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1.4習(xí)題與上機(jī)題解答1.用單位脈沖序列(n)及其加權(quán)和表示題1圖所示的序列。,題1圖,解:x(n)=(n+4)+2(n+2)(n+1)+2(n)+(n1)+2(n2)+4(n3)+0.5(n4)+2(n6)2給定信號(hào):2n+54n160n40其它(1)畫出x(n)序列的波形,標(biāo)上各序列值;(2)試用延遲的單位脈沖序列及其加權(quán)和表示x(n)序列;,(x(n)=,(3)令x1(n)=2x(n2),試畫出x1(n)波形;(4)令x2(n)=2x(n+2),試畫出x2(n)波形;(5)令x3(n)=x(2n),試畫出x3(n)波形。解:(1)x(n)序列的波形如題2解圖(一)所示。(2)x(n)=3(n+4)(n+3)+(n+2)+3(n+1)+6(n)+6(n1)+6(n2)+6(n3)+6(n4),(3)x1(n)的波形是x(n)的波形右移2位,再乘以2,畫出圖形如題2解圖(二)所示。(4)x2(n)的波形是x(n)的波形左移2位,再乘以2,畫出圖形如題2解圖(三)所示。(5)畫x3(n)時(shí),先畫x(n)的波形(即將x(n)的波形以縱軸為中心翻轉(zhuǎn)180),然后再右移2位,x3(n)波形如題2解圖(四)所示。,題2解圖(一),題2解圖(二),題2解圖(三),題2解圖(四),3判斷下面的序列是否是周期的;若是周期的,確定其周期。,(1),(2),解:(1)因?yàn)?,所以,這是有理數(shù),因此是周期序列,周期t=14。(2)因?yàn)?,所以=16,這是無理數(shù),因此是非周期序列。,4對(duì)題1圖給出的x(n)要求:(1)畫出x(n)的波形;(2)計(jì)算xe(n)=x(n)+x(n),并畫出xe(n)波形;(3)計(jì)算xo(n)=x(n)x(n),并畫出xo(n)波形;(4)令x1(n)=xe(n)+xo(n),將x1(n)與x(n)進(jìn)行比較,你能得到什么結(jié)論?,解:(1)x(n)的波形如題4解圖(一)所示。(2)將x(n)與x(n)的波形對(duì)應(yīng)相加,再除以2,得到xe(n)。毫無疑問,這是一個(gè)偶對(duì)稱序列。xe(n)的波形如題4解圖(二)所示。(3)畫出xo(n)的波形如題4解圖(三)所示。,題4解圖(一),題4解圖(二),題4解圖(三),(4)很容易證明:x(n)=x1(n)=xe(n)+xo(n)上面等式說明實(shí)序列可以分解成偶對(duì)稱序列和奇對(duì)稱序列。偶對(duì)稱序列可以用題中(2)的公式計(jì)算,奇對(duì)稱序列可以用題中(3)的公式計(jì)算。5設(shè)系統(tǒng)分別用下面的差分方程描述,x(n)與y(n)分別表示系統(tǒng)輸入和輸出,判斷系統(tǒng)是否是線性非時(shí)變的。(1)y(n)=x(n)+2x(n1)+3x(n2)(2)y(n)=2x(n)+3(3)y(n)=x(nn0)n0為整常數(shù)(4)y(n)=x(n),(5)y(n)=x2(n)(6)y(n)=x(n2)(7)y(n)=(8)y(n)=x(n)sin(n)解:(1)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=x(nn0)+2x(nn01)+3x(nn02)y(nn0)=x(nn0)+2x(nn01)+3(nn02)=y(n),故該系統(tǒng)是非時(shí)變系統(tǒng)。因?yàn)閥(n)=tax1(n)+bx2(n)=ax1(n)+bx2(n)+2ax1(n1)+bx2(n1)+3ax1(n2)+bx2(n2)tax1(n)=ax1(n)+2ax1(n1)+3ax1(n2)tbx2(n)=bx2(n)+2bx2(n1)+3bx2(n2)所以tax1(n)+bx2(n)=atx1(n)+btx2(n)故該系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。,(2)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=2x(nn0)+3y(nn0)=2x(nn0)+3=y(n)故該系統(tǒng)是非時(shí)變的。由于tax1(n)+bx2(n)=2ax1(n)+2bx2(n)+3tax1(n)=2ax1(n)+3tbx2(n)=2bx2(n)+3tax1(n)+bx2(n)atx1(n)+btx2(n)故該系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。,(3)這是一個(gè)延時(shí)器,延時(shí)器是線性非時(shí)變系統(tǒng),下面證明。令輸入為x(nn1)輸出為y(n)=x(nn1n0)y(nn1)=x(nn1n0)=y(n)故延時(shí)器是非時(shí)變系統(tǒng)。由于tax1(n)+bx2(n)=ax1(nn0)+bx2(nn0)=atx1(n)+btx2(n)故延時(shí)器是線性系統(tǒng)。,(4)y(n)=x(n)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=x(n+n0)y(nn0)=x(n+n0)=y(n)因此系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。由于tax1(n)+bx2(n)=ax1(n)+bx2(n)=atx1(n)+btx2(n)因此系統(tǒng)是非時(shí)變系統(tǒng)。,(5)y(n)=x2(n)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=x2(nn0)y(nn0)=x2(nn0)=y(n)故系統(tǒng)是非時(shí)變系統(tǒng)。由于tax1(n)+bx2(n)=ax1(n)+bx2(n)2atx1(n)+btx2(n)=ax21(n)+bx22(n)因此系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。,(6)y(n)=x(n2)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=x(nn0)2)y(nn0)=x(nn0)2)=y(n)故系統(tǒng)是非時(shí)變系統(tǒng)。由于tax1(n)+bx2(n)=ax1(n2)+bx2(n2)=atx1(n)+btx2(n)故系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。,(7)y(n)=x(m)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=0dd)x(m-n0)y(nn0)=x(m)y(n)故系統(tǒng)是時(shí)變系統(tǒng)。由于tax1(n)+bx2(n)=ax1(m)+bx2(m)=atx1(n)+btx2(n)故系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。,(8)y(n)=x(n)sin(n)令輸入為x(nn0)輸出為y(n)=x(nn0)sin(n)y(nn0)=x(nn0)sin(nn0)y(n)故系統(tǒng)不是非時(shí)變系統(tǒng)。由于tax1(n)+bx2(n)=ax1(n)sin(n)+bx2(n)sin(n)=atx1(n)+btx2(n)故系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。,6給定下述系統(tǒng)的差分方程,試判定系統(tǒng)是否是因果穩(wěn)定系統(tǒng),并說明理由。(1)y(n)=x(nk)(2)y(n)=x(n)+x(n+1)(3)y(n)=x(k)(4)y(n)=x(nn0)(5)y(n)=ex(n),解:(1)只要n1,該系統(tǒng)就是因果系統(tǒng),因?yàn)檩敵鲋慌cn時(shí)刻的和n時(shí)刻以前的輸入有關(guān)。如果|x(n)|m,則|y(n)|m,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)。(2)該系統(tǒng)是非因果系統(tǒng),因?yàn)閚時(shí)間的輸出還和n時(shí)間以后(n+1)時(shí)間)的輸入有關(guān)。如果|x(n)|m,則|y(n)|x(n)|+|x(n+1)|2m,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)。(3)如果|x(n)|m,則|y(n)|x(k)|2n0+1|m,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的;假設(shè)n00,系統(tǒng)是非因果的,因?yàn)檩敵鲞€和x(n)的將來值有關(guān)。,(4)假設(shè)n00,系統(tǒng)是因果系統(tǒng),因?yàn)閚時(shí)刻輸出只和n時(shí)刻以后的輸入有關(guān)。如果|x(n)|m,則|y(n)|m,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(5)系統(tǒng)是因果系統(tǒng),因?yàn)橄到y(tǒng)的輸出不取決于x(n)的未來值。如果|x(n)|m,則|y(n)|=|ex(n)|e|x(n)|em,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。7設(shè)線性時(shí)不變系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h(n)和輸入序列x(n)如題7圖所示,要求畫出y(n)輸出的波形。解:解法(一)采用列表法。y(n)=x(n)*h(n)=x(m)h(nm),題7圖,y(n)=2,1,0.5,2,1,4.5,2,1;n=2,1,0,1,2,3,4,5,解法(二)采用解析法。按照題7圖寫出x(n)和h(n)的表達(dá)式分別為x(n)=(n+2)+(n1)+2(n3)h(n)=2(n)+(n1)+(n2)由于x(n)*(n)=x(n)x(n)*a(nk)=ax(nk)故,y(n)=x(n)*h(n)=x(n)*2(n)+(n1)+(n2)=2x(n)+x(n1)+x(n2)將x(n)的表示式代入上式,得到y(tǒng)(n)=2(n+2)(n+1)0.5(n)+2(n1)+(n2)+4.5(n3)+2(n4)+(n5),8.設(shè)線性時(shí)不變系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h(n)和輸入x(n)分別有以下三種情況,分別求出輸出y(n)。(1)h(n)=r4(n),x(n)=r5(n)(2)h(n)=2r4(n),x(n)=(n)(n2)(3)h(n)=0.5nu(n),xn=r5(n)解:(1)y(n)=x(n)*h(n)=r4(m)r5(nm)先確定求和域。由r4(m)和r5(nm)確定y(n)對(duì)于m的非零區(qū)間如下:0m34mn,根據(jù)非零區(qū)間,將n分成四種情況求解:n7時(shí),y(n)=0,最后結(jié)果為0n7n+10n38n4n7y(n)的波形如題8解圖(一)所示。(2)y(n)=2r4(n)*(n)(n2)=2r4(n)2r4(n2)=2(n)+(n1)(n+4)(n+5)y(n)的波形如題8解圖(二)所示,y(n)=,題8解圖(一),題8解圖(二),(3)y(n)=x(n)*h(n)=r5(m)0.5nmu(nm)=0.5nr5(m)0.5mu(nm)y(n)對(duì)于m的非零區(qū)間為0m4,mnn0時(shí),y(n)=00n4時(shí),,=(10.5n1)0.5n=20.5n,n5時(shí),最后寫成統(tǒng)一表達(dá)式:y(n)=(20.5n)r5(n)+310.5nu(n5),9證明線性卷積服從交換律、結(jié)合律和分配律,即證明下面等式成立:(1)x(n)*h(n)=h(n)*x(n)(2)x(n)*(h1(n)*h2(n)=(x(n)*h1(n)*h2(n)(3)x(n)*(h1(n)+h2(n)=x(n)*h1(n)+x(n)*h2(n)證明:(1)因?yàn)榱頼=nm,則,(2)利用上面已證明的結(jié)果,得到,交換求和號(hào)的次序,得到,10設(shè)系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h(n)=(3/8)0.5nu(n),系統(tǒng)的輸入x(n)是一些觀測(cè)數(shù)據(jù),設(shè)x(n)=x0,x1,x2,xk,,試?yán)眠f推法求系統(tǒng)的輸出y(n)。遞推時(shí)設(shè)系統(tǒng)初始狀態(tài)為零狀態(tài)。,解:,n=0時(shí),,n0,n=1時(shí),,n=2時(shí),,最后得到,11設(shè)系統(tǒng)由下面差分方程描述:,設(shè)系統(tǒng)是因果的,利用遞推法求系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)。,解:令x(n)=(n),則,n=0時(shí),,n=1時(shí),,n=2時(shí),,n=3時(shí),,歸納起來,結(jié)果為,12.設(shè)系統(tǒng)用一階差分方程y(n)=ay(n1)+x(n)描述,初始條件y(-1)=0,試分析該系統(tǒng)是否是線性非時(shí)變系統(tǒng)。解:分析的方法是讓系統(tǒng)輸入分別為(n)、(n1)、(n)+(n1)時(shí),求它的輸出,再檢查是否滿足線性疊加原理和非時(shí)變性。(1)令x(n)=(n),這時(shí)系統(tǒng)的輸出用y1(n)表示。,該情況在教材例1.4.1中已求出,系統(tǒng)的輸出為y1(n)=anu(n),(2)令x(n)=(n1),這時(shí)系統(tǒng)的輸出用y2(n)表示。,n=0時(shí),,n=1時(shí),,n=2時(shí),,任意n時(shí),,最后得到,(3)令x(n)=(n)+(n1),系統(tǒng)的輸出用y3(n)表示。,n=0時(shí),,n=1時(shí),,n=2時(shí),,n=3時(shí),,任意n時(shí),,最后得到,由(1)和(2)得到y(tǒng)1(n)=t(n),y2(n)=t(n1)y1(n)=y2(n1)因此可斷言這是一個(gè)時(shí)不變系統(tǒng)。情況(3)的輸入信號(hào)是情況(1)和情況(2)輸入信號(hào)的相加信號(hào),因此y3(n)=t(n)+(n1)。觀察y1(n)、y2(n)、y3(n),得到y(tǒng)3(n)=y1(n)+y2(n),因此該系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。最后得到結(jié)論:用差分方程y(n)=ay(n1)+x(n),0a1描寫的系統(tǒng),當(dāng)初始條件為零時(shí),是一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)。,13有一連續(xù)信號(hào)xa(t)=cos(2ft+j),式中,f=20hz,j=/2。(1)求出xa(t)的周期;(2)用采樣間隔t=0.02s對(duì)xa(t)進(jìn)行采樣,試寫出采樣信號(hào)的表達(dá)式;(3)畫出對(duì)應(yīng)的時(shí)域離散信號(hào)(序列)x(n)的波形,并求出x(n)的周期。解:(1)xa(t)的周期為,(2),(3)x(n)的數(shù)字頻率=0.8,故,因而周期n=5,所以x(n)=cos(0.8n+/2)畫出其波形如題13解圖所示。,題13解圖,14.已知滑動(dòng)平均濾波器的差分方程為,(1)求出該濾波器的單位脈沖響應(yīng);(2)如果輸入信號(hào)波形如前面例1.3.4的圖1.3.1所示,試求出y(n)并畫出它的波形。解:(1)將題中差分方程中的x(n)用(n)代替,得到該濾波器的單位脈沖響應(yīng),即,(2)已知輸入信號(hào),用卷積法求輸出。輸出信號(hào)y(n)為,表1.4.1表示了用列表法解卷積的過程。計(jì)算時(shí),表中x(k)不動(dòng),h(k)反轉(zhuǎn)后變成h(k),h(nk)則隨著n的加大向右滑動(dòng),每滑動(dòng)一次,將h(nk)和x(k)對(duì)應(yīng)相乘,再相加和平均,得到相應(yīng)的y(n)。“滑動(dòng)平均”清楚地表明了這種計(jì)算過程。最后得到的輸出波形如前面圖1.3.2所示。該圖清楚地說明滑動(dòng)平均濾波器可以消除信號(hào)中的快速變化,使波形變化緩慢。,15*.已知系統(tǒng)的差分方程和輸入信號(hào)分別為,用遞推法計(jì)算系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)。解:求解程序ex115.m如下:%程序ex115.m%調(diào)用filter解差分方程y(n)+0.5y(n1)=x(n)+2x(n2)xn=1,2,3,4,2,1,zeros(1,10);%x(n)=單位脈沖序列,長(zhǎng)度n=31b=1,0,2;a=1,0.5;%差分方程系數(shù),yn=filter(b,a,xn)%調(diào)用filter解差分方程,求系統(tǒng)輸出信號(hào)y(n)n=0:length(yn)1;subplot(3,2,1);stem(n,yn,.);axis(1,15,2,8)title(系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng));xlabel(n);ylabel(y(n)程序運(yùn)行結(jié)果:,yn=1.00001.50004.25005.87505.06256.46880.76561.6172-0.80860.4043-0.20210.1011-0.05050.0253-0.01260.0063-0.00320.0016-0.00080.0004-0.00020.0001-0.00000.0000-0.00000.0000程序運(yùn)行結(jié)果的y(n)波形圖如題15*解圖所示。,題15*解圖,16*.已知兩個(gè)系統(tǒng)的差分方程分別為(1)y(n)=0.6y(n1)0.08y(n2)+x(n)(2)y(n)=0.7y(n1)0.1y(n2)+2x(n)x(n2)分別求出所描述的系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)。解:(1)系統(tǒng)差分方程的系數(shù)向量為b1=1,a1=1,0.6,0.08(2)系統(tǒng)差分方程的系數(shù)向量為b2=2,0,1,a2=1,0.7,0.1,2.5習(xí)題與上機(jī)題解答1設(shè)x(ej)和y(ej)分別是x(n)和y(n)的傅里葉變換,試求下面序列的傅里葉變換:(1)x(nn0)(2)x*(n)(3)x(n)(4)x(n)*y(n)(5)x(n)y(n)(6)nx(n)(7)x(2n)(8)x2(n),(9),解:(1),令n=nn0,即n=n+n0,則,(2),(3),令n=n,則,(4)ftx(n)*y(n)=x(ej)y(ej)下面證明上式成立:,令k=nm,則,(5),或者,(6)因?yàn)?對(duì)該式兩邊求導(dǎo),得到,因此,(7),令n=2n,則,或者,(8),利用(5)題結(jié)果,令x(n)=y(n),則,(9),令n=n/2,則,2已知,求x(ej)的傅里葉反變換x(n)。,解:,3.線性時(shí)不變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)(頻率響應(yīng)函數(shù))h(ej)=|h(ej)|ej(),如果單位脈沖響應(yīng)h(n)為實(shí)序列,試證明輸入x(n)=acos(0n+j)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為,解:假設(shè)輸入信號(hào)x(n)=ej0n,系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)為h(n),則系統(tǒng)輸出為,上式說明當(dāng)輸入信號(hào)為復(fù)指數(shù)序列時(shí),輸出序列仍是復(fù)指數(shù)序列,且頻率相同,但幅度和相位取決于網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)。利用該性質(zhì)解此題:,上式中|h(ej)|是的偶函數(shù),相位函數(shù)是的奇函數(shù),|h(ej)|=|h(e-j)|,()=(),故,4設(shè),將x(n)以4為周期進(jìn)行周期延拓,形成周期序列,畫出x(n)和的波形,求出的離散傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換。,解:畫出x(n)和的波形如題4解圖所示。,題4解圖,或者,5.設(shè)題5圖所示的序列x(n)的ft用x(ej)表示,不直接求出x(ej),完成下列運(yùn)算或工作:,題5圖,(1),(2),(3),(4)確定并畫出傅里葉變換實(shí)部rex(ej)的時(shí)間序列xa(n);,(5),(6),解(1),(2),(3),(4)因?yàn)楦道锶~變換的實(shí)部對(duì)應(yīng)序列的共軛對(duì)稱部分,即,按照上式畫出xe(n)的波形如題5解圖所示。,題5解圖,(5),(6)因?yàn)?因此,6試求如下序列的傅里葉變換:(1)x1(n)=(n3),(2),(3)x3(n)=anu(n)0a1(4)x4(n)=u(n+3)u(n4)解,(1),(2),(3),(4),或者:,7設(shè):(1)x(n)是實(shí)偶函數(shù),(2)x(n)是實(shí)奇函數(shù),分別分析推導(dǎo)以上兩種假設(shè)下,其x(n)的傅里葉變換性質(zhì)。解:令,(1)因?yàn)閤(n)是實(shí)偶函數(shù),對(duì)上式兩邊取共軛,得到,因此x(ej)=x*(ej)上式說明x(n)是實(shí)序列,x(ej)具有共軛對(duì)稱性質(zhì)。,由于x(n)是偶函數(shù),x(n)sin是奇函數(shù),那么,因此,該式說明x(ej)是實(shí)函數(shù),且是的偶函數(shù)。總結(jié)以上,x(n)是實(shí)偶函數(shù)時(shí),對(duì)應(yīng)的傅里葉變換x(ej)是實(shí)函數(shù),是的偶函數(shù)。(2)x(n)是實(shí)奇函數(shù)。上面已推出,由于x(n)是實(shí)序列,x(ej)具有共軛對(duì)稱性質(zhì),即x(ej)=x*(ej),由于x(n)是奇函數(shù),上式中x(n)cos是奇函數(shù),那么,因此,這說明x(ej)是純虛數(shù),且是的奇函數(shù)。8設(shè)x(n)=r4(n),試求x(n)的共軛對(duì)稱序列xe(n)和共軛反對(duì)稱序列xo(n),并分別用圖表示。,解:,xe(n)和xo(n)的波形如題8解圖所示。,題8解圖,9已知x(n)=anu(n),0a1,分別求出其偶函數(shù)xe(n)和奇函數(shù)xo(n)的傅里葉變換。解:,因?yàn)閤e(n)的傅里葉變換對(duì)應(yīng)x(ej)的實(shí)部,xo(n)的傅里葉變換對(duì)應(yīng)x(ej)的虛部乘以j,因此,10若序列h(n)是實(shí)因果序列,其傅里葉變換的實(shí)部如下式:hr(ej)=1+cos求序列h(n)及其傅里葉變換h(ej)。解:,11若序列h(n)是實(shí)因果序列,h(0)=1,其傅里葉變換的虛部為hi(ej)=sin求序列h(n)及其傅里葉變換h(ej)。解:,12設(shè)系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h(n)=anu(n),0a1,輸入序列為x(n)=(n)+2(n2)完成下面各題:(1)求出系統(tǒng)輸出序列y(n);(2)分別求出x(n)、h(n)和y(n)的傅里葉變換。解(1),(2),13已知xa(t)=2cos(2f0t),式中f0=100hz,以采樣頻率fs=400hz對(duì)xa(t)進(jìn)行采樣,得到采樣信號(hào)和時(shí)域離散信號(hào)x(n),試完成下面各題:(1)寫出的傅里葉變換表示式xa(j);(2)寫出和x(n)的表達(dá)式;(3)分別求出的傅里葉變換和x(n)序列的傅里葉變換。解:,上式中指數(shù)函數(shù)的傅里葉變換不存在,引入奇異函數(shù)函數(shù),它的傅里葉變換可以表示成:,(2),(3),式中,式中0=0t=0.5rad上式推導(dǎo)過程中,指數(shù)序列的傅里葉變換仍然不存在,只有引入奇異函數(shù)函數(shù)才能寫出它的傅里葉變換表示式。14求出以下序列的z變換及收斂域:(1)2nu(n)(2)2nu(n1)(3)2nu(n)(4)(n)(5)(n1)(6)2nu(n)u(n10),解(1),(2),(3),(4)zt(n)=10|z|(5)zt(n1)=z10|z|(6),15求以下序列的z變換及其收斂域,并在z平面上畫出極零點(diǎn)分布圖。(1)x(n)=rn(n)n=4(2)x(n)=arncos(0n+j)u(n)r=0.9,0=0.5rad,j=0.25rad(3),式中,n=4。,解(1),由z41=0,得零點(diǎn)為,由z3(z1)=0,得極點(diǎn)為z1,2=0,1零極點(diǎn)圖和收斂域如題15解圖(a)所示,圖中,z=1處的零極點(diǎn)相互對(duì)消。,題15解圖,(2),零點(diǎn)為,極點(diǎn)為,極零點(diǎn)分布圖如題15解圖(b)所示。(3)令y(n)=r4(n),則x(n+1)=y(n)*y(n)zx(z)=y(z)2,x(z)=z1y(z)2,因?yàn)?因此,極點(diǎn)為z1=0,z2=1零點(diǎn)為,在z=1處的極零點(diǎn)相互對(duì)消,收斂域?yàn)?|z|,極零點(diǎn)分布圖如題15解圖(c)所示。,16已知,求出對(duì)應(yīng)x(z)的各種可能的序列表達(dá)式。解:x(z)有兩個(gè)極點(diǎn):z1=0.5,z2=2,因?yàn)槭諗坑蚩偸且詷O點(diǎn)為界,因此收斂域有三種情況:|z|0.5,0.5|z|2,2|z|。三種收斂域?qū)?yīng)三種不同的原序列。(1)收斂域|z|0.5:,令,n0時(shí),因?yàn)閏內(nèi)無極點(diǎn),x(n)=0;n1時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0,但z=0是一個(gè)n階極點(diǎn),改為求圓外極點(diǎn)留數(shù),圓外極點(diǎn)有z1=0.5,z2=2,那么,(2)收斂域0.5|z|2:,n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5,,n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5、0,但0是一個(gè)n階極點(diǎn),改成求c外極點(diǎn)留數(shù),c外極點(diǎn)只有一個(gè),即2,x(n)=resf(z),2=22nu(n1)最后得到,(3)收斂域|z|2:,n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5、2,,n0時(shí),由收斂域判斷,這是一個(gè)因果序列,因此x(n)=0;或者這樣分析,c內(nèi)有極點(diǎn)0.5、2、0,但0是一個(gè)n階極點(diǎn),改求c外極點(diǎn)留數(shù),c外無極點(diǎn),所以x(n)=0。,最后得到,17已知x(n)=anu(n),0a1。分別求:(1)x(n)的z變換;(2)nx(n)的z變換;(3)anu(n)的z變換。解:(1),(2),(3),18已知,分別求:(1)收斂域0.52對(duì)應(yīng)的原序列x(n)。,解:,(1)收斂域0.5|z|2:n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5,x(n)=resf(z),0.5=0.5n=2nn0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5、0,但0是一個(gè)n階極點(diǎn),改求c外極點(diǎn)留數(shù),c外極點(diǎn)只有2,x(n)=resf(z),2=2n,最后得到x(n)=2nu(n)+2nu(n1)=2|n|2:n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5、2,,n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.5、2、0,但極點(diǎn)0是一個(gè)n階極點(diǎn),改成求c外極點(diǎn)留數(shù),可是c外沒有極點(diǎn),因此x(n)=0最后得到x(n)=(0.5n2n)u(n)19用部分分式法求以下x(z)的反變換:,(1),(2),解:(1),(2),20設(shè)確定性序列x(n)的自相關(guān)函數(shù)用下式表示:,試用x(n)的z變換x(z)和x(n)的傅里葉變換x(ej)分別表示自相關(guān)函數(shù)的z變換rxx(z)和傅里葉變換rxx(ej)。,解:解法一,令m=n+m,則,解法二,因?yàn)閤(n)是實(shí)序列,x(ej)=x*(ej),因此,21用z變換法解下列差分方程:(1)y(n)0.9y(n1)=0.05u(n),y(n)=0n1(2)y(n)0.9y(n1)=0.05u(n),y(1)=1,y(n)=0n1(3)y(n)0.8y(n1)0.15y(n2)=(n)y(1)=0.2,y(2)=0.5,y(n)=0,當(dāng)n3時(shí)。解:(1)y(n)0.9y(n1)=0.05u(n),y(n)=0n1,n0時(shí),,n0時(shí),y(n)=0最后得到y(tǒng)(n)=0.5(0.9)n+1+0.5u(n),(2)y(n)0.9y(n1)=0.05u(n),y(1)=1,y(n)=0n1,n0時(shí),,n0時(shí),y(n)=0最后得到y(tǒng)(n)=0.45(0.9)n+0.5u(n),(3)y(n)0.8y(n1)0.15y(n2)=(n)y(1)=0.2,y(2)=0.5,y(n)=0,當(dāng)n2時(shí)y(z)0.8z1y(z)+y(1)z0.15z2y(z)+y(1)z+y(2)z2=1,n0時(shí),,y(n)=4.3650.3n+6.3750.5nn0時(shí),y(n)=0最后得到y(tǒng)(n)=(4.3650.3n+6.3750.5n)u(n),22設(shè)線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)h(z)為,(1)在z平面上用幾何法證明該系統(tǒng)是全通網(wǎng)絡(luò),即|h(ej)|=常數(shù);(2)參數(shù)a如何取值,才能使系統(tǒng)因果穩(wěn)定?畫出其極零點(diǎn)分布及收斂域。解:,(1),極點(diǎn)為a,零點(diǎn)為a1。設(shè)a=0.6,極零點(diǎn)分布圖如題22解圖(a)所示。我們知道|h(ej)|等于極點(diǎn)矢量的長(zhǎng)度除以零點(diǎn)矢量的長(zhǎng)度,按照題22解圖(a),得到,因?yàn)榻枪茫?,且aobaoc,故,,即,故h(z)是一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)?;蛘甙凑沼嘞叶ɡ碜C明:,題22解圖,(2)只有選擇|a|1才能使系統(tǒng)因果穩(wěn)定。設(shè)a=0.6,極零點(diǎn)分布圖及收斂域如題22解圖(b)所示。23設(shè)系統(tǒng)由下面差分方程描述:y(n)=y(n1)+y(n2)+x(n1)(1)求系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)h(z),并畫出極零點(diǎn)分布圖;(2)限定系統(tǒng)是因果的,寫出h(z)的收斂域,并求出其單位脈沖響應(yīng)h(n);(3)限定系統(tǒng)是穩(wěn)定性的,寫出h(z)的收斂域,并求出其單位脈沖響應(yīng)h(n)。解:(1)y(n)=y(n1)+y(n2)+x(n1)將上式進(jìn)行z變換,得到y(tǒng)(z)=y(z)z1+y(z)z2+x(z)z1,因此,零點(diǎn)為z=0。令z2z1=0,求出極點(diǎn):,極零點(diǎn)分布圖如題23解圖所示。,題23解圖,(2)由于限定系統(tǒng)是因果的,收斂域需選包含點(diǎn)在內(nèi)的收斂域,即。求系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)可以用兩種方法,一種是令輸入等于單位脈沖序列,通過解差分方程,其零狀態(tài)輸入解便是系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng);另一種方法是求h(z)的逆z變換。我們采用第二種方法。,式中,,,令,n0時(shí),h(n)=resf(z),z1+resf(z),z2,因?yàn)閔(n)是因果序列,n0時(shí),h(n)=0,故,(3)由于限定系統(tǒng)是穩(wěn)定的,收斂域需選包含單位圓在內(nèi)的收斂域,即|z2|z|z1|,n0時(shí),c內(nèi)只有極點(diǎn)z2,只需求z2點(diǎn)的留數(shù),,n0時(shí),c內(nèi)只有兩個(gè)極點(diǎn):z2和z=0,因?yàn)閦=0是一個(gè)n階極點(diǎn),改成求圓外極點(diǎn)留數(shù),圓外極點(diǎn)只有一個(gè),即z1,那么,最后得到,24已知線性因果網(wǎng)絡(luò)用下面差分方程描述:y(n)=0.9y(n1)+x(n)+0.9x(n1)(1)求網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)函數(shù)h(z)及單位脈沖響應(yīng)h(n);(2)寫出網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)函數(shù)h(ej)的表達(dá)式,并定性畫出其幅頻特性曲線;(3)設(shè)輸入x(n)=ej0n,求輸出y(n)。解:(1)y(n)=0.9y(n1)+x(n)+0.9x(n1)y(z)=0.9y(z)z1+x(z)+0.9x(z)z1,令,n1時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.9,,n=0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn)0.9,0,,最后得到h(n)=20.9nu(n1)+(n),(2),極點(diǎn)為z1=0.9,零點(diǎn)為z2=0.9。極零點(diǎn)圖如題24解圖(a)所示。按照極零點(diǎn)圖定性畫出的幅度特性如題24解圖(b)所示。(3),題24解圖,25已知網(wǎng)絡(luò)的輸入和單位脈沖響應(yīng)分別為x(n)=anu(n),h(n)=bnu(n)0a1,0b1(1)試用卷積法求網(wǎng)絡(luò)輸出y(n);(2)試用zt法求網(wǎng)絡(luò)輸出y(n)。解:(1)用卷積法求y(n)。,n0時(shí),,n0時(shí),y(n)=0最后得到,(2)用zt法求y(n)。,,,令,n0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn):a、b,因此,因?yàn)橄到y(tǒng)是因果系統(tǒng),所以n0時(shí),y(n)=0。最后得到,26線性因果系統(tǒng)用下面差分方程描述:y(n)2ry(n1)cos+r2y(n2)=x(n)式中,x(n)=anu(n),0a1,0rmax(r,|a|),且n0時(shí),y(n)=0,故,c包含三個(gè)極點(diǎn),即a、z1、z2。,27如果x1(n)和x2(n)是兩個(gè)不同的因果穩(wěn)定實(shí)序列,求證:,式中,x1(ej)和x2(ej)分別表示x1(n)和x2(n)的傅里葉變換。解:ftx1(n)*x2(n)=x1(ej)x2(ej)進(jìn)行ift,得到,令n=0,則,由于x1(n)和x2(n)是實(shí)穩(wěn)定因果序列,因此,(1),(2),(3),由(1)、(2)、(3)式,得到,28若序列h(n)是因果序列,其傅里葉變換的實(shí)部如下式:,求序列h(n)及其傅里葉變換h(ej)。,解:,求上式的z的反變換,得到序列h(n)的共軛對(duì)稱序列he(n)為,因?yàn)閔(n)是因果序列,he(n)必定是雙邊序列,收斂域取:a|z|a1。n1時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn):a,,n=0時(shí),,c內(nèi)有極點(diǎn):a、0,,因?yàn)閔e(n)=he(n),所以,29若序列h(n)是因果序列,h(0)=1,其傅里葉變換的虛部為,求序列h(n)及其傅里葉變換h(ej)。,解:,令z=ej,有,jhi(ej)對(duì)應(yīng)h(n)的共軛反對(duì)稱序列ho(n),因此jhi(z)的反變換就是ho(n),因?yàn)閔(n)是因果序列,ho(n)是雙邊序列,收斂域取:a|z|a1。,n1時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn):a,n=0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn):a、0,,因?yàn)閔i(n)=h(n),所以,教材第3章習(xí)題與上機(jī)題解答1計(jì)算以下序列的n點(diǎn)dft,在變換區(qū)間0nn1內(nèi),序列定義為(1)x(n)=1(2)x(n)=(n)(3)x(n)=(nn0)0n0n(4)x(n)=rm(n)0mn(5)(6),(7)x(n)=ej0nrn(n)(8)x(n)=sin(0n)rn(n)(9)x(n)=cos(0n)rn(n)(10)x(n)=nrn(n)解:,(1),(2),(3),(4),(5),0kn1,(6),0kn1,(7),或,(8)解法一直接計(jì)算:,解法二由dft的共軛對(duì)稱性求解。因?yàn)?所以,所以,即,結(jié)果與解法一所得結(jié)果相同。此題驗(yàn)證了共軛對(duì)稱性。(9)解法一直接計(jì)算:,解法二由dft共軛對(duì)稱性可得同樣結(jié)果。因?yàn)?(10)解法一,上式直接計(jì)算較難,可根據(jù)循環(huán)移位性質(zhì)來求解x(k)。因?yàn)閤(n)=nrn(n),所以x(n)x(n1)nrn(n)+n(n)=rn(n)等式兩邊進(jìn)行dft,得到x(k)x(k)wkn+n=n(k),故,當(dāng)k=0時(shí),可直接計(jì)算得出x(0)為,這樣,x(k)可寫成如下形式:,解法二k=0時(shí),,k0時(shí),,所以,,,即,2已知下列x(k),求x(n)=idftx(k),(1),(2),其中,m為正整數(shù),0mn/2,n為變換區(qū)間長(zhǎng)度。,解:(1),n=0,1,n1,(2),n=0,1,n1,3已知長(zhǎng)度為n=10的兩個(gè)有限長(zhǎng)序列:,做圖表示x1(n)、x2(n)和y(n)=x1(n)*x2(n),循環(huán)卷積區(qū)間長(zhǎng)度l=10。解:x1(n)、x2(n)和y(n)=x1(n)*x2(n)分別如題3解圖(a)、(b)、(c)所示。,題3解圖,4證明dft的對(duì)稱定理,即假設(shè)x(k)=dftx(n),證明dftx(n)=nx(nk)證:因?yàn)?所以,由于,所以dftx(n)=nx(nk)k=0,1,n15如果x(k)=dftx(n),證明dft的初值定理,證:由idft定義式,可知,6設(shè)x(n)的長(zhǎng)度為n,且x(k)=dftx(n)0kn1令h(n)=x(n)nrmn(n)m為自然數(shù)h(k)=dfth(n)mn0kmn1求h(k)與x(k)的關(guān)系式。解:h(k)=dfth(n)0kmn1令n=n+ln,l=0,1,m1,n=0,1,n1,則,因?yàn)?所以,7證明:若x(n)為實(shí)序列,x(k)=dftx(n)n,則x(k)為共軛對(duì)稱序列,即x(k)=x*(nk);若x(n)實(shí)偶對(duì)稱,即x(n)=x(nn),則x(k)也實(shí)偶對(duì)稱;若x(n)實(shí)奇對(duì)稱,即x(n)=x(nn),則x(k)為純虛函數(shù)并奇對(duì)稱。,證:(1)由教材(3.2.17)(3.2.20)式知道,如果將x(n)表示為x(n)=xr(n)+jxi(n)則x(k)=dftx(n)=xep(k)+xop(k)其中,xep(k)=dftxr(n),是x(k)的共軛對(duì)稱分量;xop(k)=dftjxi(n),是x(k)的共軛反對(duì)稱分量。所以,如果x(n)為實(shí)序列,則xop(k)=dftjxi(n)=0,故x(k)=dftx(n)=xep(k),即x(k)=x*(nk)。,(2)由dft的共軛對(duì)稱性可知,如果x(n)=xep(n)+xop(n)且x(k)=rex(k)+jimx(k)則rex(k)=dftxep(n),jimx(k)=dftxop(n)所以,當(dāng)x(n)=x(nn)時(shí),等價(jià)于上式中xop(n)=0,x(n)中只有xep(n)成分,所以x(k)只有實(shí)部,即x(k)為實(shí)函數(shù)。又由(1)證明結(jié)果知道,實(shí)序列的dft必然為共軛對(duì)稱函數(shù),即x(k)=x*(nk)=x(nk),所以x(k)實(shí)偶對(duì)稱。,同理,當(dāng)x(n)=x(nn)時(shí),等價(jià)于x(n)只有xop(n)成分(即xep(n)=0),故x(k)只有純虛部,且由于x(n)為實(shí)序列,即x(k)共軛對(duì)稱,x(k)=x*(nk)=x(nk),為純虛奇函數(shù)。8證明頻域循環(huán)移位性質(zhì):設(shè)x(k)=dftx(n),y(k)=dfty(n),如果y(k)=x(k+l)nrn(k),則,證:,令m=k+l,則,9已知x(n)長(zhǎng)度為n,x(k)=dftx(n),,求y(k)與x(k)的關(guān)系式。解:,10證明離散相關(guān)定理。若x(k)=x1*(k)2(k)則,證:根據(jù)dft的惟一性,只要證明,即可。,令m=l+n,則,所以,當(dāng)然也可以直接計(jì)算x(k)=x1*(k)x2(k)的idft。,0nn1,由于,0nn1,所以,11證明離散帕塞瓦爾定理。若x(k)=dftx(n),則,證:,12已知f(n)=x(n)+jy(n),x(n)與y(n)均為長(zhǎng)度為n的實(shí)序列。設(shè)f(k)=dftf(n)n0kn1,(1),(2)f(k)=1+jn試求x(k)=dftx(n)n,y(k)=dfty(n)n以及x(n)和y(n)。解:由dft的共軛對(duì)稱性可知x(n)x(k)=fep(k)jy(n)jy(k)=fop(k),方法一(1),0nn1,由于,0n,mn1,所以x(n)=an0nn1同理y(n)=bn0nn1(2)f(k)=1+jn,,,方法二令,只要證明a(k)為共軛對(duì)稱的,b(k)為共軛反對(duì)稱,則就會(huì)有a(k)=fep(k)=x(k),b(k)=fop(k)=jy(k)因?yàn)?,共軛對(duì)稱,,共軛反對(duì)稱,所以,由方法一知x(n)=idftx(k)=anrn(n)y(n)=idfty(k)=bnrn(n)13已知序列x(n)=anu(n),0a1,對(duì)x(n)的z變換x(z)在單位圓上等間隔采樣n點(diǎn),采樣序列為,求有限長(zhǎng)序列idftx(k)n。解:我們知道,,是以2為周期的周期函數(shù),所以,以n為周期,將看作一周期序列的dfs系數(shù),則,由式知為,將式代入式得到,由于,所以,由題意知,所以根據(jù)有關(guān)x(k)與xn(n)的周期延拓序列的dfs系數(shù)的關(guān)系有,由于0nn1,所以,因此,說明:平時(shí)解題時(shí),本題推導(dǎo),的過程可省去,直接引用頻域采樣理論給出的結(jié)論(教材中式(3.3.2)和(3.3.3))即可。14兩個(gè)有限長(zhǎng)序列x(n)和y(n)的零值區(qū)間為x(n)=0n0,8ny(n)=0n0,20n對(duì)每個(gè)序列作20點(diǎn)dft,即x(k)=dftx(n)k=0,1,19y(k)=dfty(n)k=0,1,19試問在哪些點(diǎn)上f(n)與x(n)*y(n)值相等,為什么?,解:如前所述,記fl(n)=x(n)*y(n),而f(n)=idftf(k)=x(n)20y(n)。fl(n)長(zhǎng)度為27,f(n)長(zhǎng)度為20。由教材中式(3.4.3)知道f(n)與fl(n)的關(guān)系為,只有在如上周期延拓序列中無混疊的點(diǎn)上,才滿足f(n)=fl(n),所以f(n)=fl(n)=x(n)*y(n)7n19,15已知實(shí)序列x(n)的8點(diǎn)dft的前5個(gè)值為0.25,0.125-j0.3018,0,0.125-j0.0518,0。(1)求x(k)的其余3點(diǎn)的值;,(2),求x1(k)=dftx1(n)8;,(3),,求,。,解:(1)因?yàn)閤(n)是實(shí)序列,由第7題證明結(jié)果有x(k)=x*(nk),即x(nk)=x*(k),所以,x(k)的其余3點(diǎn)值為x(5),x(6),x(7)=0.125+j0.0518,0,0.125+j0.3018(2)根據(jù)dft的時(shí)域循環(huán)移位性質(zhì),,(3),16x(n)、x1(n)和x2(n)分別如題16圖(a)、(b)和(c)所示,已知x(k)=dftx(n)8。求,和,注:用x(k)表示x1(k)和x2(k)。,解:因?yàn)閤1(n)=x(n+3)8r8(n),x2(n)=x(n2)8r8(n),所以根據(jù)dft的時(shí)域循環(huán)移位性質(zhì)得到,17設(shè)x(n)是長(zhǎng)度為n的因果序列,且,試確定y(k)與x(ej)的關(guān)系式。,解:y(n)是x(n)以m為周期的周期延拓序列的主值序列,根據(jù)頻域采樣理論得到,18用微處理機(jī)對(duì)實(shí)數(shù)序列作譜分析,要求譜分辨率f50hz,信號(hào)最高頻率為1khz,試確定以下各參數(shù):(1)最小記錄時(shí)間tpmin;(2)最大取樣間隔tmax;(3)最少采樣點(diǎn)數(shù)nmin;(4)在頻帶寬度不變的情況下,使頻率分辨率提高1倍(即f縮小一半)的n值。,解:(1)已知f=50hz,因而,(2),(3),(4)頻帶寬度不變就意味著采樣間隔t不變,應(yīng)該使記錄時(shí)間擴(kuò)大1倍,即為0.04s,實(shí)現(xiàn)頻率分辨率提高1倍(f變?yōu)樵瓉淼?/2)。,19已知調(diào)幅信號(hào)的載波頻率fc=1khz,調(diào)制信號(hào)頻率fm=100hz,用fft對(duì)其進(jìn)行譜分析,試求:(1)最小記錄時(shí)間tpmin;(2)最低采樣頻率fsmin;(3)最少采樣點(diǎn)數(shù)nmin。,解:調(diào)制信號(hào)為單一頻率正弦波時(shí),已調(diào)am信號(hào)為x(t)=cos(2fct+jc)1+cos(2fmt+jm)所以,已調(diào)am信號(hào)x(t)只有3個(gè)頻率:fc、fc+fm、fcfm。x(t)的最高頻率fmax=1.1khz,頻率分辨率f100hz(對(duì)本題所給單頻am調(diào)制信號(hào)應(yīng)滿足100/f=整數(shù),以便能采樣到這三個(gè)頻率成分)。故,(1),(2),(3),(注意,對(duì)窄帶已調(diào)信號(hào)可以采用亞奈奎斯特采樣速率采樣,壓縮碼率。而在本題的解答中,我們僅按基帶信號(hào)的采樣定理來求解。)20在下列說法中選擇正確的結(jié)論。線性調(diào)頻z變換可以用來計(jì)算一個(gè)有限長(zhǎng)序列h(n)在z平面實(shí)軸上諸點(diǎn)zk的z變換h(zk),使,(1)zk=ak,k=0,1,n1,a為實(shí)數(shù),a1;(2)zk=ak,k=0,1,n1,a為實(shí)數(shù),a1;(3)(1)和(2)都不行,即線性調(diào)頻z變換不能計(jì)算h(z)在z平面實(shí)軸上的取樣值。解:在chirp-z變換中,在z平面上分析的n點(diǎn)為zk=awkk=0,1,n1其中所以當(dāng)a0=1,0=0,w0=a1,j=0時(shí),zk=ak故說法(1)正確,說法(2)、(3)不正確。,21我們希望利用h(n)長(zhǎng)度為n=50的fir濾波器對(duì)一段很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行濾波處理,要求采用重疊保留法通過dft(即fft)來實(shí)現(xiàn)。所謂重疊保留法,就是對(duì)輸入序列進(jìn)行分段(本題設(shè)每段長(zhǎng)度為m=100個(gè)采樣點(diǎn)),但相鄰兩段必須重疊v個(gè)點(diǎn),然后計(jì)算各段與h(n)的l點(diǎn)(本題取l=128)循環(huán)卷積,得到輸出序列ym(n),m表示第m段循環(huán)卷積計(jì)算輸出。最后,從ym(n)中選取b個(gè)樣值,使每段選取的b個(gè)樣值連接得到濾波輸出y(n)。,(1)求v;(2)求b;(3)確定取出的b個(gè)采樣應(yīng)為ym(n)中的哪些樣點(diǎn)。解:為了便于敘述,規(guī)定循環(huán)卷積的輸出序列ym(n)的序列標(biāo)號(hào)為n=0,1,2,127。先以h(n)與各段輸入的線性卷積ylm(n)分析問題,因?yàn)楫?dāng)h(n)的50個(gè)樣值點(diǎn)完全與第m段輸入序列xm(n)重疊后,ylm(n)才與真正的濾波輸出y(n)相等,所以,ylm(n)中第0點(diǎn)到第48點(diǎn)(共49個(gè)點(diǎn))不正確,不能作為濾波輸出,第49點(diǎn)到第99點(diǎn)(共51個(gè)點(diǎn))為正確的濾波輸出序列y(n)的第m段,即b=51。,所以,為了去除前面49個(gè)不正確點(diǎn),取出51個(gè)正確的點(diǎn)連接,得到不間斷又無多余
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