率: （在虚轴上离散取值）2. 傅里叶变换频谱密度： （可以用复平面虚轴上的连续频谱表示）单元信号:角频率:

6、（在虚轴上连续取值） 复振幅： （为无穷小量） 实际上是把非周期信号分解为无穷多等幅振荡的正弦分量之和。3. 拉普拉斯变换象函数： （可以用 s 右半平面上的连续频谱表示）单元信号:复频率: （在 s 右半平面上连续取值） 复系数： （为无穷小量） 实际上是把非周期信号分解为无穷多变幅（按指数规律增长或衰减）或等幅振荡的正弦分量之和。4.2 典型信号的拉普拉斯变换1. 指数信号 e- t (t)(这里 无任何限制)由此，可以导出一些常用函数的拉氏变换。2. 单位阶跃信号 (t)3. 单边正弦信号4. 单边余弦信号5. 单边衰减或增长的正弦信号即6. 单边衰减或增长的余弦信号7. 单边双曲正弦信

7、号8. 单边双曲余弦信号9. 冲激函数根据冲激函数作为广义函数的定义：故即10. t 的正幂信号 (n为正整数)由定义：对上式进行分部积分，令可见：依次类推：特别是 n=1 时，有拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系例如增长的指数信号：只有拉氏变换而无傅氏变换：拉氏变换、傅氏变换都存在，且例如衰减的指数信号：例如单位阶跃信号： (t)：拉氏变换、傅氏变换都存在，但傅氏变换中含有冲激函数P185 表4-1典型信号的拉氏变换对4.3 拉普拉斯变换的性质 在实际应用中，通常不是利用定义式计算拉氏变换，而是巧妙地利用拉氏变换的一些基本性质来求取。 拉氏变换的有些性质与傅氏变换性质极为相似 ，只要把傅氏变换中

8、的 j 用 s 替代即可。 但是傅氏变换是双边的，而我们这里讨论的拉氏变换是单边的，所以某些性质又有差别。1. 线性2. 时移性返回例4-3-2 求图示锯齿波 f (t) 的拉氏变换解：根据时移性，有所以：利用时移性可以求单边周期信号的拉氏变换设 f1(t) 表示第一个周期的函数，则 说明周期信号的拉氏变换等于它第一个周期波形的拉氏变换F1(s) 乘以因子周期函数可以是广义的，例如台阶函数例4-3-3 求半波正弦函数的拉氏变换3. 比例性（尺度变换）再应用比例性，得解法一：先应用时移性，可得例4-3-4解法二：先应用比例性，可得再应用时移性，得4. 频移性返回与傅氏变换比较：这里，s0 可以是

9、实数，也可以是虚数或复数。 例4-3-55. 时域微分主要用于研究具有初始条件的微分方程证明： 根据定义同理可得依此类推，可得若 f (t) 为有始函数，则例4-3-6由于f (0-)不同，所求导数的拉氏变换不同。 6. 时域积分证明：由定义若积分下限由 - 开始所以例4-3-77. 初值定理(0+时刻的值)证明：利用时域微分性质注意：例：已知 ，试求初值 。实际上：如果不加以分析而直接套用公式，将会得到的错误结果。8. 终值定理两边取 s 趋于零的极限，得证明:根据时域微分性质，有条件是： 存在 这相当于 F(s) 的极点都在 S 平面的左半平面，并且如果在虚轴上有极点的话， 只能在原点处有

10、单极点。否则会得到 的错误结果。其极点 s = 在 s 平面的右半平面，t趋于正无穷时，f(t)趋于无穷，所以f(t)不存在。不能用终值定理。此处内容可参考后面关于系统稳定性加以理解例：已知 ，试求 f (t) 的终值。解：因为 F(s) 的极点为 s1=0， s2 =-1 和 s3 = -2，满足终值定理的条件。所以有 对于在原点有双极点及更多极点的情况：9. 复频域微分证明:根据定义同理可证:（与傅氏变换频域微分比较，p114-p115）10*. 复频域积分证明:其它性质：时域卷积定理复频域卷积定理P194 表4-2 常用拉氏变换的性质基本公式复频域积分性质时域积分性质例 求下列函数的拉氏

11、变换有下列公式（证明方法：欧拉公式，频移性）例：求图示函数 f (t) 的拉氏变换。解法一： 按定义式求积分解法二： 利用线性和时移定理解法三： 利用时域微分性质例 求下列函数的单边拉氏变换：解：4.4 拉普拉斯反变换4.4.1 简单的拉普拉斯反变换：直接应用典型信号的拉氏变换对（表4-1）及拉氏变换的性质（表4-2）得到。例:返回返回例:例：解：频域微分解：例:4.4.2 部分分式展开法 常见的拉氏变换式是 s 的多项式之比，一般形式为Numerator 分子Denominator 分母如果 N(s) 的阶次高于 D(s) 的阶次,可以用长除法将 F(s) 化成多项式与真分式之和，例如多项式

12、部分的拉氏反变换是冲激函数及其导数，可以直接求得，例如所以只需讨论真分式部分的拉氏反变换。返回1. D(s) = 0 的根都是实根且无重根其中遮挡法返回例:解：2. D(s) = 0 的根有复根且无重根 上式右边第二项仍用前述方法展开为部分分式，再利用对应项系数相等的方法即可求得 k1 和 k2 。的反变换可以用配方法（或部分分式展开法 . 略）例：遮挡法配方法对应项系数相等法返回3. D(s) = 0 的根有重根 k1p k11可以通过对应项系数相等或公式法得到。依此类推它们的拉氏反变换可通过频域微分性质和频移性得到则例：用遮挡法，得对应项系数相等法返回例*：例: 求下列函数的拉氏反变换：解

13、：根据时移性质，有解：（配方法）（长除法）例: 求下列函数的拉氏反变换：解：例:例:例*:4.6 连续系统的复频域分析 拉普拉斯变换分析法(复频域分析法)是分析线性连续系统的有力工具： 1. 它将时域中描述系统的微分方程变换为 s 域中的代数方程，便于运算和求解； 2. 由于变换时引入了初始状态，所以能够分别求解零输入响应和零状态响应，或者直接求解系统的全响应。 3. 不仅可以分析稳定系统，也可以分析不稳定系统。 4. 不仅可以从微分方程求解系统的全响应，也可以直接从电路求解。返回4.6.1 微分方程的复频域分析法以二阶常系数线性微分方程为例：设激励 为有始信号，即对微分方程两边取拉氏变换，利

14、用时域微分性质，有整理成例4-6-1 系统的微分方程为解：对微分方程取拉氏变换，得返回4.6.2 电路的复频域模型 已知电路时，可根据复频域电路模型，直接列写求解复频域响应的代数方程。电路元件的复频域模型 根据电阻、电容、电感与它们两端电压电流之间的关系以及单边拉氏变换的时域微分和积分性质推导出元件的复频域模型。对于电容电感，特别要注意电压电流的方向。1. 电阻元件2. 电容元件注意注意电流、电压以及初始电压的参考方向3. 电感元件注意注意电流、电压以及初始电压的参考方向注意：（1）内电源的方向；（2）串联模型中，元件上的电压为复频阻抗上的电压与内电压源的电压之和。用电路的复频域模型求解响应的

15、步骤 1. 电路中的每个元件都用其复频域模型代替（初始状态转换为相应的内电源）； 2. 信号源及各变量用其拉氏变换式代替； 3. 画出电路的复频域模型； 4. 应用电路分析的各种方法和定理求解响应的变换式。 5. 反变换得响应的时域表达式。例：解：画出复频域模型如图所示，其中由KVL得返回零状态响应零输入响应全响应例：电路在0时刻以后的的复频域电路模型如图所示，列节点方程或者直接使用相关电压电流定律代入数据整理得Y（s）分成两部分: 前面一项只与初始状态有关，为零输入响应; 后面一项只与输入有关，为零状态响应。4.7 系统函数4.7.1 系统函数与零状态响应返回4.7.2 系统函数的求法1.

16、已知微分方程2. 已知冲激响应返回例：已知系统的微分方程为试求该系统的系统函数。解法一：在零状态条件下，对微分方程两边取拉氏变换，得解法二：先求得冲激响应为例：试求图示电路的系统函数。3. 已知电路解：电路的零状态复频域模型如图利用电路的零状态复频域模型求解(即复频域模型中无内电源)。返回4.7.3 系统框图化简 一个总系统由一些子系统按照一定的方式连接而成，当各子系统的系统函数已知时，可以通过框图化简求得总系统的系统函数。一、 基本联接方式1. 级联2. 并联Y(s)X(s)X(s)Y(s)Y(s)X(s)X(s)Y(s)返回3. 反馈X(s)Y(s)负反馈Y(s)X(s)E(s)二、 其它

17、化简规则1. 和点前移Y(s)X(s)Q(s)Y(s)X(s)Q(s)2. 和点后移Y(s)X(s)Q(s)Y(s)X(s)Q(s)3. 分点前移4. 分点后移Y(s)X(s)Y(s)Y(s)X(s)Y(s)Y(s)X(s)X(s)Y(s)X(s)X(s)例4-7-3 试用框图化简的方法求系统函数。P213三. 线性系统的复频域模拟对微分方程取拉氏变换，有设中间变量 Q(s)，使之满足方程 将时域模拟图中的积分器符号改为s-1即可：例如二阶系统返回例：已知系统框图，试求网络函数和微分方程。消去中间变量，得解：设中间变量 Q(s) 如图所示，则4.8 由系统函数的零、极点分析系统特性4.8.1

18、系统函数的零点与极点zj 称为系统函数的零点pk 称为系统函数的极点系统函数的零、极点图：是系统函数的另一种表示方法。 零点用“ ”表示，极点用“ ”表示，若为 l 重零点或极点，则注以 ( l )。 实际系统的系统函数必定是复变量 s 的实有理函数，其零、极点一定是实数或成对出现的共轭复数。 返回例如例: 已知系统的零、极点图，并且该系统阶跃响应的终值为 3 试写出系统函数的表达式。解：依题意知4.8.2 由系统函数的零、极点分布确定系统的时域特性1. 由系统函数的零、极点分布确定系统的冲激响应模式（a）H (s) 的所有极点都为一阶极点返回（b）若 H (s) 具有 n 重极点，则冲激响应

19、的模式中将含有 t n-1 因子。（c） H (s) 零点分布的情况只影响冲激响应的幅度和相位，而对冲激响应的模式没有影响。（d）当 H (s) 为假分式时，应先化成多项式与真分式之和。多项式部分表示冲激响应中含有冲激函数及其各阶导数，再分析真分式部分所对应的响应模式。2. 由系统函数的零、极点分布确定系统的全响应模式 （系统函数和输入信号零极点分布对响应的影响）（1）零状态响应 yzs(t)H(s) 与系统的全响应模式之间的关系：H(s) 的极点确定零状态响应中自然响应的模式；X(s) 的极点确定零状态响应中强制响应的模式。 若 H(s) 的极点与 X(s) 的零点相同，自然响应会减少一项；

20、 若 H(s) 的零点与 X(s) 的极点相同，强制响应会减少一项；例如例如 若 H(s) 与 X(s) 的极点相同，会增加一个新的分量，这两个相同极点所对应的分量是自然响应和强制响应合成的结果。（2）零输入响应 yzi(t)零输入响应的模式由系统特征方程的根确定。 如果 H(s) 没有零、极点相消，则特征方程的根就是 H(s) 的极点，则零输入响应的模式由 H(s) 的极点确定。 如果 H(s) 的零、极点相消时，系统的某些固有频率在 H(s) 的极点中将不再出现，这时零输入响应的模式不再由 H(s) 的极点确定。 H(s) 的零、极点是否相消，不影响零状态响应的模式。 系统函数 H(s) 一般只用于研究系统的零状态响应。由于分子分母可能出现零极点相消，所以不适合研究零输入响应的模式。在计算零状态响应时分子分母公因子可以相消：在计算零输入响应时分子分母公因子不能相消：（3）稳定系统各种响应之间的关系全响应零状