信号与系统1——Signals and Systems

news2024/11/29 22:31:55

信号与系统1——Signals and Systems

  • 一、Introduction
    • 1. Signals and Systems信号与系统
      • (1) Signal信号
      • (2) System系统
    • 2. Classification of Signals信号的分类
      • (1) Continuous-time & discrete-time
        • 1) Continuous-Time signal连续时间信号
        • 2) Discrete-Time signal离散时间信号
        • 3) Relationship关系
      • (2) Even and odd signals偶奇信号
        • 1) Even signals (偶信号)
        • 2) Odd signals (奇信号)
        • 3) Even-odd decomposition of x(t)奇偶分量
        • 4) PRODUCT Rule
    • 3. Operation on Signals信号运算
  • 二、Basic Time Signals基本时间信号
    • 1. Exponential Signals指数信号
      • (1) Continuous-time
      • (2) Discrete-time
    • 2. Sinusoidal Signals正弦信号
      • (1) Continuous-time
      • (2) Discrete-time
      • (3) Relation Between Sinusoidal and Complex Exponential Signals
        • 1) Complex exponential signal
        • 2) Discrete-time case
        • 3) Two-dimensional representation of the complex exponential e^jΩn^ for Ω = Π/4 and n = 0, 1...
      • (4) Exponential Damped (衰减) Sinusoidal Signals
    • 3. Step Functions阶跃信号
    • 4. Impulse Functions冲激信号
      • (1) Discrete-time
      • (2) Continuous-time
      • (3) Properties of impulse function
        • 1) Even function偶函数
        • 2) Sifting property时移特性
        • 3) Time-scaling property展缩特性
        • 4) Sampling property取样特性
        • 5) 相乘特性
        • 6) Derivatives
        • 7) 与u(t)的关系
  • 三、Systems Classification and Properties系统分类和性质
    • 1. System Representation
    • 2. Continuous-time and Discrete-time Systems
      • (1) Continuous-time
      • (2) Discrete-time
      • (3) Moving-average system
      • (4) Representation of discrete-time operations
    • 3. Systems with and without memory
      • (1) without memory
      • (2) with memory
    • 4. Causal and Non-causal systems
      • (1) Causal
      • (2) Non-causal
    • 5. Linear and Nonlinear systems
      • (1) Linear
      • (2) Nonlinear
    • 6. Time-variant and Time-invariant Systems
      • (1) Time-invariant
      • (2) Condition for time-invariant system
    • 7. Stable systems
    • 8. Feedback systems
    • 9. Invertibility(可逆性) systems
      • (1) Continuous-time system
      • (2) Output of the second system
      • (3) Condition for invertible system

一、Introduction

1. Signals and Systems信号与系统

(1) Signal信号

A signal is formally defined as a function of one or more variables that conveys information on the
nature of a physical phenomenon.

(2) System系统

A system is formally defined as an entity that manipulates one or more signals to accomplish a function, thereby yielding new signals.

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

2. Classification of Signals信号的分类

(1) Continuous-time & discrete-time

1) Continuous-Time signal连续时间信号

A continuous-time signal is defined for all time t, except at some discontinuous point.

2) Discrete-Time signal离散时间信号

A continuous-time signal is defined only at discrete instants of time.
在这里插入图片描述

3) Relationship关系

· A discrete-time signal is often derived from a continuous-time signal by sampling (抽样) it at a uniform rate (nT)

x[n]= x ( t ) ∣ t = n T x(t)|_{t=nT} x(t)t=nT=x(nT)
T: sampling period, n: an integer
Continuous-time signals: x(t)
Discrete-time signals: x[n]=x(n T s T_s Ts), n=0, ± \pm ± 1, ± \pm ± 2, … \ldots

(2) Even and odd signals偶奇信号

1) Even signals (偶信号)

Symmetric about vertical axis: x (-t) = x (t), x [-n] = x [n] for all t

2) Odd signals (奇信号)

Antisymmetric about origin: x (-t) = - x (t), x [-n] = x [n] for all t

3) Even-odd decomposition of x(t)奇偶分量

x (t)= x e x_e xe(t)+ x o x_o xo(t) where x e x_e xe(-t) = x e x_e xe(t), x o x_o xo(-t) = - x o x_o xo(t)
→ \rightarrow x e x_e xe(t)= 1 2 \frac{1}{2} 21[x(t)+x(-t)]
→ \rightarrow x o x_o xo(t)= 1 2 \frac{1}{2} 21[x(t)-x(-t)]

4) PRODUCT Rule

ODD × \times × ODD → \rightarrow EVEN
EVEN × \times × EVEN → \rightarrow EVEN
EVEN × \times × ODD → \rightarrow ODD
ODD × \times × EVEN → \rightarrow ODD

∫ − T T x ( t ) d t \int_{-T}^Tx(t)dt TTx(t)dt=0 always of x(t) is ODD
=0 sometimes if x(t) is EVEN
∫ − T T x ( t ) d t \int_{-T}^Tx(t)dt TTx(t)dt=2 ∫ 0 T x ( t ) d t \int_{0}^Tx(t)dt 0Tx(t)dt for x(t) EVEN

3. Operation on Signals信号运算

(1) In Time Domain时域

1) Time Scaling时间展缩

y(t) = x (at) → \rightarrow a>1, compressed; 0<a<1, expanded
y[n] =x [kn] , k>0, k is an integer → \rightarrow some values lost

2) Time Reflection时间反转

y(t)=x(-t) → \rightarrow The signal y(t) represents a reflected version of x(t) about t=0

3) Time Shifting时移

y(t)=x(t- t 0 t_0 t0) → \rightarrow t 0 t_0 t0>0, 右移(shift towards right) ; t 0 t_0 t0<0, 左移(shift towards left)
y[n]=x[n-m] → \rightarrow m>0, 右移(shift towards right) ;m<0, 左移(shift towards left)

(2) In Amplitude幅度

1) Amplitude scaling幅度缩放

x(t) → \rightarrow y(t)=cx(t)
x[n] → \rightarrow y[n]=cx[n]

2) Addition加

y(t) = x 1 x_1 x1(t) + x 2 x_2 x2(t)
y[n] = x 1 x_1 x1[n] + x 2 x_2 x2[n]

3) Multiplication乘

y(t) = x 1 x_1 x1(t) x 2 x_2 x2(t)
y[n] = x 1 x_1 x1[n] x 2 x_2 x2[n]

4) Differentiation 微分

y(t) = d d t \frac{d}{dt} dtdx(t)

5) Integration 积分

y(t) = ∫ − ∞ t x ( τ ) d τ \int_{-∞}^tx(τ)dτ tx(τ)dτ

(3) Precedence Rule步骤

1)f(t) → \rightarrow f( α \alpha αt+ β \beta β)

f(t) → \rightarrow f(t+ β \beta β) → \rightarrow f( α \alpha αt+ β \beta β) → \rightarrow f(- α \alpha αt+ β \beta β)
平移 → \rightarrow 展缩 → \rightarrow 反转

2)f( α \alpha αt+ β \beta β) → \rightarrow f(t)

f(- α \alpha αt + β \beta β) → \rightarrow f( α \alpha αt+ β \beta β) → \rightarrow f(t+ β \beta β) → \rightarrow f(t)
反转 → \rightarrow 展缩 → \rightarrow 平移

二、Basic Time Signals基本时间信号

1. Exponential Signals指数信号

(1) Continuous-time

x(t) = Beαt, B and a are real parameters
a. Decaying exponential, for which α < 0
b. Growing exponential, for which α > 0
在这里插入图片描述

(2) Discrete-time

x[n]=Brn , r=e α
a. Decaying exponential, for which α < 0
b. Growing exponential, for which α > 0
在这里插入图片描述

2. Sinusoidal Signals正弦信号

(1) Continuous-time

x (t)=A cos (ωt+φ), T= 2 Π ω \frac{2Π}{ω} ω2Π
x (t +T) = x(t)

(2) Discrete-time

x [n] =A cos (Ωn+φ)
Periodic condition: x [n + N] =A cos (Ωn+ΩN+φ)
→ \rightarrow ΩN=2Πm or Ω= 2 Π m ω \frac{2Πm}{ω} ω2Πm

(3) Relation Between Sinusoidal and Complex Exponential Signals

1) Complex exponential signal

Euler’s identity:e=cosθ+jsinθ
Complex exponential signal: Bejωt= A eejωt=A cos (ωt+φ)+j Asin (ωt+φ)
A cos (ωt+φ)= Re {Bejωt}
A sin (ωt+φ) = Im {Bejωt}

2) Discrete-time case

A cos (Ωn+φ) = Re {BejΩn}
A sin (Ωn+φ) = Im {BejΩn}

3) Two-dimensional representation of the complex exponential ejΩn for Ω = Π/4 and n = 0, 1…

在这里插入图片描述

(4) Exponential Damped (衰减) Sinusoidal Signals

x(t)= A e-αt sin (ωt+φ), α>0
在这里插入图片描述

3. Step Functions阶跃信号

(1) Continuous-time

在这里插入图片描述

(2) Discrete-time

在这里插入图片描述

(3) Properties

1) 相乘特性(单边特性)

x(t)u(t)= { x(t) ,t>0
  		    0,t<0

2) 表示作用区间

a. f(t)[u(t- t 1 t_1 t1)-u(t- t 2 t_2 t2)]

Rectangular pulse脉冲信号:p(t)=u(t+ 1 2 \frac{1}{2} 21)-u(t- 1 2 \frac{1}{2} 21)

在这里插入图片描述

b. 加减
sgn(t) function符号函数
sgn(t)={1,t>0
       -1, t<0
       =u(t)-u(-t)

3) 积分

y(t) = ∫ − ∞ t u ( τ ) d τ \int_{-∞}^tu(τ)dτ tu(τ)dτ=tu(t)=r(t) → \rightarrow 斜坡信号

4. Impulse Functions冲激信号

(1) Discrete-time

 [n]=1, n=0; 0, n≠0

(2) Continuous-time

δ \delta δ(t)=0 for t ≠0
∫ − ∞ ∞ δ ( t ) d t \int_{-∞}^∞δ(t)dt δ(t)dt=1

(3) Properties of impulse function

1) Even function偶函数

δ \delta δ(-t)= δ \delta δ(t)

2) Sifting property时移特性

δ \delta δ(t- t 0 t_0 t0) = 0, t ≠ t 0 t_0 t0
∫ − ∞ ∞ δ ( t − t o ) d t \int_{-∞}^∞δ(t-to)dt δ(tto)dt=1

3) Time-scaling property展缩特性

δ \delta δ(at+b)= 1 a \frac{1}{a} a1 δ \delta δ(t+ b a \frac{b}{a} ab)

4) Sampling property取样特性

∫ − ∞ ∞ x ( τ ) δ ( t ) d t \int_{-∞}^∞x(τ)δ(t)dt x(τ)δ(t)dt=x(0)

x(t)* δ \delta δ(t- t 0 t_0 t0)= ∫ − ∞ ∞ x ( t ) δ ( t − t o ) d t \int_{-∞}^∞x(t)δ(t-to)dt x(t)δ(tto)dt=x( t 0 t_0 t0)

x ( t ) δ ( t − t o ) x(t)δ(t-to) x(t)δ(tto)=x( t 0 t_0 t0) δ \delta δ(t- t 0 t_0 t0)

∑ i = − ∞ ∞ \sum_{i=-∞}^∞ i=x(t) δ \delta δ(k)= x (0)

5) 相乘特性

x ( t ) δ ( t ) x(t)δ(t) x(t)δ(t)= x ( 0 ) δ ( t ) x(0)δ(t) x(0)δ(t)
x ( t ) δ ( t − t o ) x(t)δ(t-to) x(t)δ(tto)= x ( t o ) δ ( t − t o ) x(to)δ(t-to) x(to)δ(tto)

6) Derivatives

在这里插入图片描述

7) 与u(t)的关系

δ(t) is the derivative of u(t): δ(t)= d d t u ( t ) \frac{d}{dt}u(t) dtdu(t)

u(t) is the integral of δ(t): u(t) = ∫ − ∞ t δ ( τ ) d τ \int_{-∞}^tδ(τ)dτ tδ(τ)dτ

u[n] = δ[n]+δ[n-1]+…= ∑ i = 0 ∞ \sum_{i=0}^∞ i=0 δ \delta δ[n-k]= ∑ i = − ∞ n \sum_{i=-∞}^n i=n δ \delta δ[m]

δ[n]=u[n]-u[n-1]

三、Systems Classification and Properties系统分类和性质

1. System Representation

在这里插入图片描述

2. Continuous-time and Discrete-time Systems

(1) Continuous-time

y(t)=H{x(t)}

(2) Discrete-time

y[n]=H{x[n]}
在这里插入图片描述

(3) Moving-average system

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

(4) Representation of discrete-time operations

在这里插入图片描述

3. Systems with and without memory

(1) without memory

A system is said to be memoryless if the output at any time depends on only the input at that same time.

(2) with memory

A system is said to be memory if the output at any time depends on only the input at past or in the future.

4. Causal and Non-causal systems

(1) Causal

A system is said to be causal if its present value of the output signal depends only on the present or past values of the input signal.

(2) Non-causal

A system is said to be noncausal if its output signal depends on one or more future values of the input signal.

5. Linear and Nonlinear systems

(1) Linear

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在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

(2) Nonlinear

6. Time-variant and Time-invariant Systems

(1) Time-invariant

在这里插入图片描述

(2) Condition for time-invariant system

在这里插入图片描述

7. Stable systems

A system is bounded-input/bounded-output (BIBO,有界输入有界输出) stable if for any bounded input x defined by |x|≤ k 1 k_1 k1
The corresponding output y is also bounded defined by |y|≤ k 2 k_2 k2 where k 1 k_1 k1 and k 2 k_2 k2 are finite real constants

8. Feedback systems

在这里插入图片描述

9. Invertibility(可逆性) systems

(1) Continuous-time system

x(t) = input; y(t) = output
H = first system operator; H i n v _{inv} inv = second system operator

(2) Output of the second system

在这里插入图片描述
H i n v _{inv} inv=inverse operator

(3) Condition for invertible system

H i n v _{inv} inv H= I
I = identity operator (单位算符)

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