信号与系统连续时间LTI系统的频率响应课件

信号与系统,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,五邑大学信息学院,五邑大学信息学院,信号与系统,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.6 连续时间,LTI,系统的频率响应,（,1,）,一、连续时间LTI系统频率响应的定义,常系数线性微分方程来描述一个连续时间LTI系统，即,令,则有,H(,),称为系统的,频率响应特性,，简称,系统频率响应,或,频率特性,。,由傅立叶变换及其性质可得：,系统频率响应,H(,),一般是,的复函数，可以表示为,一、连续时间LTI系统频率响应的定义,说明：,系统频率响应只与系统本身的特性有关，而与激励无关，是表征系统特性的一个重要参数。,称为系统的,相频响应特性,，简称,相频响应,或,相频特性,.,称为系统的,幅频响应特性,，简称,幅频响应,或,幅频特性。,当系统的激励为冲激信号,(,t,),，系统的零状态响应即为冲激响应,h,(,t,),，即,一、连续时间LTI系统频率响应的定义,根据傅立叶变换的时域卷积性质有,令,h,(,t,),的傅立叶变换为,H,(,),对,任意激励,x,(,t,),响应为,说明：,系统频率响应是,系统冲激响应的傅立叶变换。,h,(,t,),和,H,(,),从时域和频域两个方面表征了,同一系统,的特性。,系统相频响应，,是,的,奇,函数。,系统的幅频响应。,是,的,偶,函数。,一、连续时间LTI系统频率响应的,物理意义,当系统的激励为复指数信号 时，系统的,零状态响应,由卷积积分可得,上式表明，当一个复指数信号 作用于线性系统时，其响应仍为同频率的复指数信号，不同的是响应比激励多乘了一个复函数,H(,),。,一、连续时间LTI系统频率响应的,物理意义,可以求得这时系统响应,当系统的激励为某一频率的正弦时，,根据欧拉公式,一、连续时间LTI系统频率响应的,物理意义,系统输入信号是正弦信号，那么系统的零状态响应（,正弦稳态响应,）也是一个,同频率,的正弦信号，响应信号的,幅度和相位,有了变化。,零状态响应与激励信号幅度的比值随频率的变化就是系统的,幅频响应,。,零状态响应信号与,激励,信号相位之差随频率的变化就是系统的,相频响应,。,一、连续时间LTI系统频率响应的定义,上式还为实验手段,测量系统频率响应,提供了理论依据。,实验方法测量系统频率响应一般是让输入正弦信号幅度恒为,1,，改变输入正弦信号的频率,测量输出信号的幅度就可以得到系统的,幅频响应,测量输出信号与输入信号的相位差就可以得到系统的,相频响应。,有一点需要指出的是，上面讨论的测量方法中，测量的响应是系统的,零状态响应,，也就是,正弦稳态响应。,所以系统频率响应只是包含了系统零状态响应或正弦稳态响应的信息,，而,系统起始状态对系统的作用,不能,从系统,频率响应,中求得。,（4）频率响应,H(,),是系统对正弦信号 正弦稳态响应的幅度之比和附加相移，即,一、连续时间LTI系统频率响应的定义,综上所述，系统频率响应有以下几种等价的定义。,（1）频率响应,H(,),是系统零状态响应与系统激励信号的傅里叶变换之比，即,（3）频率响应,H(,),是系统对复指数信号 的加权（得到系统的稳态响应）,（2）频率响应,H(,),是系统冲激响应的傅里叶变换，即,二、频率响应的性质,(1),存在性,只有稳定的LTI系统才存在频率响应。,(2)频率响应具有,共轭对称性,，即,即,亦即狄里赫利条件中的绝对可积条件。,存在性依赖于稳定性。,LTI系统稳定的充要条件是,二、频率响应的性质,佩利维纳准则：,(3),一个具有有理函数频率响应的因果系统是一个物理可实现系统。(,物理可实现性,)。,注意：,只是系统物理可实现的,必要,条件，而非充分条件。,幅频响应为 的系统可实现的必要条件为,而且幅频特性必须平方可积，即,(4),因果系统,的频率响应的实部和虚部具有某种,相互制约,的,特性。,对于因果系统，其冲激响应,h,(,t,),可表示为,由傅立叶变换的频域卷积性质，可得,频率响应可表示为实部和虚部的形式，即,其中,上述两式称为,希尔伯特变换对,。,说明:,具有因果性系统的频率响应的实部 被已知的虚部 唯一地确定，反过来也一样。,推广：上述结论可以推广到因果信号,则 和 之间也构成,希尔伯特变换对。,三、频率响应的计算,根据各种定义来计算,如果系统给定电路，则利用,相量分析法,，,求出,输出信号相量,与,输入信号相量,之比,即是系统的频率响应,三、频率响应的计算,解：,因为,所以系统稳定，其傅里叶变换存在。,例：,已知一个LTI因果系统的单位冲激响应为,试求该系统的频率响应,H(,),。,则系统的频率响应为,三、频率响应的计算,相频特性,幅频特性,三、频率响应的计算,例：,已知一个零状态LTI系统由下列微分方程表征,试求该系统的频率响应,H,(,)。,解：,对上式两边取傅立叶变换，得,所以系统的频率响应为,三、频率响应的计算,例：,已知电路如图所示，试求该系统的频率响应,H,(,),。,求输出信号相量与输入信号的相量之比，即为电路系统的频率响应,解：,对于电路系统，用相量分析法求它的频率响应,复阻抗分别为,根据分压原理得,三、频率响应的计算,从而得幅频响应为,相频特性为,，求零状态响应 。,有始信号通过线性电路的瞬态分析,例：已知,频域电路模型,时域电路模型,解：,时域电路模型,频域电路模型,例题说明,+,-,R,C,1,1,2,2,+,-,2,O,t,t,E,O,t,t,O,w,O,w,t,E,O,w,1,2,2,急速变化处意味着有很高的频率分量,从以上分析可以看出，利用 从频谱改变的观点解释激励与响应波形的差异，,物理概念比较清楚,，但求傅立叶逆变换的过程比较烦琐，因此，在求解一般非周期信号作用于具体系统的响应时，用 更方便，较少利用,。,结论,这节引出 的重要意义在于研究信号传输的基,本特性、建立滤波器的基本概念并理解频响特性的物理,意义。,