信号与系统电子教案绪论(本科2013)-副本.ppt

信号与系统,Signals and Systems 郑州大学物理工程学院 电子科学与仪器实验中心 赵书俊 Tel：67780976 Email：zhaosjzzu.edu.cn,课程介绍 第一章 绪论 信号与系统 信号的描述、分类和典型示例,信号与系统,参考书目 1、教材：信号与系统 郑君里 杨为理 应启珩编 2、信号与系统 Signals & Systems ALAN V.OPPENHEIM ALANS. WILLSKY 清华大学出版社（英文影印版） （中译本）刘树棠 西安交通大学出版社 3、信号与系统例题分析及习题 乐正友 杨为理 应启珩编 4、信号与线性系统分析（第四版）吴大正 主编 高等教育出版社，2005.8,教材、参考书目与先修课程,课程介绍,参考书目与先修课程,先修课程 后续课程 高等数学 通信原理 线性代数 数字信号处理 复变函数 现代信号处理 电路分析基础 ,课程介绍,教学目的和要求,教学目的: “信号与系统”是电子信息类各专业本科生继“电路”或“电路分析基础”课程之后必修的重要主干课程。该课程主要研究确知信号的特性，线性时不变系统的特性，信号通过线性时不变系统的基本分析方法，信号与系统分析方法在某些重要工程领域的应用，以及数字信号处理的基础知识。 通过本课程的学习，使学生掌握信号分析、线性系统分析及数字信号处理的基本理论与分析方法，并对这些理论与方法在工程中的某些应用有初步了解。为适应信息科学与技术的飞速发展及在相关专业领域的深入学习打下坚实的基础。同时，通过习题和实验，学生应在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。,课程介绍,教学目的和要求,第1章 绪论 （8学时） 第2章 连续系统的时域分析（10学时） 第3章 连续信号与系统的频域分析（18学时） 第4章 连续系统的复频域分析（18学时） 第5章 傅里叶变换应用于通信系统（8学时） 第12章系统的状态变量分析（6学时） 机动、复习（4学时） MATLAB语言与信号处理工具箱的应用（课程实验12-16学时）,课程介绍,课程特点,1. 数学工具多 微积分，概率统计，随机过程，高等代数， 数值分析，积分变换，复变函数等。 2. 要求基础强 网络理论、电路与系统是本课程的理论基础。 3. 与其它学科密切相连 与数字信号处理、通信理论、计算机、 微电子技术不可分，又是图象处理、人工智能、 模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础。,课程介绍,学习方法,注重物理概念与数学分析之间的对照，注意分析结果的物理解释； 在学习中要淡化数学背景，不要在繁琐的数学中过多纠缠，打破对课程的恐惧感； 同一问题可有多种解法，应寻找最简单、最合理的解法，比较各方法之优劣； 不要当成数学课程来学习，要做到：理解概念、掌握方法、多做多练、融会贯通。,课程介绍,期末考试与成绩,作业要求-独立完成,要有过程（参考答案教程，期末上交） 成绩构成-平时成绩（出勤、作业）+ 实验成绩+考试成绩 考试方式-闭卷笔试,课程介绍,第一章 绪 论,信号与系统 信号的描述、分类和典型示例 连续时间信号的运算 阶跃信号与冲激信号 信号的分解 系统模型及其分类 线性时不变系统 系统分析方法,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 1.信号的定义:信息的物理表现形式,传递信息的函数. 信号是传输信息的函数，是信息的物理表现形式；而信息是信号的具体内容，通俗地讲，信息就是有用的消息。 信息是一个十分抽象而又复杂的概念，它包含在消息之中，是通信系统中传送的对象，是客观世界的第三要素；其特点是无形的，可共享的，无限的，可度量的。,绪 论,一、信号 2.信号的传输 人们寻求各种方法，以实现信号的传输。 （1）古代用烽火传送疆警报，这是最原始的光通信系统。 （2）利用击鼓鸣金报送时刻或传达命令，这是最早的声信号的传输。 （3）19世纪初，人们开始研究利用电信号传送消息。1837年莫尔斯（F.B.Morse)发明了电报，采用点、划、空组合的代码表示字母和数字，这种代码称为莫尔斯电码。,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 2.信号的传输 1876年贝尔(A.G.Bell)发明了电话， 直接将声信号（语音）转变为电信号沿导线传送。 （）世纪末，人们研究用电磁波传送无线电信号。赫兹（.Hertz）波波夫、马可尼等作出贡献。1901年马可尼成功地实现了横渡大西洋的无线电通信。 （5）光纤通信 从此，传输电信号的通信方式得到广泛应用和迅速发展。,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 2.信号的传输：如今： （）以卫星通信技术为基础的“全球定位系统（Global Positioning System, 缩写为GPS），其精度可达数十米之内。 （）个人通信技术：无论任何人在任何时候和任何地方都能够和世界上其他人进行通信。 （）“全球通信网”是信息网络技术的发展必然趋势。目前的综合业务数字网（ISDN),Internet或称因特网，以及其他各种信息网络技术为全球通信网奠定了基础。,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 2.信号的传输：如今：,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 3.信号的交换 现代通信的通信方式不是任意两点之间信号的直接传输，而是要利用某些集中转接设施组成复杂的信息网络，即经“交换”的功能以实现任意两点之间的传输。,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 4.信号的处理 对信号进行某种加工或变换。其目的是：削弱信号中的多余内容；滤除混杂的噪声和干扰；或者将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和选择它的特征参量。 信号处理的应用已遍及许多科学技术领域。 （1）从月球探测器发来的电视信号可能被淹没在噪声之中，可利用信号处理技术予以增强，在地球上得到清晰的图像。 （2）石油勘探、地震测量以及核试验监测中所得数据的分析都依赖于信号处理技术的应用。,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号 4.信号的处理 （3）医学信号处理：心电图、脑电图分析、耳声信号分析 （4）语音识别与合成 （5）图像处理、图像数据压缩 （6）工业生产自动控制 （7）金融、经济形势预测（股票分析）等。,绪 论,第一节 信号与系统,绪 论,医学断层图像处理（PET）,一、信号 5.信号传输、交换、处理的关系 它们之间相互密切联系（可认为交换是属于传输的组成部分），又各自形成了相对独立的学科体系。它们共同的理论基础之一是研究信号的基本性能（进行信号分析），包括信号的描述、分解、变换、检测、特征提取以及为适应指定要求而进行信号设计。,绪 论,第一节 信号与系统,二、系统 1.系统的概念 系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。 通常，利用通信系统、控制系统和计算机系统进行信号的传输、交换与处理。实际上，往往需要将多种系统共同组成一个综合性的复杂整体。如宇宙航行系统。,绪 论,第一节 信号与系统,二、系统 2.系统的研究内容 研究系统所关心的问题是：对于给定信号形式与传输、处理的要求，系统能否与其相匹配，它应具有怎样的功能和特性。,绪 论,第一节 信号与系统,二、系统 3.信号、电路（网络）与系统的关系 离开了信号，电路与系统将失去意义。 信号可以看作运载消息的工具。 电路或系统则是为传送信号或对信号进行加工处理而构成的某种组合。 研究电路问题着眼在于：为实现系统功能与特性应具有怎样的结构和参数。 有时认为系统是比电路更复杂、规模更大的组合体。,绪 论,第一节 信号与系统,二、系统 3.信号、电路（网络）与系统的关系 确切地说：系统与电路二词的主要差异在于：观察事物的着眼点或处理问题的角度方面。系统问题注意全局，而电路问题则关心局部。 在电路分析中，注意研究其各支路、回路的电流或电压；而从系统的观点来看，可以研究它如何构成具有微分或积分功能的运算器。 由于大规模集成化技术的发展，系统、网络、电路及器件这些名词划分发生了困难，它们互相渗透，需要统一分析、研究和处理。在本书中三个名词通用。,绪 论,第一节 信号与系统,二、系统 4.系统的分类 系统可分为物理系统与非物理系统，人工系统以及自然系统。 物理系统：包括通信系统、电力系统、机械系统等； 非物理系统：政治结构、经济组织、生产管理等； 人工系统：计算机网、交通运输网、水利灌溉网以及交响乐队等； 自然系统：小至原子核，大如太阳系，可以是无生命的，也可是有生命的（如动物的神经网络）。,绪 论,第一节 信号与系统,二、系统 5.系统的研究问题方法 在系统或网络理论研究中，分为系统分析与系统综合（网络分析与网络综合）两方面。 系统分析：研究在给定系统的条件下，系统对于输入激励信号所产生的输出响应。 系统综合：按某种需要先提出对于给定激励的响应，而后根据此要求设计（综合）系统。 分析与综合二者关系密切，但又有各自的体系和研究方法，一般讲，学习分析是学习综合的基础。本课程讨论范围：着重系统分析，以通信系统和控制系统的基本问题为主要背景，研究信号经系统传输或处理的一般规律；着重基本概念和基本分析方法。,绪 论,第一节 信号与系统,一、信号的描述 数学描述：使用具体的数学表达式，把信号描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式。 波形描述：按照函数自变量的变化关系，把信号的波形画出来。 所以通常把信号与函数两名词通用。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 1. 确定信号和随机信号 确定信号或规则信号 ：可以用确定时间函数表示的信号 随机信号:若信号不能用确切的函数描述，它在任意时刻的取值都具有不确定性，只可能知道它的统计特性（现代信号处理）,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 2. 周期信号和非周期信号 周期信号：是指一个每隔一定时间T，按相同规律重复变化的信号。 (在较长时间内重复变化) 连续周期信号f(t)满足f(t) = f(t + mT)， 满足上述关系的最小T称为该信号的周期。 非周期信号：不具有周期性的信号称为非周期信号。 本课程着重讨论确定信号（周期与非周期）。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 2. 周期信号和非周期信号 周期信号： 非周期信号：,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 3.连续时间信号和离散时间信号 连续时间信号：在连续的时间范围内(-t）有定义的信号称为连续时间信号，简称连续信号。实际中也常称为模拟信号。 离散时间信号：仅在一些离散的瞬间才有定义的信号称为离散时间信号，简称离散信号。实际中也常称为数字信号（数字信号处理）。 两者关系： 模拟经A/D变换得数字；数字经D/A变换得模拟。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 3.连续时间信号和离散时间信号,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 3.连续时间信号和离散时间信号 离散时间信号的表示： 通常取等间隔T，离散信号可表示为f(kT)，简写为f(k)，这种等间隔的离散信号也常称为序列。其中k称为序号。 f(k)= ，0，1，2，-1.5，2，0，1，0， k=0 通常将对应某序号m的序列值称为第m个样点的“样值”。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,连续时间信号和离散时间信号,绪 论,系统分类,二、信号的分类 4.一维信号与多维信号 信号可以表示为一个或多个变量的函数。 语音信号可表示为声压随时间变化的函数，这是一维信号。 一张黑白图像每个点（像素）具有不同的光强度，任一点又是二维平面坐标中两个变量的函数，这是二维信号。 实际上，还可能出现更多维数变量的信号。如电磁波在三维空间传播，如再考虑时间变量就构成四维信号。 还可将信号分为能量受限信号与功率受限信号；调制信号、载波信号和已调信号等。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,二、信号的分类 4.一维信号与多维信号 二维平面坐标中两个变量的函数，这是二维信号。 本课程只研究一维信号，且自变量多为时间。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,三、典型的连续时间信号 1.指数信号: 单边指数信号 指数信号的一个重要性质就是它 的微分与积分仍然是指数信号，它 是信号与系统中的一个重要信号之 一。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,三、典型的连续时间信号 2.正弦信号: （对时间的微、积分仍是同频率正弦） 正弦信号是周期信号，其周期T与角频率w 和频率f满足下列关系式： 衰减正弦信号,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,三、典型的连续时间信号 2.正弦信号: 常用到的两对关系式：,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,三、典型的连续时间信号 3.复指数信号: 其中： 实部、虚部都为正（余）弦信号，指数因子实部表征实部与虚部的正、余弦信号的振幅随时间变化的情况， 表示信号随角频率变化的情况。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,(-t),三、典型的连续时间信号 4.Sa(t)信号(抽样信号): 所谓抽样函数是指sint与t之 比构成的函数，以符号Sa(t)表示 Sa(t)具有以下性质：,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,三、典型的连续时间信号 4.Sa(t)信号(抽样信号): 与Sa(t)函数类似的有sinc(t) 函数：,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,三、典型的连续时间信号 5.钟形信号(高斯函数): 钟形信号在随机信号分析中占有重要地位。,绪 论,第二节信号的描述、分类和典型示例,下一节 第一章 绪论,信号与系统 信号的描述、分类和典型示例 连续时间信号的运算 阶跃信号与冲激信号 信号的分解 系统模型及其分类 线性时不变系统 系统分析方法,