長江大學(xué)信號與系統(tǒng)7-4

傅里葉變換的應(yīng)用在分析連續(xù)系統(tǒng)時更多的是使用拉普拉斯變換分析法。傅里葉變換的運(yùn)用一般要受絕對可積條件的約束，能適用的信號有限。傅里葉反變換往往不太容易。傅里葉變換更廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，如信號傳輸過程中的調(diào)制與解調(diào)等。三個典型的應(yīng)用無失真?zhèn)鬏斃硐霝V波器調(diào)制與解調(diào)17.5.1信號的無失真?zhèn)鬏斒д媾c無失真：系統(tǒng)的響應(yīng)波形與激勵波形不同，信號在傳輸過程中將產(chǎn)生失真。線性系統(tǒng)引起的信號失真有兩個原因：幅度失真與相位失真。稱為線性失真。幅度失真與相位失真都不產(chǎn)生新的頻率分量；而非線性失真可能產(chǎn)生新的頻率分量。無失真是指響應(yīng)信號與激勵信號相比，只是大小與出現(xiàn)的時間不同，而波形不變化。2無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件在時域中：設(shè)激勵信號為f(t),響應(yīng)信號為y(t),無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件是y(t)=Kf(t-t0)

式中：K是一常數(shù)，t0為滯后時間。若f(t)=(t),則y(t)=h(t)=K(t-t0),線性系統(tǒng)f(t)y(t)3無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件在頻域中：設(shè)激勵頻譜為F(j),響應(yīng)頻譜為Y(j),無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件是

Y(j)=KF(j)e-jt0

其中：系統(tǒng)函數(shù)H(j)=Ke

-jt0

4相位失真的條件設(shè)輸入為則輸出為為了使基波與二次諧波有相同的延遲時間，以保證不產(chǎn)生失真，就滿足常數(shù)5觀察相位失真f1(t)原信號f2(t)無失真f3(t)有失真6幅度失真與相位失真的應(yīng)用人耳容易覺察幅度失真，而對于相位失真反應(yīng)并不敏感在音頻信號中，每一個音節(jié)可以看成一個單獨(dú)的信號，音節(jié)的持續(xù)時間在0.01秒到0.1秒的數(shù)量級的范圍內(nèi)，音頻系統(tǒng)具有非線性的相位特性，在實(shí)際系統(tǒng)中，()的斜率變化不大，而人耳對相位的失真不敏感。因此，音頻設(shè)備制造商主要關(guān)心音頻系統(tǒng)的幅度特性。人眼對相位失真敏感而對幅度失真不敏感。在電視信號中的幅度失真只作為圖像的相對黑白亮度的部分損壞顯露，這個影響對人眼不是很明顯。相位失真會在不同的圖像像素上產(chǎn)生不同的延時。這會將一幅圖像變得模糊，其效果容易被人眼所覺察。在數(shù)字通信中相位失真也是很重要的，因為信道的非線性相位特性會引起脈沖擴(kuò)散，它會帶來與前后相鄰脈沖間的干擾。這種干擾會在接收端產(chǎn)生脈沖幅度上的誤差，可能將二進(jìn)制的1讀成0，或?qū)?讀成1。77.5.2理想低通濾波器理想低通濾波器特性：或：其中：c為截止頻率。稱為理想低通濾波器的通頻帶，簡稱頻帶。8沖激響應(yīng)已知：，根據(jù)對偶性：將換成2c，得：根據(jù)時移特性：9階躍響應(yīng)令10階躍響應(yīng)上升時間與頻帶的關(guān)系上升時間tr，定義為從階躍響應(yīng)的極小值上升到極大值所經(jīng)歷的時間。它與頻帶c的關(guān)系為11階躍響應(yīng)結(jié)論階躍響應(yīng)的上升時間與系統(tǒng)的截止頻率(頻帶)成反比。這也是時間帶寬積為常數(shù)。此結(jié)論對各種實(shí)際的濾波器同樣具有指導(dǎo)意義。例如，一個一階RC低通濾波器的階躍響應(yīng)為指數(shù)上升波形，上升時間與RC時間常數(shù)成正比，但從頻域特性來看，此低通濾波器的帶寬卻與RC乘積值成反比.理想低通濾波器是非因果系統(tǒng)，是物理不可實(shí)現(xiàn)的。

12濾波器的概念理想低通濾波器信號通過系統(tǒng)時，系統(tǒng)使信號的某些頻率分量通過，而使其他頻率的分量受到抑制，這樣的系統(tǒng)稱為濾波器。若系統(tǒng)的幅頻特性在某一頻帶內(nèi)保持為常數(shù)而在該頻帶外為零，相頻特性始終為過原點(diǎn)的一條直線，則這樣的系統(tǒng)就稱為理想濾波器。理想低通濾波器在的頻率范圍內(nèi)（稱為通帶），信號能無衰減地通過，而對大于（稱為阻帶）的所有頻率分量則完全抑制。稱為理想低通濾波器的截止頻率。理想低通濾波器的特性如圖7-32所示。13濾波器的概念理想低通濾波器的頻率特性可寫為(設(shè)相角為0)理想低通濾波器非理想低通濾波器14濾波器的概念理想高通濾波器的頻率特性可寫為理想高通濾波器非理想高通濾波器15濾波器的概念理想帶通濾波器的頻率特性可寫為理想帶通濾波器16濾波器的概念理想帶阻濾波器的頻率特性可寫為理想帶阻濾波器17補(bǔ)充例題(習(xí)題7-17)圖示是理想高通濾波器的幅頻與相頻特性，求該濾波器的沖激響應(yīng)。解：由理想高通濾波器特性可知，其特性可用１－理想低通特性（門函數(shù)）表示。即：故，沖激響應(yīng)為：18例7.19帶限信號f(t)通過如圖所示系統(tǒng)，已知f(t)、H1(j)、H2(j)頻譜如圖所示，畫出x(t)、y(t)的頻譜圖。解：頻譜圖如下cos9tH1(j)f

(t)y

(t)H2(j)cos9tF(j)0-661915-9-15H1(j)019-9H2(j)0291X(j)0-66915-9-15?-919例7.19求y(t)的頻譜X(j)0-66915-9-15?XS(j)0-66915-9-15?Y(j)0?9-9-6620信號與系統(tǒng)的二維視角信號與系統(tǒng)都有雙重屬性：頻域和時域。為了較深入地觀察它們之間的關(guān)系，應(yīng)該對這兩個屬性進(jìn)行分析和理解，因為它們看問題的視角是互為補(bǔ)充的。人們常常會本能地在兩個域內(nèi)思考問題。當(dāng)觀察一個信號時，時域的視角:

考慮它的波形，信號的持續(xù)時間以及波形的衰減速率，是周期的還是非周期、是否是功率信號或能量信號等。頻域的視角:通過它的頻譜來考慮，看這個信號的頻譜是連續(xù)還是離散，所含有頻率分量的特性，觀察各頻率分量的相對幅度和相位可知其頻譜的有效帶寬、基波頻率、功率或能量的分布等問題。21信號與系統(tǒng)的二維視角當(dāng)考慮一個系統(tǒng)時時域的觀點(diǎn):對沖激響應(yīng)或階躍響應(yīng)進(jìn)行分析，觀察時間常數(shù)、響應(yīng)的性質(zhì)（振蕩或非振蕩）以及對輸入的響應(yīng)能力。頻域的觀點(diǎn):把系統(tǒng)看成一個濾波器，研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是否是低通、高通、帶通等特性，系統(tǒng)的截止頻率或帶寬等。如RC低通電路，其沖激響應(yīng)的快慢程度取決于時間常數(shù)=RC。小沖激響應(yīng)h(t)持續(xù)時間短，系統(tǒng)對輸入信號反映快。在頻域，這是一個低通濾波器，從幅頻特性知帶寬c=1/。c小則頻帶較寬。這意味著濾波器允許輸入信號中更多較高頻率的分量通過。22信號與系統(tǒng)的二維視角為什么要用二維的視角來分析LTI系統(tǒng)呢？其理由是兩個域的兩種視角觀察系統(tǒng)將對系統(tǒng)的特性的理解更加深入。某些方面在一個域很容易掌握；而另一些方面或許在另一個域更容易理解。對于信號和系統(tǒng)的研究來說，時域方法和頻域方法都是最基本的，猶如兩只眼睛對人類觀察實(shí)物有一個正確的視角是最基本的一樣。一個人用任何一只眼睛都能看見東西，但是要想對三維物體有恰當(dāng)?shù)囊暯牵瑑芍谎劬κ腔颈匦璧摹?37.6調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)：所謂調(diào)制，就是用一個信號（原信號也稱調(diào)制信號）去控制另一個信號（載波信號）的某個參量，從而產(chǎn)生已調(diào)制信號，解調(diào)則是相反的過程，即從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原信號。根據(jù)所控制的信號參量的不同，調(diào)制可分為：調(diào)幅，使載波的幅度隨著調(diào)制信號的大小變化而變化的調(diào)制方式。調(diào)頻，使載波的瞬時頻率隨著調(diào)制信號的大小而變，而幅度保持不變的調(diào)制方式。調(diào)相，利用原始信號控制載波信號的相位。這三種調(diào)制方式的實(shí)質(zhì)都是對原始信號進(jìn)行頻譜搬移，將信號的頻譜搬移到所需要的較高頻帶上，從而滿足信號傳輸?shù)男枰?4調(diào)幅調(diào)制信號載波信號已調(diào)信號fS

(t)=f

(t)cos0t其頻譜為

FS(j)=?{F[j(-0)]+F[j(+0)]}y(t)=f

(t)cos0t由此可見，原始信號的頻譜被搬移到了頻率較高的載頻附近，達(dá)到了調(diào)制的目的。25解調(diào)本地載波信號已調(diào)信號y

(t)=f

(t)cos0t其頻譜為

G(j)=?F(j)+?{F[j(-20)]+F[j(+20)]}此信號的頻譜通過理想低通濾波器，可取出F(j)，從而恢復(fù)原信號f

(t)

。26例7.20求的信號通過圖(a)的系統(tǒng)后的輸出y(t)。系統(tǒng)中的理想帶通濾波器的傳輸特性如圖(b)所示，其相位特性。解：已知：設(shè)：27例7.20輸出的頻譜：由：故系統(tǒng)的響應(yīng)為28例7.21求的信號通過圖(a)的系統(tǒng)后的輸出。系統(tǒng)中的理想帶通濾波器的傳輸特性如圖(b)所示，其相位特性。解：設(shè)：輸出的頻譜：已知：故系統(tǒng)的響應(yīng)為29課堂小結(jié)重點(diǎn)與難點(diǎn)無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件時域，頻域，應(yīng)用理想濾波器的特性低通，高通，帶通，