f ( t ) → LTI (linear time-invariant systems) → y ( t ) f(t) \to \boxed{\text{LTI (linear time-invariant systems)}} \to y(t) f(t)→LTI (linear time-invariant systems)→y(t)
f ( t ) → h ( t ) → y ( t ) f(t) \to \boxed{h(t)} \to y(t) f(t)→h(t)→y(t)
y ( t ) = f ( t ) ⋆ h ( t ) y(t) = f(t) \star h(t) y(t)=f(t)⋆h(t)
傅里叶分析是将任意信号分解为无穷多项不同频率的虚指数函数之和。
周期信号:
f T ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ F n e j n Ω t f_T(t) = \displaystyle \sum^{\infty}_{n=-\infty} F_n e^{jn\Omega t} fT(t)=n=−∞∑∞FnejnΩt
非周期信号:
f ( t ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( j ω ) e j ω t d ω f(t) = \displaystyle \frac{1}{2\pi} \int^{\infty}_{-\infty} F(j\omega)e^{j\omega t} d \omega f(t)=2π1∫−∞∞F(jω)ejωtdω
频域分析中,基本信号的定义域为 ( – ∞ , ∞ ) (–\infty,\infty) (–∞,∞) ,而 t = – ∞ t= – \infty t=–∞ 总可认为系统的状态为 0 0 0 ,因此傅里叶分析中的响应指零状态响应,常写为 y ( t ) y(t) y(t)。
设 LTI 系统的冲激响应为 h ( t ) h(t) h(t) ,当激励是角频率 ω \omega ω 的基本信号 e j ω t e^{j\omega t} ejωt 时,其响应
y ( t ) = h ( t ) ⋆ e j ω t y(t) = h(t) \star e^{j\omega t} y(t)=h(t)⋆ejωt
h ( t ) h(t) h(t) 的傅里叶变换,记为 H ( j ω ) H(j\omega) H(jω) ,常称为系统的频率响应函数。
H ( j ω ) = F [ h ( t ) ] = ∫ − ∞ ∞ h ( τ ) e − j ω τ d τ H(j\omega)= \mathfrak{F} \big[ h(t)\big] =\int^{\infty}_{-\infty} h(\tau) e^{-j\omega \tau} d\tau H(jω)=F[h(t)]=∫−∞∞h(τ)e−jωτdτ
H ( j ω ) H(j\omega) H(jω) 反映了响应 y ( t ) y(t) y(t) 的幅度和相位
e j ω t → h ( t ) → H ( j ω ) ⋅ e j ω t e^{j\omega t} \to \boxed{h(t)} \to {\color{blue}H(j\omega)} \cdot e^{j\omega t} ejωt→h(t)→H(jω)⋅ejωt
一般信号
e j ω t → h ( t ) → H ( j ω ) ⋅ e j ω t ↓ 齐次性 1 2 π F ( j ω ) d ω ⋅ e j ω t → h ( t ) → 1 2 π F ( j ω ) d ω ⋅ H ( j ω ) e j ω t ↓ 可加性 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( j ω ) e j ω t d ω → h ( t ) → 1 2 π ∫ − ∞ ∞ H ( j ω ) F ( j ω ) ⋅ e j ω t d ω f ( t ) → h ( t ) → y ( t ) = F − 1 [ F ( j ω ) H ( j ω ) ] F ( j ω ) → H ( j ω ) → Y ( j ω ) = F ( j ω ) ⋅ H ( j ω ) f ( t ) → h ( t ) → y ( t ) = f ( t ) ⋆ h ( t ) \begin{aligned}\displaystyle e^{j\omega t} &\to \boxed{h(t)} \to H(j\omega) \cdot e^{j\omega t}\; \downarrow \text{齐次性}\\ \frac{1}{2\pi} F(j\omega) d \omega \cdot {\color{blue} e^{j\omega t} }&\to \boxed{h(t)} \to \frac{1}{2\pi} F(j\omega) d\omega \cdot{\color{blue} H(j\omega) e^{j\omega t}}\; \downarrow \text{可加性} \\ \frac{1}{2\pi} \int^{\infty}_{-\infty} F(j\omega)e^{j\omega t} d \omega & \to \boxed{h(t)} \to \frac{1}{2\pi} \int^{\infty}_{-\infty} H(j\omega)F(j\omega) \cdot e^{j\omega t} d\omega \\ f(t) &\to \boxed{h(t)} \to y(t) = \mathfrak{F}^{-1} \big[F(j\omega)H(j\omega)\big]\\ F(j\omega) &\to \boxed{H(j\omega)} \to {\color{red}Y(j\omega)=F(j\omega)\cdot H(j\omega)} \\ f(t) &\to \boxed{h(t)} \to y(t) = f(t) \star h(t)\\ \end{aligned} ejωt2π1F(jω)dω⋅ejωt2π1∫−∞∞F(jω)ejωtdωf(t)F(jω)f(t)→h(t)→H(jω)⋅ejωt↓齐次性→h(t)→2π1F(jω)dω⋅H(jω)ejωt↓可加性→h(t)→2π1∫−∞∞H(jω)F(jω)⋅ejωtdω→h(t)→y(t)=F−1[F(jω)H(jω)]→H(jω)→Y(jω)=F(jω)⋅H(jω)→h(t)→y(t)=f(t)⋆h(t)
步骤:
对周期输入信号,还可用傅里叶级数分析法
周期信号的指数形式傅里叶级数:
f T ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ F n e j n Ω t f_T(t) = \displaystyle \sum^{\infty}_{n=-\infty} F_n e^{jn\Omega t} fT(t)=n=−∞∑∞FnejnΩt
系统零状态响应:
y ( t ) = h ( t ) ⋆ f T ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ F n [ h ( t ) ⋆ e j n Ω t ] { e j n Ω t → h ( t ) → H ( j n Ω ) ⋅ e j n Ω t } = ∑ n = − ∞ ∞ F n H ( j n Ω ) e j n Ω t = ∑ n = − ∞ ∞ Y n e j n Ω t \begin{aligned}\displaystyle y(t) = h(t) \star f_T(t) &= \sum^{\infty}_{n=-\infty} F_n \big[h(t) \star e^{jn\Omega t} \big]\\ \Big\{e^{jn\Omega t} \to \boxed{h(t)} \to H(jn\Omega) \cdot e^{jn\Omega t}\Big\} & = \sum^{\infty}_{n=-\infty}{\color{blue} F_n H (jn\Omega)} e^{jn\Omega t}\\ & = \sum^{\infty}_{n=-\infty} {\color{blue}Y_n} e^{jn\Omega t}\end{aligned} y(t)=h(t)⋆fT(t){ejnΩt→h(t)→H(jnΩ)⋅ejnΩt}=n=−∞∑∞Fn[h(t)⋆ejnΩt]=n=−∞∑∞FnH(jnΩ)ejnΩt=n=−∞∑∞YnejnΩt
F n → H ( j n Ω ) → Y n = F n ⋅ H ( j n Ω ) F_n \to \boxed{H(jn\Omega)} \to{\color{red}Y_n=F_n\cdot H(jn\Omega)} Fn→H(jnΩ)→Yn=Fn⋅H(jnΩ)
步骤:
周期信号采用三角形式傅里叶级数
f T ( t ) = A 0 2 + ∑ n = 1 ∞ A n cos ( n Ω t + φ n ) f_T(t) = \frac{A_0}{2} + \sum^\infty_{n=1} A_n \cos\big(n\Omega t + \varphi_n\big) fT(t)=2A0+n=1∑∞Ancos(nΩt+φn)
频率响应函数 H ( j ω ) H(j\omega) H(jω)
定义: 系统零状态响应 y ( t ) y(t) y(t) 的傅里叶变换 Y ( j ω ) Y(j\omega) Y(jω) 与激励 f ( t ) f(t) f(t) 的傅里叶变换 F ( j ω ) F(j\omega) F(jω) 之比。即:
H ( j ω ) = Y ( j ω ) F ( j ω ) H(j\omega) = \displaystyle \frac{Y(j\omega)}{F(j\omega)} H(jω)=F(jω)Y(jω)
H ( j ω ) H(j\omega) H(jω) 一般为复函数, 记为:
H ( j ω ) = ∣ H ( j ω ) ∣ e j θ ( ω ) = ∣ Y ( j ω ) ∣ ∣ F ( j ω ) ∣ e j [ φ y ( ω ) − φ f ( ω ) ] H(j\omega) =\lvert H(j\omega) \rvert e^{j\theta(\omega)} = \displaystyle \frac{\lvert Y(j\omega)\rvert }{\lvert F(j\omega)\rvert } e^{j[\varphi_y(\omega) - \varphi_f(\omega)]} H(jω)=∣H(jω)∣ejθ(ω)=∣F(jω)∣∣Y(jω)∣ej[φy(ω)−φf(ω)]
∣ H ( j ω ) ∣ \lvert H(j\omega) \rvert ∣H(jω)∣ 称为幅频特性(或幅频响应), 是 ω \omega ω 的偶函数;
θ ( ω ) \theta(\omega) θ(ω) 称为相频特性(或相频响应), 是 ω \omega ω 的奇函数。
频率响应函数的求法
# 导入 需要的 library 库
import numpy as np # 科学计算
import matplotlib.pyplot as plt # 画图工具
import scipy.signal as sg # 导入 scipy 的 signal 库 重命名为 sg
# 用 Python 表示
t = np.linspace(0,4*np.pi,401)
a, b = [1,1],[-1,1] # 频率响应函数的分母 分子系数
ft = np.sin(t) + np.sin(3*t) # 激励
sys = sg.lti(b,a)
_,yt,_ = sg.lsim(sys,ft, T= t)
# 开始绘图
y1, = plt.plot(t,ft,'--',label=r'$f(t)$')
y2, = plt.plot(t,yt,label=r'$y(t)$')
plt.legend(handles=[y1,y2], loc='upper right')
plt.xticks(t[::100],[fr'${int(i/np.pi)}\pi$'for i in t[::100]])
plt.grid(True)
plt.show()
系统对于信号的作用大体可分为两类:一类是信号的传输,一类是滤波。传输要求信号尽量不失真,而滤波则要求滤去或削弱不需要的成分,必然伴随着失真。
定义:
条件:
Remark: 上述是信号无失真传输的理想条件。当传输有限带宽的信号时,只要在信号占有频带范围内,系统的幅频、相频特性满足以上条件即可。
定义:
冲激响应:
h ( t ) = F − 1 [ g 2 ω C ( ω ) e − j ω t d ] = ω C π Sa [ ω C ( t − t d ) ] \begin{aligned}h(t) & = \mathfrak{F}^{-1}\big[ g_{2\omega_C} (\omega) e^{-j\omega t_d} \big] \\ & =\frac{\omega_C}{\pi} \text{Sa} \big[\omega_C (t- t_d)\big] \end{aligned} h(t)=F−1[g2ωC(ω)e−jωtd]=πωCSa[ωC(t−td)]
结论
阶跃响应:
g ( t ) = h ( t ) ⋆ ε ( t ) = ∫ − ∞ t h ( τ ) d τ = 1 2 + 1 π Si [ ω C ( t − t d ) ] \begin{aligned}g(t) & = h(t) \star \varepsilon (t) \\ & = \int^{t}_{-\infty} h(\tau) d\tau\\ & = \frac{1}{2} + \frac{1}{\pi} \text{Si} \big[ \omega_C(t - t_d) \big] \end{aligned} g(t)=h(t)⋆ε(t)=∫−∞th(τ)dτ=21+π1Si[ωC(t−td)]
正弦积分:
Si ( y ) = ∫ 0 y sin ( x ) x d x \text{Si} (y) = \int^{y}_{0} \frac{\sin(x)}{x} dx Si(y)=∫0yxsin(x)dx
特点:
上升时间 τ r \tau_r τr :
时域特性: 因果条件
h ( t ) = 0 , t < 0 h(t) = 0, \; t<0 h(t)=0,t<0
频域特性:
佩利-维纳准则 (必要条件) { ∫ ∞ ∞ ∣ H ( j ω ) ∣ 2 d ω < ∞ 平方可积条件 ∫ ∞ ∞ ∣ ln ∣ H ( j ω ) ∣ ∣ 1 + ω 2 d ω < ∞ \begin{aligned}\underset{{\color{red}\text{(必要条件)}}}{{\color{blue}\text{佩利-维纳准则}}} \begin{cases} &\displaystyle\int^{\infty}_{\infty}\lvert H(j\omega) \rvert ^2 d\omega < \infty \\ &\text{平方可积条件} \\ \\ &\displaystyle\int^{\infty}_{\infty}\frac{\lvert \ln \lvert H(j\omega) \rvert \rvert}{1+\omega^2} d\omega < \infty \end{cases} \end{aligned} (必要条件)佩利-维纳准则⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧∫∞∞∣H(jω)∣2dω<∞平方可积条件∫∞∞1+ω2∣ln∣H(jω)∣∣dω<∞
Remark:
几种常见的实际滤波器
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