信号系统(一)——简单信号与系统的性质

一、信号
1.连续时间信号和离散时间信号
信号基本上就是关于时间的函数,研究信号就是研究函数的性质。只不过,信号相比于函数更有一点“现实”的意味,更加贴近真实世界。
信号分为连续时间信号和离散时间信号。这两者虽然在数学本质上不尽相同,但后面我们会发现在各种计算中,两者都有几乎相同的表现——无非就是离散者用求和、连续者用积分,将求和稠密化或是将积分离散化都能使其形式相互转化。
为了从数学符号上就能体现两者的差异,连续时间信号以 表示,离散时间信号以 表示。离散信号只能在整数时间上取值。值得注意的是,必须时刻谨记,信号的取值可以是复数。
2.信号的能量与功率
我们知道,对于一个电阻,它在一段时间内消耗的能量、及其平均功率是:
可以以相似的算法定义信号的能量及功率。在数学上,系数 是完全可以忽略掉的,因此定义连续信号的能量与功率(注意信号可以是复量,因此需要首先取模再平方):
类似地,将上述积分离散化,即得离散信号的能量与功率:
当我们将积分(求和)区间取为全体实数,也就是上下限为正负无穷时,就可以通过能量与功率区分信号的性质:
- 当 或 收敛,那么必有 。这类信号具有有限能量与为 的功率。
- 当 收敛,那么 必然发散。这类信号的功率是有限值,而能量是无限的。
- 当 发散,那么 也必然发散。这类信号的功率和能量都是无限的。
3.信号的奇偶与周期
对于信号 11 在这一小节中,连续信号和离散信号是一样的,因此这个函数同时也指代离散信号,当我们对时间做变换 ,那么相当于将时间反演;做变换 ,那么相当于将时间延后了 。
一些信号在做时间反演时并不产生变化,也就是 ,那么这是一个偶信号。有一些在时间反演后会反相,也就是 ,那么这是一个奇信号。信号并非非奇即偶,也有些信号既非偶信号也非奇信号。
一些信号在特定的 下做时间平移时不产生变化,也就是 ,那么这是一个周期信号,并将 称为它的周期。对于周期信号而言,不论将时间延后周期的多少整数倍,它都必然不产生变化,也就是 。在各周期中,存在一个最小的正数 使得 是这个信号的周期,那么 称为它的基波周期。
一些信号并不能找到 使其符合 ,那么这是一个非周期信号。信号要么是周期的,要么是非周期的。
让我们重新看回函数的奇偶性。对于任意信号 ,能否找到一对奇偶信号,使得这对信号的叠加就是 ?答案是肯定的。不妨将这对奇偶信号的偶信号记为 ,奇信号记为 ,那么:
上列第二方程是第一方程时间反演后的结果,解得:
二、指数信号与正弦信号
实际上,由于欧拉公式 ,指数函数与正弦(余弦)函数之间是可互化的。因此,讨论指数信号,就相当于已经讨论了正弦信号。仿照上述求信号偶部奇部的做法:
解得:
1.连续时间的指数信号
连续时间的指数信号的通式是:
其中 并不限制在实数域内。当 都是实数时,这样的实指数函数我们都已非常熟悉,不再介绍;而其它的指数信号总能由一个基本的指数函数得来,即限制 为实数 ,而 为纯虚数 :
由于欧拉公式,显而易见 ,因此:
从而 是一个以 为周期的周期信号,且其基波周期为 。
因此对于正弦余弦信号 ,可以展开为:
又或者,直接从欧拉公式出发,写为:
现在我们来讨论 是复数的情况。由于函数 既是周期的、又是单位的,因此任意向量形式复数 总能用指数形式 直接表达,也就是:
那么,总能令 来表示 这个复数,但又令 以向量形式 表示,于是:
仿照三角函数形式的写法,将后一项写为 的形式:
那么,上式中 显然代表了一个三角函数;但系数 也是时变的,当 时它随时间变小,限制了三角函数的振幅——称之为阻尼震荡。
2.离散时间的指数信号
让我们直接研究 , 为纯虚数的情况。此时:
由于离散时间是离散取值的,因此在“周期”这种事上与连续时间有极大不同!尽管依然存在 ,但是:
最后一个不等号是在说,尽管形式上 ,但实际上,由于 大概率不是整数,因此 这种离散信号大概率根本就是不存在的——也就是说,离散指数信号的基波周期决不能简单地认为是 !
因此,离散指数信号的基波周期,应当是当 取值不同时、一系列 中,能够取到整数值的最小值——注意!有时这甚至是不存在的!有些 ,例如无理数 ,就会使得离散指数信号根本不存在周期。这就为周期离散指数信号的 的取值提出了要求,即应当存在整数 使 成立,也就是 成立,也就是 必须为有理数时才能使这个离散指数信号是周期的。
另一个有趣的点是,对任意自变量 ,由于 也总是成立的,那么:
因此让离散指数信号的频率 增加 ,那么得到的新离散指数信号与旧的并没有区别!
由于三角函数与指数函数是可互化的,上述的讨论对离散正弦(余弦)信号同样成立。
三、单位阶跃函数
所谓单位阶跃函数,是指一个函数只有两个取值即 。当自变量为负数时取 ,为零和正数的时候取 ,记为 或 。因此连续时间与离散时间的单位阶跃函数形式上基本是相同的:
四、单位冲激函数
对单位阶跃函数做微分或差分,得到的就是单位冲激函数,记为 或 。或者说,对单位冲激函数做积分或求和,得到的就是单位阶跃函数。
1.离散时间的单位冲激函数
根据上述的定义,容易写出:
因而对上式做逆运算,得到 。这就容易得到 的解析表达:
由于 只在 时才取值为 ,因而对任意信号 总存在:
当我们对 做时间平移 后,上式可以改写为:
这称为单位冲激函数的采样性质。
2.连续时间的单位冲激函数
由于单位阶跃函数是不连续的,因此严格来讲单位阶跃函数的微分是不存在的。但是我们暂时回避严谨的问题,只考虑形式上单位冲激函数应当如何得到。由于:
而 在 的一瞬间就变成了 、此后不再变化,因此完全可以设想 是这样一个函数:它只在 时具有一个无穷大但又“确定”的取值,恰恰使得:
或者应当不严谨地说,连续时间单位冲激函数在 处的取值 ,恰好与极短时间 形成的长方形的面积 。
与离散情况下完全相同,连续时间单位冲激函数也对连续信号具有采样性质,即:
五、系统及其性质
就像信号基本上认为是函数一样,系统也基本上认为是关于两个函数的方程——甚至说,是函数的函数。对系统输入一个信号 ,那么也将输出一个信号 :
由方程的性质,我们给出系统的六大性质:
1.记忆性
当一个系统的输出仅取决于此时的输入,那么称之为无记忆的。尽管记忆这个词具有“过去”的意味,但实际上,如果系统的输出与未来的输入有关,也会将它定义为记忆的。
一种简单的无记忆系统是恒等系统 。一些简单的记忆系统是延时器 ,以及累加器 。
2.可逆性
一个系统只要对不同的输入、必有不同的输出,那么它就是可逆的。这就是说,要求这个函数的函数具有反函数。一个简单的不可逆的例子就是 。
3.因果性
因果性和记忆性有些相像:如果一个系统的输出仅取决于过去和此时的输入,那么称之为因果的。因此,因果性的系统是排斥未来的输入的。并且,如果一个系统的记忆的,那么也必然是因果的。
4.稳定性
当一个系统的输入是有界的、其输出亦是有界的,那么这个系统是稳定的。因此,如果能找到一个有界输入却产生无界输出,就可以证明这个系统是不稳定的、发散的。
5.时不变性
当我们对输入做时间平移 时,输出也做出相同的时间平移变换 ,也就是当有 时必有 ,那么系统是时不变的。
6.线性
线性可以分为两个部分:可加性与齐次性。可加性是说,任意输入的叠加的输出,等于输入的输出的叠加;也就是当有 时,必有 。
齐次性是说,任意输入按任意比例正比变换之后,输出也按相同比例正比变换。也就是当有 时,必有 。值得注意的是, 并不限定是实数,也可是复数!
一个系统若同时是可加的与齐次的,那么它就是线性的。也就是说,任意输入的线性组合的输出,等于输入的输出按相同权重的线性组合。也就是当有 时,必有 。