【数字信号处理】(二)第1章、离散时间信号与系统(连续时间信号的采样—奈奎斯特采样定理、离散时间系统的时域分析、常系数线性差分方程)

目录

1.3   连续时间信号的采样

1. 理想采样

2. 理想采样信号的频谱

奈奎斯特采样定理!!!

3. 采样的恢复

4. 由采样信号序列重构带限信号

内插函数

1.4   离散时间系统的时域分析

离散时间系统表示

1. 线性系统

例题

2. 时不变系统  (移不变系统)

 ​​​例题

3. 单位抽样响应与系统的输入输出关系

4. 线性时不变系统的性质

5. 因果系统

6. 稳定系统

1.5   常系数线性差分方程


1.3   连续时间信号的采样

        连续时间信号的采样是将连续时间信号转换为离散时间信号的过程:

1. 理想采样

        在理想采样中,脉冲函数的宽度应为零,幅度应为无限大,且采样序列间的间隔也应为零。这使得采样后的离散时间信号不受采样过程的影响,并且能够完全重建原始的连续时间信号。

        然而,理想采样是一个理论概念,无法在实际中完全实现。在实际中,采样过程中会存在采样器的有限带宽、抗混叠滤波器的实际响应等因素,导致采样信号与原始信号有一定的差异。因此,在实际应用中,采用近似的采样方法,并结合合适的抗混叠滤波器进行信号重建是更常见的做法。

2. 理想采样信号的频谱

        线性时不变系统:时域相乘,频域为卷积运算!!!

 理想采样后频谱发生了什么变化 ?

 

折叠频率:采样频率的一半

奈奎斯特采样定理!!!

        要想采样后能够不失真地还原出原信号,采样频率必须大于两倍信号谱的最高频率。

        (若一个信号的最高频率为f_max,则采样率fs必须满足 fs ≥ 2*f_max)

        采样率的意义在于决定在一个特定时间段内对信号进行采样的次数。如果采样率过低,会导致采样点之间的信息丢失,即出现混叠现象(Aliasing),无法准确重构原始信号。

3. 采样的恢复

        采样的恢复是指通过对采样后的离散时间信号进行处理,以尽可能准确地重建原始连续时间信号。

        在满足奈奎斯特定理的理想采样中,采样后频谱不产生频谱混叠:

4. 由采样信号序列重构带限信号

内插函数

1.4   离散时间系统的时域分析

离散时间系统表示

        

        离散时间系统中最常用、最重要的系统是线性时不变系统

1. 线性系统

        线性系统:满足叠加原理的系统称为线性系统。

        叠加原理指系统对于输入信号的加权线性组合,其输出信号也是对应加权线性组合的关系。

 

  • 线性系统必须同时满足叠加性和齐次性
  • 信号和比例常数可以是复数;
  • 线性系统零输入产生零输出;
  • 线性系统是“信号的分解,响应的叠加”的基础

例题

        注意:线性方程表示的系统不一定是线性系统

2. 时不变系统  (移不变系统)

        指系统的行为不随时间的推移而改变。换句话说,对于给定的输入信号,系统在不同的时间点上的响应是相同的。

 ​​​例题

3. 单位抽样响应与系统的输入输出关系

4. 线性时不变系统的性质

5. 因果系统

        因果系统 :系统在任何时刻的输出只取决于该时刻以及该时刻以前的输入(系统的响应是由过去和当前的输入信号决定的,而不会受到未来输入信号的影响

        非因果系统:系统在任何时刻的输出不只取决于该时刻以及该时刻以前的输入,还取决于未来的输入 

6. 稳定系统

        稳定系统:有界输入,产生有界输出。  (BIBO

        稳定系统指系统在有限的输入范围内,输出会保持有界或趋向于某个有界区域。换句话说,稳定系统不会出现无限增长或发散的输出。

1.5   常系数线性差分方程

        常系数线性微分方程描述连续时间线性时不变系统输入输出关系

        常系数线性差分方程描述离散时间线性时不变系统输入输出关系

离散系统的差分方程表示

  • 容易直接得到系统结构
  • 便于求解系统的瞬态响应

常系数线性差分方程求解

     1. 时域法           

  • 迭代法(简单,不易得到闭合解)
  • 卷积法(用于求解系统零状态响应)

     2. 变换域法          z变换

 

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