线性时不变系统的特征信号

线性时不变系统的特征信号

        在一般的语言环境中,“特征”指的是“一事物异于他事物的特点”,这种特点具有某种不变性,因而能很好地刻画事物本身。华中科技大学老校长,中科院院士杨叔子先生在赏析北宋诗人王安石的名句“春分又绿江南岸,明月何时照我还”时,曾经提到诗中的“绿”字用得非常巧妙,因为“绿”是描述春天的特征不变量,因而能很传神地刻画春天的特点。

        在信号处理的背景下,是否也有这么一个“特征不变量”,来深刻地刻画线性时不变(LTI)系统的特点呢?答案是肯定的,这个“特征不变量”,也就是我们所说的LTI系统的特征信号,就是复正弦信号。复正弦信号是LTI系统的特征信号,自然可以从数学上加以证明。但其也可更直观地表示为,复正弦信号通过一个LTI系统后,其频率保持不变。因此这也可称为LTI系统的频率不变性。这点,我们也可以看两个生活中的例子。

        无论是行走在繁华都市的街道上,还是安坐在井然有序的办公室,我们总能看到人们不断地使用手机,要么通话,要么短信,要么娱乐。手机俨然成了现代人生活必不可少的工具。就以最基本的通话功能来说,两部手机的通话过程可以等效为一个的系统,也即是说,对着主叫手机讲话,在被叫手机能听到和输入相同的声音,只是时间上可能有所延迟,声音的大小上稍有不同。或者说,我们希望这个系统具有这样的功能。因为我们知道,语音的辨别最主要的就是依靠频率。如男声普遍低沉,主要是男声的频率普遍较低;女声普遍高昂,则主要是女声的频率普遍较高。我们肯定不希望自己的声音在传播后变调,让男声听起来像女声,让真情变调成假意。设计良好的手机,在信号比较强的时候,能满足这样的要求。从数学上很容易证明这样一个系统是一个LTI系统,这正是人们所希望的。设计有缺陷的手机,或者在信号很差的情况下,听到的声音有很大的失真,这是人们所不希望的。另外一个例子是高保真音乐的。很多音乐发烧友对音质要求很高,容不得一点杂音或者变调的声音。这时候更要求所使用的播放器,传输线,音响等器材都具有很好的LTI特性,这样的话对音频信号就可以做到频率不失真。

        如同时间一样,频率也是自然信号的一个基本属性,而且人们通常希望在信号的传播、存储等各个处理环节频率保持不变。而LTI系统又恰恰具备了频率不变的特性。这正是LTI系统之所以特别重要的原因所在。因此,很自然地,将信号分解为多个复正弦信号,然后研究系统对复正弦信号的输出,最后再将系统对多个复正弦信号的响应叠加,就可以得到任意输入信号情况下系统的输出。这是数字信号处理的一种基本思维方式。

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