线性时不变系统就是同时满足线性系统和时不变系统。
1. 线性系统
系统的输入输出之间满足线性叠加原理的系统称为线性系统。即
y 1 ( n ) = T [ a 1 x 1 ( n ) ] , y 2 ( n ) = T [ a 2 x 2 ( n ) ] y_1(n)=T[a_1x_1(n)],y_2(n)=T[a_2x_2(n)] y1(n)=T[a1x1(n)],y2(n)=T[a2x2(n)]
则有
T [ a 1 x 1 ( n ) + a 2 x 2 ( n ) ] = y 1 ( n ) + y 2 ( n ) T[a_1x_1(n)+a_2x_2(n)]=y_1(n)+y_2(n) T[a1x1(n)+a2x2(n)]=y1(n)+y2(n)
2.时不变系统
系统对于输入信号的运算关系在整个过程中不随时间变化称为时不变系统。即
y ( n ) = T [ x ( n ) ] y(n)=T[x(n)] y(n)=T[x(n)]
则
y ( n − n 0 ) = T [ x ( n − n 0 ) ] y(n-n_0)=T[x(n-n_0)] y(n−n0)=T[x(n−n0)]
非线性时变系统就是不满足上述两个系统的性质。
对于线性时不变系统,由于其具有叠加性,齐次性,时不变性,故能实现将任意信号在时域分解为简单单元信号的线性组合,那么只要得到LTI系统对基本信号的响应,就可以利用系统的线性特性,将系统的输出响应表示成系统对基本信号的响应的线性组合.
也称 δ \delta δ函数。若在一维空间中,自变量为时间t的函数,满足下述两个条件:
δ ( t ) = { + ∞ , t = 0 ; 0 , t ≠ 0 ; \delta(t)=\begin{cases} +∞,t=0; \\ 0, \space\space\space\space\space\space\space t\neq0;\end{cases} δ(t)={+∞,t=0;0, t=0;
∫ − ∞ ∞ δ ( t ) d t = 1 \int_{-∞}^{∞}{\delta(t)dt}=1 ∫−∞∞δ(t)dt=1
δ \delta δ函数是一种广义函数,也可以扩展到多维空间中,它的确切意义应该在积分运算下理解:其积分曲线高度为“无限高”,而宽度为“无限窄”,曲线下的面积等于1。δ函数有下述关系式
∫ − ∞ ∞ δ ( t ) d t = { 1 , a < 0 < b ; 0 , o t h e r ; \int_{-∞}^{∞}{\delta(t)dt}=\begin{cases} 1,a<0∫−∞∞δ(t)dt={1,a<0<b;0, other;
注: 对脉冲函数积分得到阶跃函数
冲激函数和脉冲函数的性质相同,区别在于单位冲激函数和单位脉冲函数极限逼近方式不同。
脉冲函数图:
冲激函数图:
注:两者概念上不是一个东西,但两者在计算上可以视为等效。
将x(t)用一系列的矩形脉冲近似,如下图:
第k个矩形可表示为 x ( k Δ ) δ Δ ( t − k ( k Δ ) ) ⋅ Δ x(k\Delta)\delta_{\Delta}(t-k(k\Delta))·\Delta x(kΔ)δΔ(t−k(kΔ))⋅Δ,这些矩形叠加起来就成为阶梯形信号 x Δ ( t ) x_{\Delta}(t) xΔ(t) ,即
x Δ ( t ) = ∑ k = − ∞ ∞ x ( k Δ ) δ Δ ( t − k ( k Δ ) ) ⋅ Δ x_{\Delta}(t) =\sum_{k=-∞}^{∞}{x(k\Delta)\delta_{\Delta}(t-k(k\Delta))·\Delta} xΔ(t)=k=−∞∑∞x(kΔ)δΔ(t−k(kΔ))⋅Δ
当 Δ → 0 \Delta →0 Δ→0时, k Δ → τ k\Delta→ \tau kΔ→τ , δ Δ ( t − k ( k Δ ) ) → δ ( t − τ ) \delta_{\Delta}(t-k(k\Delta))→\delta(t - \tau) δΔ(t−k(kΔ))→δ(t−τ) , Δ → d τ \Delta→d\tau Δ→dτ , ∑ → ∫ \sum→\int ∑→∫,于是有:
x ( t ) = ∫ − ∞ ∞ x ( τ ) δ ( t − τ ) d τ x(t) = \int_{-∞}^{∞}{x(\tau)\delta(t - \tau)d\tau} x(t)=∫−∞∞x(τ)δ(t−τ)dτ
这一公式可根据 δ ( t ) \delta(t) δ(t)的性质直接推导得出
∫ − ∞ ∞ x ( τ ) δ ( t − τ ) d τ = ∫ − ∞ ∞ x ( t ) δ ( t − τ ) d τ = x ( t ) ∫ − ∞ ∞ δ ( t − τ ) d τ = x ( t ) \int_{-∞}^{∞}{x(\tau)\delta(t - \tau)d\tau}=\int_{-∞}^{∞}{x(t)\delta(t - \tau)d\tau}=x(t)\int_{-∞}^{∞}{\delta(t - \tau)d\tau} = x(t) ∫−∞∞x(τ)δ(t−τ)dτ=∫−∞∞x(t)δ(t−τ)dτ=x(t)∫−∞∞δ(t−τ)dτ=x(t)
注: 任何连续时间信号x(t)都可以被分解为无数多个移位加权的单位冲激信号的线性组合。
当我们输入其他信号测试系统以求输出的时候,只要求该信号和系统冲激响应信号的卷积就可以了,这就是卷积的非常重要的应用。
单位冲激响应:系统对连续时间信号 δ ( t ) \delta (t) δ(t)的响应,定义为 h ( t ) h(t) h(t)
根据 Δ → 0 \Delta →0 Δ→0, k Δ → τ k\Delta→ \tau kΔ→τ , Δ → d τ \Delta→d\tau Δ→dτ,可得:
∫ − ∞ ∞ x ( τ ) δ ( t − τ ) d τ → ∫ − ∞ ∞ x ( τ ) h ( t − τ ) d τ → y ( t ) = x ( t ) ∗ h ( t ) \int_{-∞}^{∞}{x(\tau)\delta(t - \tau)d\tau}→\int_{-∞}^{∞}{x(\tau)h(t - \tau)d\tau}→y(t) = x(t)*h(t) ∫−∞∞x(τ)δ(t−τ)dτ→∫−∞∞x(τ)h(t−τ)dτ→y(t)=x(t)∗h(t)
结合我们要解决的问题:
总结:只要知道了系统的单位冲激响应 h ( t ) h(t) h(t),就可以求得系统对任何 x ( t ) x(t) x(t)所产生的响应 y ( t ) y(t) y(t)。说明系统的单位冲激响应 h ( t ) h(t) h(t)可以完全表征一个系统。
单位阶跃响应就是指系统在接收到单位阶跃函数输入后产生的零状态响应。阶跃函数与冲激函数之间具有微分和积分的关系。
计算并画出系统的冲激响应。
num=[0 1 3];
den=[1 2 3];
impulse(num,den);
计算并画出系统的阶跃响应曲线。
num=[0 1 3];
den=[1 2 3];
step(num,den);
matlab中自带的可以用来解决部分常微分方程的函数(方法)
%desolve函数
h = dsolve('D2h + 2 * Dh + 50 * h =0','Dh(0)=1','h(0)=0');
t = 0:0.001;6;
axis([0,6,-0.08,0.12])
ezplot(h,[0,6]);
频率响应函数表征了测试系统对给定频率下的稳态输出与输入的关系。这个关系具体是指输出、输入幅值之比与输入频率的函数关系,和输出、输入相位差与输入频率的函数关系。
频率响应函数直观地反映了测试系统对各个不同频率正弦输入信号的响应特性。频率响应是指系统本身的性质,而脉冲响应与阶跃响应都是系统应对输入信号时的反应。
冲激响应的双边傅里叶变换就是频域传递函数或系统频域响应。
频响曲线是指,在实际测试环境中,使信号发生器的输出信号频率发生连续变化(即通常说的“扫频”)并保持幅度不变,在输出端通过示波器或者其它一些记录仪将放大器对于这种连续变化相应的输出电平记录下来,就可以在一个坐标上描绘出一个电平对应频率的曲线。这个坐标的纵坐标是电平,横坐标是频率。
注:(拓展)
结合实际场景分析: 在回声消除模块中,远端信号通过扬声器播放到麦克风采集这一过程相当于一个系统(扬声器播放+信号传播+麦克风采集三个系统),我们想要得到频响曲线:首先第一步要知道整个系统的冲激响应,之后进行傅里叶变换得到频率响应,连续的信号经过测试就可采集到频响曲线。