《现代通信原理、技术与仿真》课件第2章.ppt
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1、1 1第第2章章 确定信号分析确定信号分析第2章 确定信号分析2.1信号的正交分解与频谱分析2.2能量信号与功率信号 2.3相关函数与功率谱密度函数2.4傅立叶变换的不足与信号的时-频分析法2.5窄带系统与窄带信号分析2.6复数信号与时域希尔伯特(Hilbert)变换2.7计算机仿真的一般方法习题2 2第第2章章 确定信号分析确定信号分析 2.1信号的正交分解与频谱分析2.1.1信号的正交分解若某信号x(t)在区间(t0,t0+T)内是分段连续的,则x(t)可以用该区间内的正交函数系uk(t)=u0(t),u1(t),中的各分量来表示。这就是信号的正交展开。所谓正交函数系,是指uk(t)在(t
2、0,t0+T)范围内满足:(2.1)式中,若C=1,则称uk(t)为标准正交函数系。3 3第第2章章 确定信号分析确定信号分析x(t)用正交函数系uk(t)可展开为 (2.2)式中,uk(t)是正交函数系uk(t)中序号为k的函数;ak是x(t)在uk(t)上展开的特征向量,也称为展开系数,即x(t)在分量uk(t)上投影的大小。可见,正交展开就是把x(t)用在正交函数系各分量上的投影来描述。4 4第第2章章 确定信号分析确定信号分析利用式(2.1)和式(2.2)可以容易地求出系数ak。将式(2.2)两边乘以ul(t),并在区间(t0,t0+T)内积分,得:(2.3)所以 (2.4)5 5第第
3、2章章 确定信号分析确定信号分析当C=1时,有:(2.5)6 6第第2章章 确定信号分析确定信号分析当对x(t)的展开式(2.2)取有限项时,会带来一定的误差,若取k=N有限项,则截断展开式 为 (2.6)这时x(t)与 的均方误差Q为 (2.7)显然,恒有Q0。7 7第第2章章 确定信号分析确定信号分析设uk(t)为标准化正交函数系,则 (2.8)因而得:(2.9)8 8第第2章章 确定信号分析确定信号分析以上不等式对任何标准正交函数系都成立,称为贝塞尔(Bessel)不等式。这说明任何函数x(t)的正交展开式中的系数的平方和总是收敛的。显然,随着N值的增加,是单调增大的。当N取足够大时,可
4、以使 任意逼近于 ,那么应有:(2.10)9 9第第2章章 确定信号分析确定信号分析在这种情况下,uk(t)是完备的正交函数系,这时不需要其他不属于uk(t)的函数来补充参加x(t)的精确展开。式(2.10)称为完备性关系,它是描述x(t)总能量的关系式,称为信号的瑞利-帕斯瓦尔(Rayleigh-Parseval)定理。该定理指出:能量信号的总能量等于它的正交展开的各项分量的能量之和。1010第第2章章 确定信号分析确定信号分析2.1.2信号的频谱分析信号的傅立叶分析就是对信号用完备正交的三角函数系展开的分析方法。傅立叶分析又称为信号的频谱分析,是分析确定信号的基本方法。在“信号与系统”课程
5、中已学过,对周期信号x(t),可用傅立叶级数展开为 (2.11)(2.12)式中,T为信号x(t)的周期;cn是信号x(t)展开后n次谐波的系数;0=2/T,为周期信号的基波角频率。1111第第2章章 确定信号分析确定信号分析对于非周期信号x(t),可用傅立叶变换求出信号的频谱密度函数X(),即 (2.13)(2.14)x(t)与X()的关系常记为其中,符号“”表示傅立叶变换对。1212第第2章章 确定信号分析确定信号分析傅立叶变换提供了信号的时域表示与频域表示之间的变换工具。在通信系统中,为了统一描述周期信号和非周期信号,对周期信号也同样采用频谱密度函数来表示。周期信号x(t)的频谱密度函数
6、X()可通过式(2.11)和式(2.13)求得,即 (2.15)由式(2.15)可以看出,周期信号的频谱密度函数是由一系列冲激离散频谱构成的,这些冲激位于信号基频(0=2/T)的各次谐波处,即n0(n=0,1,2,)。1313第第2章章 确定信号分析确定信号分析为了方便计算周期信号x(t)的频谱密度函数X(),也可将x(t)在一个周期内截断,得到信号xT(t),然后求出xT(t)的傅立叶变换XT(),再对得到的XT()的周期进行延拓,从而求得X()。下面介绍这种方法。1414第第2章章 确定信号分析确定信号分析设xT(t)为x(t)在一个周期内的截断信号,即 (2.16)而1515第第2章章
7、确定信号分析确定信号分析则有:(2.17)比较式(2.15)与式(2.17)可得:(2.18)由此可见,由于引入了()函数,对周期信号和非周期信号都可统一用信号的傅立叶变换(即频谱密度函数)来表示。1616第第2章章 确定信号分析确定信号分析【例2.1】设周期矩形信号x(t)如图2.1(a)所示,试求其频谱密度函数X()。解:设xT(t)为x(t)在一个周期内的截断信号,如图2.1(b)所示,则有XT()如图2.1(c)所示。1717第第2章章 确定信号分析确定信号分析由式(2.17)得:若T=2,则有:X()如图2.1(d)所示。1818第第2章章 确定信号分析确定信号分析图2.1周期矩形信
8、号及其频谱密度函数1919第第2章章 确定信号分析确定信号分析以上讨论了周期信号和非周期信号的频谱分析方法。然而,把确定信号分为周期信号和非周期信号有一定的局限性,如在通信系统中,常会遇到一类非正规信号,它是一种确定信号,因为从理论上总能找到一种函数来近似表示它,但它既不是周期信号,也不是有始有终的非周期信号,如图2.2所示。对这类非正规信号应如何描述呢?下面将进一步研究。2020第第2章章 确定信号分析确定信号分析图2.2非正规信号2121第第2章章 确定信号分析确定信号分析 2.2能量信号与功率信号2.2.1能量信号与能量谱密度函数能量信号x(t)是指一个在时域上有始有终、能量有限的信号,
9、如图2.3所示。设x2(t)是信号在单位负载(1 电阻)上产生的功率,则在dt的时间内信号的能量为x2(t)dt,x(t)在整个时域内的能量E为 (2.19)由上式可见,能量信号在全时域(t)内平均功率为0。2222第第2章章 确定信号分析确定信号分析图2.3能量信号2323第第2章章 确定信号分析确定信号分析设能量信号x(t)的频谱密度函数为X(),信号的能量为 (2.20)2424第第2章章 确定信号分析确定信号分析其中:G()=|X()|2 (2.21)为能量信号的能量谱密度函数,它表示单位频带上的信号能量,表明信号的能量在频率轴上的分布情况。2525第第2章章 确定信号分析确定信号分析
10、式(2.21)说明,能量信号x(t)的能量谱密度函数G()等于它的频谱密度函数X()的模平方。式(2.20)可重新写为 (2.22)或 (2.23)式(2.22)和式(2.23)表明,信号x(t)的能量为能量谱在频域内的积分值。式(2.22)称为能量信号的帕斯瓦尔(Parseval)定理。2626第第2章章 确定信号分析确定信号分析2.2.2功率信号与功率谱密度函数功率信号是指信号x(t)在时域内无始无终,信号的能量无限,即,但平均功率有限的信号,如图2.4(a)所示。2727第第2章章 确定信号分析确定信号分析图2.4功率信号及其截断信号2828第第2章章 确定信号分析确定信号分析功率信号x
11、(t)的平均功率定义为 (2.24)式中,xT(t)是x(t)在区间T/2,T/2内的截断信号,为能量信号,如图2.4(b)所示。式(2.24)表明,功率信号x(t)的平均功率可用由截断信号xT(t)在区间T/2,T/2内的平均功率求极限的方法得到。2929第第2章章 确定信号分析确定信号分析周期信号是无始无终的,它在整个时域内能量无限,而功率有限,因此周期信号是典型的功率信号。设周期信号的周期为T0,则其平均功率表示为 (2.25)式(2.25)表明,周期信号的平均功率可在信号的一个周期内求平均得到。3030第第2章章 确定信号分析确定信号分析功率信号常用信号的功率谱来描述。设功率信号x(t
12、)的截断信号xT(t)的频谱密度函数为XT(),由式(2.22)所示的能量信号的帕斯瓦尔定理,有 (2.26)将式(2.26)代入式(2.24),得功率信号x(t)的平均功率为 (2.27)3131第第2章章 确定信号分析确定信号分析其中:(2.28)为功率信号x(t)的功率谱,它为单位频带上的信号功率,表示信号功率在频率轴上的分布情况。由式(2.27)得:(2.29)式(2.29)表明,信号x(t)的功率为功率谱在频域内的积分值。3232第第2章章 确定信号分析确定信号分析对于功率信号中的典型信号周期信号,其功率谱可利用以上方法求得。设周期信号x(t)的周期为T0,xT(t)为x(t)的截断
13、信号,其频谱密度函数为XT()。xT(t)可视为x(t)与矩形窗函数的乘积,即 (2.30)(2.31)3333第第2章章 确定信号分析确定信号分析根据频域卷积定理,有:(2.32)式中,X()为x(t)的傅立叶变换,Frect()是窗函数rect()的傅立叶变换,分别为 (2.33)(2.34)3434第第2章章 确定信号分析确定信号分析式中,为周期信号x(t)的傅立叶级数的系数。将式(2.33)和式(2.34)代入式(2.32)中,得:(2.35)而 (2.36)3535第第2章章 确定信号分析确定信号分析当T时,有:(2.37)将式(2.37)代入式(2.36)得:(2.38)3636第
14、第2章章 确定信号分析确定信号分析将式(2.38)代入式(2.28),得信号的功率谱为 (2.39)3737第第2章章 确定信号分析确定信号分析因为,所以式(2.39)为 (2.40)3838第第2章章 确定信号分析确定信号分析可见,周期信号的功率谱密度函数是由一系列离散冲激组成的,它们分别出现在x(t)的基波分量的各次谐波上。若将P()在全频域上积分,就可得到信号的功率,即 (2.41)式(2.41)称为功率信号的帕斯瓦尔(Parseval)定理。3939第第2章章 确定信号分析确定信号分析2.3相关函数与功率谱密度函数2.3.1能量信号的相关函数设信号x1(t)和x2(t)都为能量信号,则
15、定义它们的互相关函数R12()为 (2.42)若x1(t)=x2(t)=x(t),则定义 (2.43)为x(t)的自相关函数。4040第第2章章 确定信号分析确定信号分析【例2.2】设x1(t)、x2(t)如图2.5(a)、(b)所示,试求两信号的互相关函数R12()。解:由图可见,x1(t)和x2(t)的表示式分别为4141第第2章章 确定信号分析确定信号分析根据互相关函数的计算式(2.42),R12()为0时,x2(t+)是x2(t)在t轴上向左移的结果。所以乘积x1(t)x2(t+)存在的积分区间为t=0到t=a,如图2.5(c)所示,于是有:4242第第2章章 确定信号分析确定信号分析
16、同理,0时有:求解过程如图2.5(d)所示。x1(t)与x2(t)的互相关函数R12()在区间a,a上,结果如图2.5(e)所示。4343第第2章章 确定信号分析确定信号分析图2.5互相关函数的求解过程4444第第2章章 确定信号分析确定信号分析【例2.3】x(t)如图2.6(a)所示,试求x(t)的自相关函数R()。解:x(t)为一矩形脉冲,其表示式为 求解自相关函数R()的步骤与例2.2相同,关键在于确定x(t)x(t+)的积分区间。4545第第2章章 确定信号分析确定信号分析0时有:0时有:R()的求解过程如图2.6(b)、(c)所示,R()曲线如图2.6(d)所示。4646第第2章章
17、确定信号分析确定信号分析图2.6自相关函数的求解过程4747第第2章章 确定信号分析确定信号分析相关函数的积分运算与卷积积分运算的主要区别如下:(1)卷积运算是无序的,即x1(t)*x2(t)=x2(t)*x1(t);相关函数的积分运算是有序的,即R12()R21()。由式(2.42)有:(2.44)4848第第2章章 确定信号分析确定信号分析(2)对于同一个时间位移值,相关运算与卷积运算中位移函数的移动方向是相反的。(3)卷积是求解信号通过线性系统输出的方法,而相关是信号检测和提取的方法。这在以后章节中会进一步讨论。(4)当信号x(t)通过一个线性系统时,若系统的冲激响应h(t)=x(t),
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