《信号的频域分析》PPT课件.ppt

信号的频域分析 连续周期信号的频域分析连续非周期信号的频谱常见连续时间信号的频谱连续时间Fourier变换的性质离散周期信号的频域分析离散非周期信号的频域分析 连续周期信号的频域分析 周期信号的傅里叶级数展开傅里叶级数的基本性质周期信号的频谱及其特点周期信号的功率谱 连续周期信号的频域分析 将信号表示为不同频率正弦分量的线性组合 从信号分析的角度 将信号表示为不同频率正弦分量的线性组合 为不同信号之间进行比较提供了途径 从系统分析角度 已知单频正弦信号激励下的响应 利用迭加特性可求得多个不同频率正弦信号同时激励下的总响应而且每个正弦分量通过系统后 是衰减还是增强一目了然 意义 三 周期信号的频谱及其特点 1 频谱的概念 周期信号f t 可以分解为不同频率虚指数信号之和 Fn是频率的函数 它反映了组成信号各正弦谐波的幅度和相位随频率变化的规律 称频谱函数 不同的时域信号 只是傅里叶级数的系数Fn不同 因此通过研究傅里叶级数的系数来研究信号的特性 三 周期信号的频谱及其特点 2 频谱的表示 直接画出信号各次谐波对应的An Fn线状分布图形 这种图形称为信号的频谱图 幅度频谱 相位频谱 例1周期矩形脉冲信号的频谱图 例2已知连续周期信号的频谱如图 试写出实数形式的Fourier级数 解 由图可知 三 周期信号的频谱及其特点 3 频谱的特性 1 离散频谱特性 周期信号的频谱是由间隔为w0的谱线组成的 信号周期T越大 w0就越小 则谱线越密 反之 T越小 w0越大 谱线则越疏 三 周期信号的频谱及其特点 3 频谱的特性 2 幅度衰减特性 当周期信号的幅度频谱随着谐波nw0增大时 幅度频谱 Fn 不断衰减 并最终趋于零 若信号时域波形变化越平缓 高次谐波成分就越少 幅度频谱衰减越快 若信号时域波形变化跳变越多 高次谐波成分就越多 幅度频谱衰减越慢 f t 不连续时 Fn按1 n的速度衰减f t 不连续时 Fn按1 n2的速度衰减 三 周期信号的频谱及其特点 3 频谱的特性 3 信号的有效带宽 0 2 这段频率范围称为周期矩形脉冲信号的有效频带宽度 即 信号的有效带宽与信号时域的持续时间 成反比 即 越大 其wB越小 反之 越小 其wB越大 物理意义 若信号丢失有效带宽以外的谐波成分 不会对信号产生明显影响 说明 当信号通过系统时 信号与系统的有效带宽必须 匹配 三 周期信号的频谱及其特点 4 相位谱的作用 幅频不变 零相位 幅频为常数 相位不变 四 周期信号的功率谱 物理意义 任意周期信号的平均功率等于信号所包含的直流 基波以及各次谐波的平均功率之和 周期信号的功率频谱 Fn 2随nw0分布情况称为周期信号的功率频谱 简称功率谱 帕什瓦尔 Parseval 功率守恒定理 例3试求周期矩形脉冲信号在其有效带宽 0 2p t 内谐波分量所具有的平均功率占整个信号平均功率的百分比 其中A 1 T 1 4 1 20 解 周期矩形脉冲的傅里叶系数为 将A 1 T 1 4 1 20 w0 2p T 8p代入上式 例3试求周期矩形脉冲信号在其有效带宽 0 2p t 内谐波分量所具有的平均功率占整个信号平均功率的百分比 其中A 1 T 1 4 1 20 解 包含在有效带宽 0 2p t 内的各谐波平均功率为 信号的平均功率为 周期信号的功率谱 例3试求周期矩形脉冲信号在其有效带宽 0 2p t 内谐波分量所具有的平均功率占整个信号平均功率的百分比 其中A 1 T 1 4 1 20 例4 求f t 的功率 解 1 2 吉伯斯 Gibbs 现象 用有限次谐波分量来近似原信号 在不连续点出现过冲 过冲峰值不随谐波分量增加而减少 且为跳变值的9 吉伯斯现象产生原因 时间信号存在跳变破坏了信号的收敛性 使得在间断点傅里叶级数出现非一致收敛 N 5 N 15 N 50 N 500 吉伯斯 Gibbs 现象 分析问题使用的数学工具为傅里叶级数最重要概念 频谱函数要点1 频谱的定义 物理意义2 频谱的特点3 频谱的性质 应用性质分析复杂信号的频谱4 功率谱的概念及在工程中的应用 周期信号的频谱分析小结 离散Fourier级数 DFS DFS的定义常用离散周期序列的频谱分析周期单位脉冲序列dN k 正弦型序列周期矩形波序列DFS的性质 一 DFS的定义 IDFS DFS 0k不是N的整数倍 Nk是N的整数倍 一 DFS的定义 DFS的物理含义 二 常用离散周期序列的频谱分析 1 周期单位脉冲序列dN k 二 常用离散周期序列的频谱分析 2 正弦型序列 周期序列f k cos pk 6 的频谱 二 常用离散周期序列的频谱分析 3 周期矩形波序列 当m 0 N 2N 时有 二 常用离散周期序列的频谱分析 3 周期矩形波序列 N 30M 2 N 30M 12 三 DFS的基本性质 1 线性特性 三 DFS的基本性质 2 位移特性 a 时域位移 b 频域位移 三 DFS的基本性质 3 对称性 实序列 偶对称实序列 奇对称实序列 实部为零 X m 共轭偶对称 虚部奇对称 三 DFS的基本性质 3 对称性 周期序列的对称 偶对称 奇对称 三 DFS的基本性质 4 周期卷积定理 周期卷积 周期卷积 周期卷积与线性卷积的关系 1 周期卷积的结果一般和线性卷积不一样 2 通过对序列补零可使周期卷积的结果和线性卷积的结果一样