拉普拉斯变化课件

1.双边拉普拉斯变换；双边拉普拉斯变换；2.双边拉普拉斯变换的收敛域；双边拉普拉斯变换的收敛域；3.零极点图；零极点图；4.双边拉普拉斯变换的性质；双边拉普拉斯变换的性质；5.系统函数；系统函数；6.单边拉普拉斯变换；单边拉普拉斯变换；本章基本内容：本章基本内容：1.双边拉普拉斯变换；本章基本内容：双边拉普拉斯变换；本章基本内容：19.0 引言引言 Introduction 傅里叶分析方法之所以在信号与傅里叶分析方法之所以在信号与LTI系统分析中系统分析中如此有用，很大程度上是因为相当广泛的信号都如此有用，很大程度上是因为相当广泛的信号都可以表示成复指数信号的线性组合，而可以表示成复指数信号的线性组合，而复指数函复指数函数是一切数是一切 LTI 系统的特征函数。系统的特征函数。傅里叶变换是以复指数函数中的特例，即以傅里叶变换是以复指数函数中的特例，即以和和 为基底分解信号的。对于更一般的复指数为基底分解信号的。对于更一般的复指数函数函数 和和 ，也理应能以此为基底对信号进行，也理应能以此为基底对信号进行分解。分解。9.0 引言引言 Introduction 傅里叶分析傅里叶分析2 通过本章及下一章，会看到拉氏变换和通过本章及下一章，会看到拉氏变换和变换不变换不仅具有很多与傅里叶变换相同的重要性质，不仅能仅具有很多与傅里叶变换相同的重要性质，不仅能适用于用傅里叶变换的方法可以解决的信号与系统适用于用傅里叶变换的方法可以解决的信号与系统分析问题，而且还能解决傅里叶分析方法不适用的分析问题，而且还能解决傅里叶分析方法不适用的许多方面。许多方面。拉氏变换与拉氏变换与变换的分析方法是傅里叶变换的分析方法是傅里叶分析法的推广，傅里叶分析是它们的特例。分析法的推广，傅里叶分析是它们的特例。将傅里叶变换推广到更一般的情况就是本章及下将傅里叶变换推广到更一般的情况就是本章及下一章要讨论的中心问题。一章要讨论的中心问题。通过本章及下一章，会看到拉氏变换和变换不仅具有很多与傅通过本章及下一章，会看到拉氏变换和变换不仅具有很多与傅39.1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换 复指数信号复指数信号 是一切是一切LTI系统的特征函数。系统的特征函数。如果如果LTI系统的单位冲激响应为系统的单位冲激响应为 ，则系统对，则系统对 产生的响应是产生的响应是:，其中，其中显然当显然当 时，就是傅里叶变换。时，就是傅里叶变换。The Laplace Transform9.1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换 复指数信号复指数信号 是一切是一切LT4一一.双边拉氏变换的定义：双边拉氏变换的定义：称为称为 的的双边拉氏变换双边拉氏变换，其中，其中 。若若 ，则有则有:这就是这就是 的傅里叶变换。的傅里叶变换。表明：表明：连续时间傅里叶变换是双边拉普拉斯变换连续时间傅里叶变换是双边拉普拉斯变换在在 或是在或是在 轴上的特例。轴上的特例。一一.双边拉氏变换的定义：称为双边拉氏变换的定义：称为 的双边拉氏变换，其中的双边拉氏变换，其中 5由于由于 所以所以拉氏变换是对傅里叶变换的推广拉氏变换是对傅里叶变换的推广，的的拉氏变换就是拉氏变换就是 的傅里叶变换。只要有合的傅里叶变换。只要有合适的适的 存在，就可以使某些本来不满足狄里赫利存在，就可以使某些本来不满足狄里赫利条件的信号在引入条件的信号在引入 后满足该条件。即有些信后满足该条件。即有些信号的傅氏变换不收敛而它的拉氏变换存在。号的傅氏变换不收敛而它的拉氏变换存在。拉氏变换比傅里叶变换有更广泛的适用性。拉氏变换比傅里叶变换有更广泛的适用性。由于由于 所以拉氏变换是对傅里叶变换的推广，所以拉氏变换是对傅里叶变换的推广，的的6例例1.在在 时收敛时收敛当当 时，时，的傅里叶变换存在的傅里叶变换存在显然，在显然，在 时，拉氏变换收敛的区域时，拉氏变换收敛的区域 ，包括了，包括了 （即（即 轴）。轴）。例例1.在在 时收敛当时收敛当 时，时，的的7比较比较 和和 ，显然有，显然有 当当 时，时，可知可知例例2.与例与例1.比较，区别仅在于收敛域不同。比较，区别仅在于收敛域不同。比较比较 和和 ，显然有，显然有 当当 时，可知例时，可知例8由以上例子，可以看出由以上例子，可以看出:1.拉氏变换与傅里叶变换一样存在收敛问题。拉氏变换与傅里叶变换一样存在收敛问题。并并非任何信号的拉氏变换都存在，也不是非任何信号的拉氏变换都存在，也不是 S 平面上平面上的任何复数都能使拉氏变换收敛。的任何复数都能使拉氏变换收敛。2.使拉氏变换积分收敛的那些复数使拉氏变换积分收敛的那些复数 S的集合，称的集合，称为拉氏变换的收敛域为拉氏变换的收敛域 ROC，拉氏变换的拉氏变换的 ROC（Region of Convergence）是非常重要的概念。是非常重要的概念。由以上例子，可以看出由以上例子，可以看出:1.拉氏变换与傅里叶变换一样存在收敛拉氏变换与傅里叶变换一样存在收敛93.不同的信号可能会有完全相同的拉氏变换表达不同的信号可能会有完全相同的拉氏变换表达式，只是它们的收敛域不同。式，只是它们的收敛域不同。4.只有拉氏变换表达式连同相应的收敛域，才能只有拉氏变换表达式连同相应的收敛域，才能和信号建立一一对应的关系和信号建立一一对应的关系。5.如果拉氏变换的如果拉氏变换的ROC包含包含 轴轴，则有，则有3.不同的信号可能会有完全相同的拉氏变换表达式，只是它们的不同的信号可能会有完全相同的拉氏变换表达式，只是它们的10二二.拉氏变换的拉氏变换的ROC及零极点图：及零极点图：例例3.二二.拉氏变换的拉氏变换的ROC及零极点图：例及零极点图：例3.11可见：可见：拉氏变换的收敛域是各个收敛域的公共部拉氏变换的收敛域是各个收敛域的公共部分。分。ROC总是以平行于总是以平行于 轴的直线作为边界的，轴的直线作为边界的，ROC的边界总是与的边界总是与 的分母的根对应的。的分母的根对应的。若若 是有理函数是有理函数可见：拉氏变换的收敛域是各个收敛域的公共部分。可见：拉氏变换的收敛域是各个收敛域的公共部分。ROC总是以平总是以平12 分子多项式的根称为分子多项式的根称为零点零点，分母多项式的根，分母多项式的根称为称为极点极点。将将 的全部零点和极点表示在的全部零点和极点表示在 S 平面上就平面上就构成了构成了零极点图零极点图。零极点图及其收敛域可以表。零极点图及其收敛域可以表示一个示一个 ，最多与真实的，最多与真实的 相差一个常数相差一个常数因子因子 。因此，因此，零极点图是拉氏变换的图示方法零极点图是拉氏变换的图示方法。分子多项式的根称为零点，分母多项式的根称为极点。分子多项式的根称为零点，分母多项式的根称为极点。将将 139.2 拉氏变换的收敛域拉氏变换的收敛域v可以归纳出可以归纳出ROC的以下性质：的以下性质：1.ROC是是 S 平面上平行于平面上平行于 轴的带状区域。轴的带状区域。2.在在ROC内无任何极点。内无任何极点。3.时限信号的时限信号的ROC是整个是整个 S 平面。平面。4.右边信号的右边信号的ROC是是 S 平面内某一条平行于平面内某一条平行于 轴的直线的右边。轴的直线的右边。The Region of Convergence for Laplace Transforms9.2 拉氏变换的收敛域可以归纳出拉氏变换的收敛域可以归纳出ROC的以下性质：的以下性质：The14若若 ，则，则表明表明 也在收敛域内。也在收敛域内。若若 是右边信号是右边信号,在在ROC内内，则有则有 绝对可积，即：绝对可积，即：若若 ，则表明，则表明 也在收敛域内。若也在收敛域内。若 是右边是右边155.左边信号的左边信号的ROC是是S平面内的一条平行于平面内的一条平行于 轴的直线的左边。轴的直线的左边。若若 是左边信号，定义于是左边信号，定义于 ,在在 ROC 内，内，则，则表明表明 也在收敛域内。也在收敛域内。5.左边信号的左边信号的ROC是是S平面内的一条平行于平面内的一条平行于 轴的直轴的直166.双边信号的双边信号的ROC如果存在，一定是如果存在，一定是 S 平面内平面内平行于平行于 轴的带形区域。轴的带形区域。例例1.其它其它6.双边信号的双边信号的ROC如果存在，一定是如果存在，一定是 S 平面内平行于平面内平行于17有极点有极点考查零点，令考查零点，令得得例例2.显然显然 在在 也有一阶零点，由于零极也有一阶零点，由于零极点相抵消，致使在整个点相抵消，致使在整个S平面上无极点。平面上无极点。有极点考查零点，令得例有极点考查零点，令得例2.显然显然 在在 也也18当当 时，上述时，上述ROC有公共部分，有公共部分，当当 时，上述时，上述 ROC 无公共部分，表明无公共部分，表明 不存在。不存在。当当 时，上述时，上述ROC有公共部分，当有公共部分，当 19 当当 是有理函数时，其是有理函数时，其ROC总是由总是由 的的极点分割的。极点分割的。ROC必然满足下列规律：必然满足下列规律：1.右边信号的右边信号的ROC一定位于一定位于 最右边极点最右边极点的右边。的右边。2.左边信号的左边信号的ROC一定位于一定位于 最左边极点最左边极点的左边。的左边。3.双边信号的双边信号的ROC可以是任意两相邻极点之可以是任意两相邻极点之间的间的带状区域带状区域。当当 是有理函数时，其是有理函数时，其ROC总是由总是由 20例例3.可以形成三种可以形成三种 ROC：1)ROC：此时此时 是右边信号。是右边信号。2)ROC：此时此时 是左边信号。是左边信号。3)ROC：此时此时 是双边信号。是双边信号。例例3.可以形成三种可以形成三种 ROC：21The Inverse Laplace Transform 一一.定义：定义：由由若若 在在ROC内，则有内，则有:9.3 拉普拉斯反变换拉普拉斯反变换The Inverse Laplace Transform 22 当当 从从 时时,从从由由得得 拉氏反变换表明拉氏反变换表明:可以被分解成复振幅为可以被分解成复振幅为 的复指数信号的复指数信号 的线性组合。的线性组合。的反变换的反变换 当当 从从 时时,从由得从由得 拉氏反变换表拉氏反变换表23二二.拉氏反变换的求法拉氏反变换的求法:对有理函数形式的对有理函数形式的 求反变换一般有两种方求反变换一般有两种方法法,即即部分分式展开法部分分式展开法和和留数法留数法。1.将将 展开为部分分式。展开为部分分式。2.根据根据 的的ROC，确定每一项的，确定每一项的ROC。3.利用常用信号的变换对与拉氏变换的性质利用常用信号的变换对与拉氏变换的性质,对每一项进行反变换。对每一项进行反变换。v 部分分式展开法：部分分式展开法：二二.拉氏反变换的求法拉氏反变换的求法:对有理函数形式的对有理函数形式的 求反变换一求反变换一24极点：极点：确定其可能的收敛域及所对应信号的属性。确定其可能的收敛域及所对应信号的属性。例例1.右边信号右边信号左边信号左边信号双边信号双边信号极点：确定其可能的收敛域及所对应信号的属性。例极点：确定其可能的收敛域及所对应信号的属性。例1.右边信号左右边信号左25例例2.例例2.261.求出求出 的全部极点。的全部极点。2.求出求出 在在 ROC 左边的所有极点处的留左边的所有极点处的留数之和，它们构成了数之和，它们构成了 的因果部分。的因果部分。3.求出求出 在在 ROC 右边的所有极点处的留右边的所有极点处的留数之和，并加负号，它们构成了数之和，并加负号，它们构成了 的反因果的反因果部分。部分。v 留数法（当留数法（当 是有理函数时）：是有理函数时）：1.求出求出 的全部极点。的全部极点。留数法（当留数法（当 是是27例例3.的极点的极点 均位于均位于ROC右边右边例例3.的极点的极点 28Geometric Evaluation of the Fourier Transform from the Pole-Zero Plotv可以用零极点图表示可以用零极点图表示 的特征的特征。当。当ROC包包括轴时，以括轴时，以 代入代入 ，就可以得，就可以得到到 。以此为基础可以用几何求值的方法。以此为基础可以用几何求值的方法从零极点图求得从零极点图求得 的特性。这在定性分的特性。这在定性分析系统频率特性时有很大用处。析系统频率特性时有很大用处。9.4 由零极点图对傅里叶变换几何求值由零极点图对傅里叶变换几何求值Geometric Evaluation of the Fo29 零点零点 ,要求出要求出 时的时的 ，可以作，可以作两个矢量两个矢量 和和 ，则，则 。1.单零点情况：单零点情况：矢量矢量 称为称为零点矢量零点矢量，它的长度，它的长度 表示表示 ,其幅角即为其幅角即为 。0 零点零点 ,要求出要求出 时的时的 30极点极点 直接由极点向直接由极点向 点作矢量（称为点作矢量（称为极点矢量极点矢量），），其长度的倒量为其长度的倒量为 ,幅角的负值为幅角的负值为 。2.单极点情况：单极点情况：0极点极点 直接由极点向直接由极点向 点作矢量（称为极点矢量），其长度的点作矢量（称为极点矢量），其长度的31 因此有因此有:对有理函数形式的对有理函数形式的3.一般情况：一般情况：因此有因此有:对有理函数形式的对有理函数形式的3.一般情况：一般情况：32 即：从所有零点向即：从所有零点向 点作点作零点矢量零点矢量，从所有极，从所有极点向点向 点作点作极点矢量极点矢量。所有零点矢量的长度之积。所有零点矢量的长度之积除以所有极点矢量的长度之积即为除以所有极点矢量的长度之积即为 。所有。所有零点矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之零点矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之和即为和即为 。当当 取为取为 轴上的点时，即为傅里叶变换的轴上的点时，即为傅里叶变换的几何求值。几何求值。考查考查 在在 轴上移动时所有零、极轴上移动时所有零、极点矢量的长度和幅角的变化点矢量的长度和幅角的变化，即可得出，即可得出 的的特性。特性。即：从所有零点向即：从所有零点向 点作零点矢量，从所有极点向点作零点矢量，从所有极点向 点作极点作极33例例1.一阶系统：一阶系统：随着随着 ，单调下降，单调下降，时时,下降到最大值的下降到最大值的最大值在最大值在 时取得。时取得。例例1.一阶系统：一阶系统：随着随着 ，单调下降，时单调下降，时34相位特性，当相位特性，当 时时 随着随着 ，趋向趋向 。则则 趋向趋向 。相位特性，当相位特性，当 时时 随着随着 ，趋向趋向 35例例2.二阶系统：二阶系统：例例2.二阶系统：二阶系统：36拉普拉斯变化课件拉普拉斯变化课件37 1.当当 时，时，有两个实数极点，此时系有两个实数极点，此时系统统过阻尼过阻尼。起主要作用。随着起主要作用。随着 ，两极点，两极点相向移动，向相向移动，向 处靠拢。处靠拢。2.当当 时，两极点重合于时，两极点重合于 处，成为二阶处，成为二阶极点。系统处于极点。系统处于临界阻尼状态临界阻尼状态。1.当当 时，时，有两个实数极点，此时系统过有两个实数极点，此时系统过38 3.进一步减小，则二阶进一步减小，则二阶 极点分裂为极点分裂为共轭复数共轭复数极点，极点，且随且随 的减小而逐步靠近的减小而逐步靠近 轴。极轴。极点运动的轨迹点运动的轨迹根轨迹是一个半径为根轨迹是一个半径为 的圆的圆周周。此时系统处于此时系统处于欠阻尼状态欠阻尼状态，随着，随着 ，位于第，位于第2象限的极点矢量比第象限的极点矢量比第3 象限的极点矢量更短，因象限的极点矢量更短，因此它对系统特性的影响较大。此它对系统特性的影响较大。当当 时，由于该极点矢量变得很短，因而时，由于该极点矢量变得很短，因而 会使会使 出现峰值。其峰点位于出现峰值。其峰点位于 处，处，3.进一步减小，则二阶进一步减小，则二阶 极点分裂为共轭复数极点分裂为共轭复数 此时系此时系39 峰值为峰值为 在在 时，若认为时，若认为主极点矢量主极点矢量增长增长 倍倍时，对应的频率是系统带宽的截止频率，则可以时，对应的频率是系统带宽的截止频率，则可以近似确定此时的系统带宽约为近似确定此时的系统带宽约为 。峰值为峰值为 在在404.当当 时，两极点分别位于时，两极点分别位于 轴上轴上的的 处，此时系统处于处，此时系统处于无阻尼状态无阻尼状态。系统的相位特性也可以从零极点图得到。此系统的相位特性也可以从零极点图得到。此时，只需考察当动点沿时，只需考察当动点沿 轴移动时所有极点轴移动时所有极点矢量和所有零点矢量的幅角变化，用所有零点矢量和所有零点矢量的幅角变化，用所有零点矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之和，矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之和，即可得到系统的相位特性。即可得到系统的相位特性。4.当当 时，两极点分别位于时，两极点分别位于 轴上的轴上的 41例例3.全通系统：全通系统：考查零极点对称分布的系统考查零极点对称分布的系统（一阶全通（一阶全通）v 该系统的该系统的 在任何时候都等于在任何时候都等于1 1，所以，所以 称为称为全通系统全通系统。例例3.全通系统：考查零极点对称分布的系统（一阶全通）全通系统：考查零极点对称分布的系统（一阶全通）该系该系42v 其相位特性其相位特性图示为三阶全通系统，其图示为三阶全通系统，其零极点分布呈四角对零极点分布呈四角对称特征称特征。其相位特性图示为三阶全通系统，其零极点分布呈四角对称特征。其相位特性图示为三阶全通系统，其零极点分布呈四角对称特征。43例例4.最小相位系统：最小相位系统：考查两个系统，它们的极点相同，零点分布关考查两个系统，它们的极点相同，零点分布关于于 轴对称。其中一个系统的零点均在左半平轴对称。其中一个系统的零点均在左半平面，另一个系统的零点均在右半平面。面，另一个系统的零点均在右半平面。例例4.最小相位系统：最小相位系统：考查两个系统，它们的极点相同，零点考查两个系统，它们的极点相同，零点44 显然这两个系统的幅频特性是相同的。但零显然这两个系统的幅频特性是相同的。但零点在左半平面的系统其相位总小于零点在右半点在左半平面的系统其相位总小于零点在右半平面的系统。因此将平面的系统。因此将零极点均位于左半平面的零极点均位于左半平面的系统称为最小相位系统。系统称为最小相位系统。工程应用中设计的各种频率选择性滤波器，工程应用中设计的各种频率选择性滤波器，如：如：Butterworth、Chebyshev、Cauer滤波器滤波器都是最小相位系统。都是最小相位系统。显然这两个系统的幅频特性是相同的。但零点在左半平面的系统显然这两个系统的幅频特性是相同的。但零点在左半平面的系统45 当工程应用中要求实现一个非最小相位系统当工程应用中要求实现一个非最小相位系统时，通常采用将一个最小相位系统和一个全通时，通常采用将一个最小相位系统和一个全通系统级联来实现。系统级联来实现。从本质上讲从本质上讲系统的特性是由系统的零、极点系统的特性是由系统的零、极点分布决定的分布决定的。对系统进行优化设计，实质上就。对系统进行优化设计，实质上就是优化其零、极点的位置。是优化其零、极点的位置。最小相位系统最小相位系统全通系统全通系统 当工程应用中要求实现一个非最小相位系统时，通常采用将一个当工程应用中要求实现一个非最小相位系统时，通常采用将一个46最小相位系统最小相位系统全通系统全通系统非最小相位系统非最小相位系统最小相位系统全通系统非最小相位系统最小相位系统全通系统非最小相位系统47Properties of the Laplace Transform则则ROC至少是至少是9.5 拉氏变换的性质拉氏变换的性质v 拉氏变换与傅氏变换一样具有很多重要的拉氏变换与傅氏变换一样具有很多重要的性质。这里只着重于性质。这里只着重于ROC的讨论。的讨论。1.线性（线性（Linearity）：）：若若Properties of the Laplace 48而而ROC为整个为整个S平面平面 当当 与与 无交集时，表明无交集时，表明 不存在。不存在。例例.而而ROC为整个为整个S平面平面 当当 与与 无交集时，表明无交集时，表明 不存不存492.时移性质（时移性质（Time Shifting）:若若ROC不变不变则则3.S域平移（域平移（Shifting in the s-Domain）:若若则则 表明表明 的的ROC是将是将 的的ROC平移平移了一个了一个 。2.时移性质（时移性质（Time Shifting）:若若ROC不变则不变则50例例.显然显然例例.显然显然51 4.时域尺度变换（时域尺度变换（Time Scaling）:当当 时时 收敛，收敛，时时 收敛收敛若若则则例例.求求 的拉氏变换及的拉氏变换及ROC 4.时域尺度变换（时域尺度变换（Time Scaling）:当当 52 可见：可见：若信号在时域尺度变换，其拉氏变换的若信号在时域尺度变换，其拉氏变换的ROC在在S平面上作相反的尺度变换。平面上作相反的尺度变换。特例特例5.共轭对称（共轭对称（Conjugation）性：）性：若若则则 可见：若信号在时域尺度变换，其拉氏变换的可见：若信号在时域尺度变换，其拉氏变换的ROC在在S平面上平面上53 如果如果 是实信号，且是实信号，且 在在 有极点（或零有极点（或零点），则点），则 一定在一定在 也有极点或零点。这表也有极点或零点。这表明：明：实信号的拉氏变换其复数零、极点必共轭成实信号的拉氏变换其复数零、极点必共轭成对出现。对出现。当当 为实信号时，有：为实信号时，有：由此可得以下结论：由此可得以下结论：如果如果 是实信号，且是实信号，且 在在 有极点（或零点），有极点（或零点），54包括包括 6.卷积性质卷积性质:（Convolution Property）若若则则显然有显然有:例例.包括包括 6.卷积性质卷积性质:（Convolution Prope55ROC扩大扩大 原因是原因是 与与 相乘时，发生了零相乘时，发生了零极点相抵消的现象。当被抵消的极点恰好在极点相抵消的现象。当被抵消的极点恰好在ROC的边界上时，就会使收敛域扩大。的边界上时，就会使收敛域扩大。7.时域微分时域微分:（Differentiation in theTime Domain）ROC包括包括,有可能扩大。有可能扩大。若若则则ROC扩大扩大 原因是原因是 与与 相乘时相乘时568.S域微分域微分:（Differentiation in the s-Domain）若若则则例例.求求8.S域微分域微分:（Differentiation in t57 9.时域积分时域积分:（Integration in the Time Domain）若若包括包括则则包括包括 9.时域积分时域积分:（Integration in the 58 如果如果 是因果信号，且在是因果信号，且在 不包含奇异不包含奇异函数，则函数，则初值定理初值定理时时 ，且在，且在 不包含奇异函数。不包含奇异函数。Proof:将将 在在 展开为展开为Taylor级数有：级数有：10.初值与终值定理初值与终值定理:（The Initial-and Final-Value Theorems)如果如果 是因果信号，且在是因果信号，且在 不包含奇异函数，则不包含奇异函数，则59对上式两边做拉氏变换：对上式两边做拉氏变换：对上式两边做拉氏变换：对上式两边做拉氏变换：60 如果如果 是因果信号，且在是因果信号，且在 不包含奇异不包含奇异函数，函数，除了在除了在 可以有单阶极点外，其可以有单阶极点外，其余极点均在余极点均在S平面的左半边，则平面的左半边，则终值定理终值定理是因果信号，且在是因果信号，且在 无奇异函数无奇异函数,证证:如果如果 是因果信号，且在是因果信号，且在 不包含奇异函数，不包含奇异函数，61的实部的实部 可以大于零，因此可以大于零，因此 除了在除了在 可以有一阶极点外，其它极可以有一阶极点外，其它极点均在点均在S平面平面的左半平面（即的左半平面（即保证保证 有终值有终值）。）。故故 的的ROC中必包含中必包含 轴。表明：轴。表明：当当 时，时，的实部的实部 可以大于零，因此可以大于零，因此 除了在除了在 可以有可以有62极点在极点在S平面的分布与终值的关系平面的分布与终值的关系极点在极点在S平面的分布与终值的关系平面的分布与终值的关系63Some Laplace Transform Pairs9.6 常用拉氏变换对常用拉氏变换对 Some Laplace Transform Pairs9.64Analysis and Characterized of LTI Systems Using the Laplace Transform一一.系统函数的概念：系统函数的概念：以卷积特性为基础，可以建立以卷积特性为基础，可以建立LTI系统的拉系统的拉氏变换分析方法，即氏变换分析方法，即 其中其中 是是 的拉氏变换，称为的拉氏变换，称为系统函数系统函数或或转移函数转移函数。9.7用拉氏变换分析与表征用拉氏变换分析与表征LTI系统系统Analysis and Characterized of 65 如果如果 的的ROC包括包括 轴，则轴，则 和和 的的ROC必定包括必定包括 轴，以轴，以 代入，即有代入，即有 这就是这就是LTI系统的傅里叶分析。系统的傅里叶分析。即是系统即是系统的的频率响应频率响应。这些方法之所以成立的本质原因在于这些方法之所以成立的本质原因在于复指数函复指数函数是一切数是一切LTI系统的特征函数系统的特征函数。当以。当以 为基底为基底分解信号时，分解信号时，LTI系统系统对输入信号的响应就是对输入信号的响应就是 如果如果 的的ROC包括包括 轴，则轴，则 66 连同相应的连同相应的ROC也能完全描述一个也能完全描述一个LTI系系统。系统的许多重要特性在统。系统的许多重要特性在 及其及其ROC中一定中一定有具体的体现。有具体的体现。；而以而以 为基底分解信号时，系为基底分解信号时，系统的输出响应就是统的输出响应就是 。二二.用系统函数表征用系统函数表征LTI系统：系统：1.因果性：因果性：如果如果 时时 ，则，则系统是因果的系统是因果的。连同相应的连同相应的ROC也能完全描述一个也能完全描述一个L67如果如果 时时 ，则，则系统是反因果的系统是反因果的。因此，因此，因果系统因果系统的的 是右边信号，其是右边信号，其 的的ROC必是最右边极点的右边必是最右边极点的右边。由于。由于反因果系反因果系统统的的 是左边信号，是左边信号，的的ROC必是最必是最左边极点的左边。左边极点的左边。应该强调指出，由应该强调指出，由ROC的特征，反过来并不的特征，反过来并不能判定系统是否因果。能判定系统是否因果。ROC是最右边极点的右是最右边极点的右边并不一定系统因果。边并不一定系统因果。如果如果 时时 ，则系统是反因果的。，则系统是反因果的。因此，因因此，因682.稳定性：稳定性：如果系统稳定，则有如果系统稳定，则有 。因。因此此 必存在。意味着必存在。意味着 的的ROC必然包必然包括括 轴。轴。只有只有当当 是有理函数时，逆命题才成立。是有理函数时，逆命题才成立。综合以上两点，可以得到：综合以上两点，可以得到：因果稳定系统因果稳定系统的的 ，其全部极点必须位于，其全部极点必须位于S平面的左半边。平面的左半边。2.稳定性：稳定性：如果系统稳定，则有如果系统稳定，则有 69例例1.某系统的某系统的 显然该系统是因果的，确定系统的稳定性。显然该系统是因果的，确定系统的稳定性。显然，显然，ROC是最右边极点的右边。是最右边极点的右边。ROC包括包括 轴轴系统也是稳定的。系统也是稳定的。的全部极点都在的全部极点都在S平面的左半边。平面的左半边。例例1.某系统的某系统的 70例例2.若有若有 的的ROC是最右边极点的右边，但是最右边极点的右边，但 是非有理函数，是非有理函数，系统是非，系统是非因果的。因果的。由于由于ROC包括包括 轴，该系统仍是稳定的。轴，该系统仍是稳定的。而对系统而对系统 仍是非有理函数，仍是非有理函数，ROC是最右边极点的是最右边极点的右边，右边，但由于但由于 ，系统是因果的。，系统是因果的。例例2.若有若有 的的ROC是最右边极点的右边，但是最右边极点的右边，但 71结结 论：论：1.如果如果LTI系统的系统函数是有理函数，且全部系统的系统函数是有理函数，且全部极点位于极点位于S平面的左半边，则系统是因果、稳平面的左半边，则系统是因果、稳定的。定的。2.如果如果LTI系统的系统函数是有理函数，且系统系统的系统函数是有理函数，且系统因果，则系统函数的因果，则系统函数的ROC是最右边极点的右是最右边极点的右边。若系统反因果，则系统函数的边。若系统反因果，则系统函数的ROC是最是最左边极点的左边。左边极点的左边。结结 论：如果论：如果LTI系统的系统函数是有理函数，且全部极点位于系统的系统函数是有理函数，且全部极点位于S72 3.如果如果LTI系统是稳定的，则系统函数的系统是稳定的，则系统函数的ROC必然必然包括包括 轴。轴。三三.由由LCCDE描述的描述的LTI系统的系统函数：系统的系统函数：对对做拉氏变换，可得做拉氏变换，可得是一个有理函数是一个有理函数 3.如果如果LTI系统是稳定的，则系统函数的系统是稳定的，则系统函数的ROC必然包括必然包括 73的的ROC需要由系统的相关特性来确定。需要由系统的相关特性来确定。1）如果）如果LCCDE具有一组全部为零的初始条件，具有一组全部为零的初始条件，则则 的的ROC必是最右边极点的右边。必是最右边极点的右边。2）如果已知）如果已知LCCDE描述的系统是因果的，则描述的系统是因果的，则 的的ROC必是最右边极点的右边。必是最右边极点的右边。3）如果已知）如果已知LCCDE描述的系统是稳定的，则描述的系统是稳定的，则 的的ROC 必包括必包括 轴。轴。的的ROC需要由系统的相关特性来确定。需要由系统的相关特性来确定。1）如果）如果LCCDE具有一具有一74四四.系统特性与系统函数的关系系统特性与系统函数的关系:自学。请关注例自学。请关注例9.25、9.26、9.27 五五.Butterworth滤波器滤波器:通常通常Butterworth滤波器的特性由频率响应的滤波器的特性由频率响应的模平方函数给出。对模平方函数给出。对N阶阶 Butterworth低通滤波低通滤波器有：器有：（N为滤波器的阶数）为滤波器的阶数）四四.系统特性与系统函数的关系系统特性与系统函数的关系:自学。请关注例自学。请关注例9.25、9.275由于由于Butterworth滤波器的冲激响应应该是实信号，滤波器的冲激响应应该是实信号，将将 函数拓展到整个函数拓展到整个S平面有：平面有：共有共有2N个极点个极点由于由于Butterworth滤波器的冲激响应应该是实信号，将滤波器的冲激响应应该是实信号，将 76 表明表明N阶阶Butterworth低通滤波器模平方函数低通滤波器模平方函数的的全部全部2N个极点均匀分布在半径为个极点均匀分布在半径为 的圆周上的圆周上。极点分布的特征：极点分布的特征：2N个极点等间隔均匀分布在半径为个极点等间隔均匀分布在半径为 的圆周的圆周上上。轴上不会有极点。当轴上不会有极点。当N为奇数时在实轴上为奇数时在实轴上有极点，有极点，N为偶数时实轴上无极点。为偶数时实轴上无极点。相邻两极点之间的角度差为相邻两极点之间的角度差为 。极点分布总是关于原点对称的。极点分布总是关于原点对称的。表明表明N阶阶Butterworth低通滤波器模平方函数的低通滤波器模平方函数的77 要实现的滤波器应该是因果稳定系统，因此要实现的滤波器应该是因果稳定系统，因此位于左半平面的位于左半平面的N个极点一定是属于个极点一定是属于 的。的。据此，确定出据此，确定出 后，也就可以综合出一个后，也就可以综合出一个Butterworth 滤波器。滤波器。要实现的滤波器应该是因果稳定系统，因此位于左半平面的要实现的滤波器应该是因果稳定系统，因此位于左半平面的N个个789.8 系统函数的代数属性与系统的系统函数的代数属性与系统的级联并联型结构级联并联型结构System Function Algebra and Block Diagram Representations一一.系统互联时的系统函数：系统互联时的系统函数：1.级联：级联：包括包括9.8 系统函数的代数属性与系统的级联并联型结构系统函数的代数属性与系统的级联并联型结构System793.反馈联结：反馈联结：2.并联：并联：包括包括包括包括3.反馈联结：反馈联结：2.并联：包括包括并联：包括包括80二二.LTI系统的级联和并联型结构系统的级联和并联型结构：LTI系统可以由一个系统可以由一个LCCDE来描述。来描述。对其进行拉氏变换有：对其进行拉氏变换有：是一个有理函数是一个有理函数二二.LTI系统的级联和并联型结构：系统的级联和并联型结构：LTI系统可以由一个系统可以由一个LC811.级联结构：级联结构：将将 的分子和分母多项式因式分解的分子和分母多项式因式分解 这表明：这表明：一个一个N阶的阶的LTI系统可以分解为若干系统可以分解为若干个二阶系统和一阶系统的级联。在个二阶系统和一阶系统的级联。在N为偶数时，为偶数时，可以全部组合成二阶系统的级联形式。可以全部组合成二阶系统的级联形式。1.级联结构：将级联结构：将 的分子和分母多项式因式分解的分子和分母多项式因式分解 82其中其中如果如果N为奇数，则有一个一阶系统出现。为奇数，则有一个一阶系统出现。其中如果其中如果N为奇数，则有一个一阶系统出现。为奇数，则有一个一阶系统出现。832.并联结构：并联结构：将将 展开为部分分式展开为部分分式 (假定假定 的分子阶的分子阶数不高于分母阶数，所有极点都是单阶的），数不高于分母阶数，所有极点都是单阶的），则有：则有：将共轭成对的复数极点所对应的两项合并将共轭成对的复数极点所对应的两项合并:2.并联结构：并联结构：将将 展开为部分分式展开为部分分式(假定假定 84 N为偶数时又可将任意两个一阶项合并为二为偶数时又可将任意两个一阶项合并为二阶项，由此可得出系统的并联结构：阶项，由此可得出系统的并联结构：N为偶数时又可将任意两个一阶项合并为二阶项，由此可得出为偶数时又可将任意两个一阶项合并为二阶项，由此可得出85The Unilateral Laplace Transform 单边拉氏变换是双边拉氏变换的特例。也就是单边拉氏变换是双边拉氏变换的特例。也就是因果信号的双边拉氏变换。单边拉氏变换对分析因果信号的双边拉氏变换。单边拉氏变换对分析LCCDE 描述的增量线性系统具有重要的意义。描述的增量线性系统具有重要的意义。一一.定义定义:如果如果 是因果信号，对其做双边拉氏变换和是因果信号，对其做双边拉氏变换和做单边拉氏变换是完全相同的。做单边拉氏变换是完全相同的。9.9 单边拉普拉斯变换单边拉普拉斯变换The Unilateral Laplace Tran86 单边拉氏变换也同样存在单边拉氏变换也同样存在ROC。其。其ROC必然必然遵从因果信号双边拉氏变换时的要求，即：遵从因果信号双边拉氏变换时的要求，即：一定一定位于最右边极点的右边。位于最右边极点的右边。正因为这一原因，在讨论单边拉氏变换时，一正因为这一原因，在讨论单边拉氏变换时，一般不再强调其般不再强调其ROC。单边拉氏变换的反变换一定与双边拉氏变换的单边拉氏变换的反变换一定与双边拉氏变换的反变换相同。反变换相同。单边拉氏变换也同样存在单边拉氏变换也同样存在ROC。其。其ROC必然遵从因果信号必然遵从因果信号87做单边拉氏变换，有：做单边拉氏变换，有：例例1.做双边拉氏变换：做双边拉氏变换：做单边拉氏变换，有：例做单边拉氏变换，有：例1.做双边拉氏变换：做双边拉氏变换：88例例2.由于其由于其ROC为为 与与 不同，是因为不同，是因为 在在 的部分的部分对对 有作用而对有作用而对 没有任何作用所致。没有任何作用所致。例例2.由于其由于其ROC为为 与与 不同，是因为不同，是因为 89二二.单边拉氏变换的性质单边拉氏变换的性质:单边拉氏变换的大部分性质与双边拉氏变换单边拉氏变换的大部分性质与双边拉氏变换相同，但也有几个不同的性质。相同，但也有几个不同的性质。1.时域微分（时域微分（Differentiation in the Time Domain）若若则则二二.单边拉氏变换的性质单边拉氏变换的性质:单边拉氏变换的大部分性质与双边拉氏单边拉氏变换的大部分性质与双边拉氏902.时域积分（时域积分（Integration in the Time Domain）2.时域积分（时域积分（Integration in the Tim913.时延性质（时延性质（Time Shifting）是因果信号时，单边拉氏变换的时延特是因果信号时，单边拉氏变换的时延特性与双边变换时一致。性与双边变换时一致。不是因果信号时，不是因果信号时，则则若若3.时延性质（时延性质（Time Shifting）是因是因92三三.利用单边拉氏变换求解增量线性系统利用单边拉氏变换求解增量线性系统:单边拉氏变换特别适合于求解由单边拉氏变换特别适合于求解由LCCDE描述描述的增量线性系统。的增量线性系统。例例.某某LTI系统由微分方程描述系统由微分方程描述三三.利用单边拉氏变换求解增量线性系统利用单边拉氏变换求解增量线性系统:单边拉氏变换特别适单边拉氏变换特别适93求响应求响应解：对方程进行单边拉氏变换：解：对方程进行单边拉氏变换：代入代入可得可得:求响应解：对方程进行单边拉氏变换：代入可得求响应解：对方程进行单边拉氏变换：代入可得:94其中，第一项为其中，第一项为强迫响应强迫响应，其它为，其它为自然响应。自然响应。其中，第一项为强迫响应，其它为自然响应。其中，第一项为强迫响应，其它为自然响应。959.10 小结小结 Summaryv拉氏变换是傅氏变换的推广，在拉氏变换是傅氏变换的推广，在LTI系统分析中系统分析中特别有用。它可以将微分方程变为代数方程，特别有用。它可以将微分方程变为代数方程，这对分析系统互联、系统结构、用系统函数表这对分析系统互联、系统结构、用系统函数表征系统、分析系统特性等都具有重要意义。征系统、分析系统特性等都具有重要意义。vROC是双边拉氏变换的重要概念。离开了是双边拉氏变换的重要概念。离开了ROC，信号与双边拉氏变换的表达式将不再有一一，信号与双边拉氏变换的表达式将不再有一一对应的关系。对应的关系。9.10 小结小结 Summary拉氏变换是傅氏变换的推广拉氏变换是傅氏变换的推广96v 作为拉氏变换的几何表示，零极点图对分析作为拉氏变换的几何表示，零极点图对分析系统的频率特性、零极点分布与系统特性的关系统的频率特性、零极点分布与系统特性的关系具有重要意义。从本质上讲，系统的特性完系具有重要意义。从本质上讲，系统的特性完全是由系统函数的零极点分布决定的。全是由系统函数的零极点分布决定的。v 拉氏变换的许多性质对于在变换域分析拉氏变换的许多性质对于在变换域分析LTI系统，具有重要作用。系统，具有重要作用。v 作为双边拉氏变换的特例，单边拉氏变换特作为双边拉氏变换的特例，单边拉氏变换特别适用于分析增量线性系统。别适用于分析增量线性系统。作为拉氏变换的几何表示，零极点图对分析系统的频率特性、零极作为拉氏变换的几何表示，零极点图对分析系统的频率特性、零极97拉普拉斯拉普拉斯变变化化课课件件98拉普拉斯拉普拉斯变变化化课课件件99