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📘 第1章 信号与系统概述

信号是信息的载体,系统是对信号进行加工处理的物理装置或算法。

1.1 信号的概念 常考

🎯 学习目标:理解连续/离散、周期/非周期、能量/功率信号的基本概念与分类。

信号的分类

连续信号
自变量连续取值,记作 $f(t)$
如:$f(t) = \sin(\omega t)$
离散信号
自变量取离散值,记作 $f(k)$
如:$f(k) = a^k u(k)$
周期信号
满足 $f(t) = f(t + mT)$,$T$ 为周期
离散周期:$f(k) = f(k + mN)$
非周期信号
不存在这样的 $T$ 使等式成立
能量信号
$$ E = \int_{-\infty}^{\infty} |f(t)|^2 dt < \infty $$
功率信号
$$ P = \lim_{T\to\infty} \frac{1}{T}\int_{-T/2}^{T/2} |f(t)|^2 dt < \infty $$
💡 关键点:周期信号一定是功率信号;能量信号一定是非周期信号;一个信号不可能同时是能量信号和功率信号。

1.2 信号的运算 常考

基本运算

信号的运算包括:加法、乘法、平移、反转、尺度变换。

加法

$$ f_1(t) + f_2(t) $$

乘法

$$ f_1(t) \cdot f_2(t) $$

平移

$$ f(t - t_0) $$

反转

$$ f(-t) $$

尺度变换

$$ f(at), a > 0 $$
重点 综合运算顺序

对 $f(t)$ 进行 $f(at + b)$ 变换时,运算顺序为:

先平移,再尺度变换(也可以先尺度变换再平移,但平移量需调整)

$$ f(t) \xrightarrow{\text{平移}} f(t + b) \xrightarrow{\text{尺度}} f(at + b) $$

注意:$f(at + b) = f\left[a\left(t + \frac{b}{a}\right)\right]$,即先尺度再平移时平移量为 $b/a$

1.3 阶跃信号和冲激信号 必考

单位阶跃信号

连续阶跃信号 $$ u(t) = \begin{cases} 1, & t > 0 \\ 0, & t < 0 \end{cases} $$
离散阶跃序列 $$ u(k) = \begin{cases} 1, & k \geq 0 \\ 0, & k < 0 \end{cases} $$

单位冲激信号

连续冲激函数 $$ \delta(t) = \begin{cases} \infty, & t=0 \\ 0, & t\neq 0 \end{cases}, \quad \int_{-\infty}^{\infty} \delta(t) dt = 1 $$
离散单位序列 $$ \delta(k) = \begin{cases} 1, & k=0 \\ 0, & k\neq 0 \end{cases} $$

冲激函数的性质

取样性

$$ f(t)\delta(t) = f(0)\delta(t) $$ $$ \int_{-\infty}^{\infty} f(t)\delta(t) dt = f(0) $$

偶对称

$$ \delta(-t) = \delta(t) $$

尺度变换

$$ \delta(at) = \frac{1}{|a|}\delta(t) $$

冲激偶

$$ \int_{-\infty}^{\infty} f(t)\delta'(t) dt = -f'(0) $$
💡 阶跃与冲激的关系:$\displaystyle \frac{d}{dt}u(t) = \delta(t)$,$\displaystyle u(t) = \int_{-\infty}^{t} \delta(\tau) d\tau$

1.4 系统概念与分类 常考

系统分类

线性系统

满足齐次性和叠加性
$$ T[af_1 + bf_2] = aT[f_1] + bT[f_2] $$

时不变系统

参数不随时间变化
$$ T[f(t-t_0)] = y(t-t_0) $$

因果系统

输出只取决于当前及过去输入
$$ t < t_0 \text{时} f(t)=0 \Rightarrow t < t_0 \text{时} y(t)=0 $$

稳定系统

有界输入产生有界输出
BIBO: $|f(t)| \leq M_f \Rightarrow |y(t)| \leq M_y$
重要 线性判据

判断 $y(t) = t f(t)$ 是否为线性系统:

$T[af_1+bf_2] = t[af_1(t)+bf_2(t)] = a[t f_1(t)] + b[t f_2(t)] = a y_1(t) + b y_2(t)$ ✓ 线性

判断 $y(t) = f^2(t)$ 是否为线性系统:

$[af_1+bf_2]^2 = a^2 f_1^2 + 2ab f_1f_2 + b^2 f_2^2 \neq a f_1^2 + b f_2^2$ ✗ 非线性

1.5 LTI系统的性质 必考

🎯 LTI = 线性(Linear) + 时不变(Time-Invariant) — 信号与系统课程的核心研究对象。

LTI系统的性质

线性

满足齐次性和叠加性

时不变性

响应波形形状与起始时间无关

微分性质

若 $f(t) \to y(t)$,则 $f'(t) \to y'(t)$

积分性质

若 $f(t) \to y(t)$,则 $\int f(t)dt \to \int y(t)dt$
⚠ 注意:因果性 + 稳定性是LTI系统可实际实现的重要条件。

1.6 系统的描述方法 常考

微分方程(连续系统)

n 阶LTI连续系统:

$$ \frac{d^n y}{dt^n} + a_{n-1}\frac{d^{n-1}y}{dt^{n-1}} + \cdots + a_0 y = b_m\frac{d^m f}{dt^m} + \cdots + b_0 f $$

差分方程(离散系统)

n 阶LTI离散系统:

$$ y(k+n) + a_{n-1}y(k+n-1) + \cdots + a_0 y(k) = b_m f(k+m) + \cdots + b_0 f(k) $$

系统框图

系统框图使用基本运算单元(加法器、乘法器、积分器/延迟器)描述系统结构。

💡 微分方程 ⟷ 系统框图 — 两者可以互相转换,是描述同一系统的不同方式。

📗 第2章 连续系统的时域分析

在时间域中研究LTI连续系统对信号的响应。

2.1 LTI连续系统的响应 必考

微分方程的经典解法

n 阶系统微分方程:

$$ y^{(n)}(t) + a_{n-1}y^{(n-1)}(t) + \cdots + a_0 y(t) = b_m f^{(m)}(t) + \cdots + b_0 f(t) $$

全响应 = 齐次解 + 特解

齐次解 $y_h(t)$
由特征方程 $\lambda^n + a_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + a_0 = 0$ 的根决定
反映系统的固有特性
特解 $y_p(t)$
由输入信号的形式决定
反映系统对外部激励的响应

另一种分解:零输入响应 + 零状态响应

零输入响应 $y_{zi}(t)$
无外部输入,仅由初始状态引起
满足 $y_{zi}^{(n)} + a_{n-1}y_{zi}^{(n-1)} + \cdots + a_0 y_{zi} = 0$
零状态响应 $y_{zs}(t)$
初始状态为0,仅由外部输入引起
$$ y_{zs}(t) = f(t) * h(t) $$
💡 $0_-$ 初始条件:在 $t=0$ 输入接入前瞬间的状态,反映系统的历史储能。$0_+$ 状态由 $0_-$ 状态和 $t=0$ 处的输入跳变共同决定。

零输入响应 $y_{zi}(t)$ 的求解步骤

1
写出齐次方程:令方程右端为0,$y_{zi}^{(n)} + a_{n-1}y_{zi}^{(n-1)} + \cdots + a_0 y_{zi} = 0$
2
列特征方程:$\lambda^n + a_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + a_0 = 0$,求出特征根
3
写出齐次解形式:单根 $\to C e^{\lambda t}$,重根 $\to (C_1 + C_2 t + \cdots)e^{\lambda t}$,共轭复根 $\to e^{\alpha t}(A\cos\beta t + B\sin\beta t)$
4
利用 $0_-$ 初始条件定系数:$y_{zi}^{(j)}(0_+) = y_{zi}^{(j)}(0_-) = y^{(j)}(0_-)\;(j=0,1,\cdots,n-1)$,因为零输入响应在 $t=0$ 处不发生跳变
⚠ 关键点:零输入响应 $y_{zi}(t)$ 在 $0_-$ 和 $0_+$ 处的值相同(无输入激励,不会产生跳变),可以直接用 $y^{(j)}(0_-)$ 求解系数。

零状态响应 $y_{zs}(t)$ 的求解步骤

1
求冲激响应 $h(t)$:系统在 $\delta(t)$ 激励下的零状态响应
2
卷积积分:$y_{zs}(t) = f(t) * h(t) = \int_{0}^{t} f(\tau)h(t-\tau)d\tau$,利用 $h(t)$ 的因果性
3
或直接解非齐次方程:令初始状态 $y_{zs}^{(j)}(0_-)=0$,求解微分方程的特解+齐次解,利用 $0_+$ 初始条件定系数
💡 $0_-$ 与 $0_+$ 的关系: $y^{(j)}(0_+) = y_{zi}^{(j)}(0_+) + y_{zs}^{(j)}(0_+)$
而 $y_{zi}^{(j)}(0_+) = y^{(j)}(0_-)$(零输入无跳变)
$y_{zs}^{(j)}(0_+) - y_{zs}^{(j)}(0_-) = $ 跳变量(由输入在 $t=0$ 处的奇异函数决定)
必考重点 全响应 = 零输入 + 零状态 完整求解

题目:已知 $y''(t) + 5y'(t) + 6y(t) = f(t)$,$f(t) = e^{-t}u(t)$,$y(0_-)=1$,$y'(0_-)=0$,求 $y_{zi}(t)$、$y_{zs}(t)$ 和全响应 $y(t)$。

解法一:零输入 + 零状态法

① 求零输入响应 $y_{zi}(t)$:

特征方程 $\lambda^2 + 5\lambda + 6 = 0$,特征根 $\lambda_1=-2$,$\lambda_2=-3$

$y_{zi}(t) = C_{zi1}e^{-2t} + C_{zi2}e^{-3t}$

由 $y_{zi}(0_+)=y(0_-)=1$,$y_{zi}'(0_+)=y'(0_-)=0$:

$\begin{cases} C_{zi1} + C_{zi2} = 1 \\ -2C_{zi1} - 3C_{zi2} = 0 \end{cases}$

解得 $C_{zi1}=3$,$C_{zi2}=-2$

$y_{zi}(t) = (3e^{-2t} - 2e^{-3t})u(t)$

② 求冲激响应 $h(t)$:

令 $h''(t) + 5h'(t) + 6h(t) = \delta(t)$,初始状态为0

利用冲激平衡法或拉普拉斯变换得:$h(t) = (e^{-2t} - e^{-3t})u(t)$

③ 求零状态响应 $y_{zs}(t)$:

$y_{zs}(t) = f(t) * h(t) = e^{-t}u(t) * (e^{-2t} - e^{-3t})u(t)$

$= \int_0^t e^{-\tau}[e^{-2(t-\tau)} - e^{-3(t-\tau)}]d\tau$

$= e^{-2t}\int_0^t e^{\tau}d\tau - e^{-3t}\int_0^t e^{2\tau}d\tau$

$= e^{-2t}(e^t-1) - e^{-3t}\cdot\frac{1}{2}(e^{2t}-1)$

$= e^{-t} - e^{-2t} - \frac{1}{2}e^{-t} + \frac{1}{2}e^{-3t}$

$= \frac{1}{2}e^{-t} - e^{-2t} + \frac{1}{2}e^{-3t}$

④ 全响应:

$y(t) = y_{zi}(t) + y_{zs}(t) = (3e^{-2t} - 2e^{-3t}) + (\frac{1}{2}e^{-t} - e^{-2t} + \frac{1}{2}e^{-3t})$

$= \frac{1}{2}e^{-t} + 2e^{-2t} - \frac{3}{2}e^{-3t}$

2.2 冲激响应和阶跃响应 必考

冲激响应 $h(t)$

系统在单位冲激信号 $\delta(t)$ 激励下的零状态响应

$$ f(t) = \delta(t) \quad \Rightarrow \quad y_{zs}(t) = h(t) $$

求 $h(t)$ 的冲激平衡法

1
设 $h(t)$ 的形式由特征根决定(与齐次解形式相同)
2
根据方程阶数 $n$ 确定 $h(t)$ 是否包含 $\delta(t)$ 及其导数:若 $m < n$ 则不含 $\delta(t)$
3
利用 $t=0$ 时刻的初始跳变条件:$h^{(n-1)}(0_+) = \frac{1}{a_n}$,其余导数在 $0_-$ 为0
4
代入微分方程,利用 $\delta(t)$ 系数平衡确定所有待定系数
必考重点 冲激响应 $h(t)$ 的求解

例题:求 $y''(t) + 3y'(t) + 2y(t) = f(t)$ 的冲激响应 $h(t)$。

解:

① 特征方程 $\lambda^2 + 3\lambda + 2 = 0$,$\lambda_1=-1$,$\lambda_2=-2$

② 设 $h(t) = (C_1 e^{-t} + C_2 e^{-2t})u(t)$($m=0<n=2$,不含 $\delta(t)$)

③ 初始条件:$h(0_+)=0$,$h'(0_+)=1$(由 $\delta(t)$ 平衡法得)

$\begin{cases} C_1 + C_2 = 0 \\ -C_1 - 2C_2 = 1 \end{cases}$ $\Rightarrow$ $C_1=1$,$C_2=-1$

④ $h(t) = (e^{-t} - e^{-2t})u(t)$

阶跃响应 $g(t)$

系统在单位阶跃信号 $u(t)$ 激励下的零状态响应。

$$ f(t) = u(t) \quad \Rightarrow \quad y_{zs}(t) = g(t) $$

冲激响应与阶跃响应的关系

$$ h(t) = \frac{d}{dt}g(t), \quad g(t) = \int_{-\infty}^{t} h(\tau)d\tau $$

2.3 卷积积分 必考

卷积积分的定义

$$ y(t) = f_1(t) * f_2(t) = \int_{-\infty}^{\infty} f_1(\tau) f_2(t-\tau) d\tau $$

对于因果信号:

$$ y(t) = \int_{0}^{t} f_1(\tau) f_2(t-\tau) d\tau \quad (t \geq 0) $$

图解法求卷积

1
换元:$t \to \tau$,将 $f_1(t)$ 和 $f_2(t)$ 变为 $f_1(\tau)$ 和 $f_2(\tau)$
2
反转:将 $f_2(\tau)$ 反转为 $f_2(-\tau)$
3
平移:将 $f_2(-\tau)$ 平移 $t$ 得 $f_2(t-\tau)$
4
相乘-积分:对每个 $t$,计算 $\int f_1(\tau) f_2(t-\tau) d\tau$
经典例题 卷积计算

计算 $u(t) * u(t)$:

$$ u(t) * u(t) = \int_{-\infty}^{\infty} u(\tau) u(t-\tau) d\tau = \int_{0}^{t} 1 \cdot 1 d\tau = t u(t) $$

即:$u(t) * u(t) = t u(t)$

推广:$u(t) * u(t) * u(t) = \frac{t^2}{2} u(t)$

💡 LTI系统的零状态响应:$y_{zs}(t) = f(t) * h(t)$ — 卷积积分是LTI系统时域分析的核心工具。

2.4 卷积积分的性质 常考

交换律

$$ f_1 * f_2 = f_2 * f_1 $$

结合律

$$ (f_1 * f_2) * f_3 = f_1 * (f_2 * f_3) $$

分配律

$$ f_1 * (f_2 + f_3) = f_1 * f_2 + f_1 * f_3 $$

微分性质

$$ (f_1 * f_2)' = f_1' * f_2 = f_1 * f_2' $$

积分性质

$$ \int (f_1 * f_2) dt = (\int f_1 dt) * f_2 = f_1 * (\int f_2 dt) $$

冲激卷积

$$ f(t) * \delta(t) = f(t) $$ $$ f(t) * \delta(t-t_0) = f(t-t_0) $$
🎯 重要推论:利用卷积的性质可以简化复杂卷积的计算。例如:$u(t) * e^{-at}u(t) = \frac{1}{a}(1-e^{-at})u(t)$

📙 第3章 离散系统的时域分析

在时间域中研究LTI离散系统对序列信号的响应。

3.1 LTI离散系统的响应 必考

差分方程的经典解法

n 阶LTI离散系统:

$$ y(k) + a_{n-1}y(k-1) + \cdots + a_0 y(k-n) = b_m f(k) + \cdots + b_0 f(k-m) $$

全响应 = 齐次解 + 特解

齐次解 $y_h(k)$
由特征方程 $\lambda^n + a_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + a_0 = 0$ 的根决定
单根:$C\lambda^k$;重根:$C_1\lambda^k + C_2 k\lambda^k + \cdots$
特解 $y_p(k)$
由输入序列的形式决定
如:$f(k)=k^m$ 设 $P_m k^m + \cdots$

零输入响应 + 零状态响应

$$ y(k) = y_{zi}(k) + y_{zs}(k) $$ $$ y_{zs}(k) = f(k) * h(k) = \sum_{i=-\infty}^{\infty} f(i) h(k-i) $$
💡 离散系统的初始条件:$y(0), y(1), \ldots, y(n-1)$ 称为初始状态,由系统历史决定。

3.2 单位序列响应和阶跃响应 必考

单位序列响应 $h(k)$

系统在单位序列 $\delta(k)$ 激励下的零状态响应。

$$ f(k) = \delta(k) \quad \Rightarrow \quad y_{zs}(k) = h(k) $$

阶跃响应 $g(k)$

系统在单位阶跃序列 $u(k)$ 激励下的零状态响应。

$$ f(k) = u(k) \quad \Rightarrow \quad y_{zs}(k) = g(k) $$

单位序列响应与阶跃响应的关系

$$ h(k) = g(k) - g(k-1), \quad g(k) = \sum_{i=-\infty}^{k} h(i) $$
⚠ 注意:对于离散系统,$\delta(k)$ 是有确切定义的($k=0$ 处为1),不同于连续系统的冲激函数。

3.3 卷积和 必考

卷积和的定义

$$ f_1(k) * f_2(k) = \sum_{i=-\infty}^{\infty} f_1(i) f_2(k-i) $$

对于因果序列:

$$ f_1(k) * f_2(k) = \sum_{i=0}^{k} f_1(i) f_2(k-i) \quad (k \geq 0) $$

卷积和的性质

交换律

$$ f_1 * f_2 = f_2 * f_1 $$

结合律

$$ (f_1 * f_2) * f_3 = f_1 * (f_2 * f_3) $$

分配律

$$ f_1 * (f_2 + f_3) = f_1 * f_2 + f_1 * f_3 $$

冲激卷积

$$ f(k) * \delta(k) = f(k) $$ $$ f(k) * \delta(k-k_0) = f(k-k_0) $$
经典例题 卷积和计算

计算 $a^k u(k) * u(k)$:

$$ a^k u(k) * u(k) = \sum_{i=0}^{k} a^i = \frac{1-a^{k+1}}{1-a} u(k) \quad (a \neq 1) $$

计算 $u(k) * u(k)$:

$$ u(k) * u(k) = \sum_{i=0}^{k} 1 = (k+1)u(k) $$
💡 LTI离散系统零状态响应:$y_{zs}(k) = f(k) * h(k)$,卷积和是离散系统时域分析的核心。

📕 第4章 傅里叶变换与频域分析

将信号从时域变换到频域,从频率角度分析信号和系统。

4.1 信号分解为正交函数 了解

正交函数集

若函数集 $\{\varphi_1(t), \varphi_2(t), \ldots, \varphi_n(t)\}$ 满足:

$$ \int_{t_1}^{t_2} \varphi_i(t) \varphi_j^*(t) dt = \begin{cases} 0, & i \neq j \\ K_i, & i = j \end{cases} $$

则称为正交函数集。

完备正交函数集

三角函数集 $\{1, \cos nt, \sin nt\}$ 和虚指数函数集 $\{e^{jn\omega t}\}$ 是两组典型的完备正交函数集。

💡 信号可以展开为正交函数的线性组合,这正是傅里叶级数的数学基础。

4.2 周期信号的傅里叶级数 必考

三角形式的傅里叶级数

$$ f(t) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} [a_n \cos(n\omega t) + b_n \sin(n\omega t)] $$

其中:

$$ a_n = \frac{2}{T}\int_{-T/2}^{T/2} f(t) \cos(n\omega t) dt $$ $$ b_n = \frac{2}{T}\int_{-T/2}^{T/2} f(t) \sin(n\omega t) dt $$

指数形式的傅里叶级数

$$ f(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} F_n e^{jn\omega t} $$ $$ F_n = \frac{1}{T}\int_{-T/2}^{T/2} f(t) e^{-jn\omega t} dt $$
🎯 关系:$a_n = F_n + F_{-n}$,$b_n = j(F_n - F_{-n})$,$F_n = \frac{1}{2}(a_n - jb_n)$

4.3 典型周期信号的频谱 常考

周期矩形脉冲信号

幅度为 $E$,脉宽为 $\tau$,周期为 $T$:

$$ F_n = \frac{E\tau}{T} Sa\left(\frac{n\omega\tau}{2}\right) $$

频谱特点:离散谱、谱线间隔 $\omega = 2\pi/T$、包络为 $Sa$ 函数。

周期信号的频谱特点

  • 离散性— 频谱由不连续的谱线组成
  • 谐波性— 谱线出现在基波频率的整数倍上
  • 收敛性— 谱线幅度随 $n \to \infty$ 而趋于零

4.4 非周期信号的傅里叶变换 必考

傅里叶变换定义

正变换 $$ F(j\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-j\omega t} dt $$
逆变换 $$ f(t) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty} F(j\omega) e^{j\omega t} d\omega $$

常用信号的傅里叶变换

信号名称$f(t)$$F(j\omega)$
冲激信号$\delta(t)$$1$
阶跃信号$u(t)$$\pi\delta(\omega) + 1/j\omega$
矩形脉冲$g_\tau(t)$$\tau Sa(\omega\tau/2)$
单边指数$e^{-at}u(t)$$1/(a+j\omega)$
直流信号$1$$2\pi\delta(\omega)$
余弦信号$\cos(\omega_0 t)$$\pi[\delta(\omega+\omega_0) + \delta(\omega-\omega_0)]$

4.5 傅里叶变换的性质 必考

性质时域频域
线性$a f_1 + b f_2$$a F_1 + b F_2$
对称性$F(t)$$2\pi f(-\omega)$
尺度变换$f(at)$$\frac{1}{|a|}F(j\omega/a)$
时移$f(t-t_0)$$F(j\omega)e^{-j\omega t_0}$
频移$f(t)e^{j\omega_0 t}$$F[j(\omega-\omega_0)]$
时域微分$f'(t)$$j\omega F(j\omega)$
时域积分$\int_{-\infty}^t f(\tau)d\tau$$\pi F(0)\delta(\omega) + \frac{F(j\omega)}{j\omega}$
卷积定理$f_1 * f_2$$F_1(j\omega) \cdot F_2(j\omega)$
乘积定理$f_1 \cdot f_2$$\frac{1}{2\pi}F_1 * F_2$
重要 利用性质求变换

已知 $g_\tau(t) \leftrightarrow \tau Sa(\omega\tau/2)$,求 $f(t) = g_\tau(t-t_0)$ 的傅里叶变换。

由时移性质:$F(j\omega) = \tau Sa(\omega\tau/2) \cdot e^{-j\omega t_0}$

4.6 周期信号的傅里叶变换 常考

周期信号 $f(t)$ 可以展开为傅里叶级数,再取傅里叶变换:

$$ f(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} F_n e^{jn\omega t} \quad \Rightarrow \quad F(j\omega) = 2\pi\sum_{n=-\infty}^{\infty} F_n \delta(\omega - n\omega) $$
💡 周期信号的傅里叶变换由一系列位于谐波频率处的冲激组成。

4.7 LTI系统的频域分析 常考

频率响应函数

$$ H(j\omega) = \frac{Y(j\omega)}{F(j\omega)} $$

系统零状态响应:$y_{zs}(t) = \mathcal{F}^{-1}[F(j\omega) \cdot H(j\omega)]$

频率响应的物理意义

$H(j\omega)$ 反映了系统对不同频率分量的幅度和相位的调制作用:

$$ H(j\omega) = |H(j\omega)| e^{j\varphi(\omega)} $$
⚠ 频率分析法局限:要求 $f(t)$ 的傅里叶变换存在(即绝对可积),某些信号(如指数增长信号)不满足条件。

4.8 取样定理 必考

时域取样定理(Nyquist定理)

🎯 核心内容:若 $f(t)$ 是带限信号(最高频率 $\omega_m$),且取样频率 $\omega_s \geq 2\omega_m$,则可从取样信号 $f_s(t)$ 中无失真地恢复原信号。

$$ \omega_s \geq 2\omega_m \quad \text{或} \quad f_s \geq 2f_m $$

Nyquist频率和间隔

Nyquist频率

$$ \omega_N = 2\omega_m $$

Nyquist间隔

$$ T_N = \frac{\pi}{\omega_m} = \frac{1}{2f_m} $$
典型例题 Nyquist频率计算

$x(t) = \sin(200\pi t) / (\pi t)$,求Nyquist频率和间隔。

解:

$\displaystyle \frac{\sin(200\pi t)}{\pi t} = 200 Sa(200\pi t)$

$\omega_m = 200\pi$ rad/s,$f_m = 100$ Hz

Nyquist频率 $\omega_N = 400\pi$ rad/s,$f_N = 200$ Hz

Nyquist间隔 $T_N = 1/(2f_m) = 1/200 = 0.005$ s

📘 第5章 连续系统的s域分析(拉普拉斯变换)

将时域微分方程转化为复频域代数方程,简化系统分析。

5.1 拉普拉斯变换 必考

定义

双边拉普拉斯变换 $$ F_b(s) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-st} dt $$
单边拉普拉斯变换 $$ F(s) = \int_{0_-}^{\infty} f(t) e^{-st} dt $$

其中 $s = \sigma + j\omega$ 为复频率。

收敛域(ROC)

使 $F(s)$ 存在的 $\sigma$ 取值范围称为收敛域。ROC是平行于 $j\omega$ 轴的带状区域。

💡 常用信号的拉普拉斯变换:$\delta(t) \leftrightarrow 1$,$u(t) \leftrightarrow 1/s$,$e^{-at}u(t) \leftrightarrow 1/(s+a)$,$\sin(\omega t)u(t) \leftrightarrow \omega/(s^2+\omega^2)$

5.2 拉普拉斯变换的性质 必考

性质时域s域
线性$a f_1 + b f_2$$a F_1 + b F_2$
尺度变换$f(at)$$\frac{1}{a}F(s/a)$
时移$f(t-t_0)u(t-t_0)$$F(s)e^{-st_0}$
复频移$e^{s_0 t}f(t)$$F(s-s_0)$
时域微分$f'(t)$$sF(s) - f(0_-)$
时域积分$\int_{0_-}^t f(\tau)d\tau$$F(s)/s$
s域微分$-t f(t)$$F'(s)$
卷积定理$f_1 * f_2$$F_1(s) \cdot F_2(s)$
⚠ 注意:时域微分性质的 $f(0_-)$ 项十分重要,是处理非零初始条件的关键!

5.3 拉普拉斯逆变换 必考

部分分式展开法

将 $F(s)$ 写成有理分式形式,分解为部分分式之和:

$$ F(s) = \frac{B(s)}{A(s)} = \sum_{i=1}^{n} \frac{K_i}{s-p_i} $$
1
求真分式:若 $B(s)$ 阶次 $\geq A(s)$ 阶次,先长除
2
因式分解:将 $A(s)$ 分解为 $(s-p_1)(s-p_2)\cdots$
3
展开部分分式:单根 $\frac{K_i}{s-p_i}$,重根 $\sum\frac{K_{ij}}{(s-p_i)^j}$
4
查表求逆变换:$1/(s+a) \to e^{-at}u(t)$

5.4 复频域系统分析 必考

s域系统分析

对微分方程两边取拉普拉斯变换(考虑初始条件):

$$ Y(s) = \frac{B(s)}{A(s)}F(s) + \frac{M(s)}{A(s)} = Y_{zs}(s) + Y_{zi}(s) $$

其中:

  • $Y_{zs}(s) = H(s)F(s)$ — 零状态响应的s域表示
  • $Y_{zi}(s) = M(s)/A(s)$ — 零输入响应的s域表示(由初始条件决定)
经典例题 s域分析

$y''(t) + 3y'(t) + 2y(t) = f(t)$,$y(0_-)=1$,$y'(0_-)=0$,$f(t)=e^{-3t}u(t)$

取拉普拉斯变换:

$$ [s^2Y(s) - sy(0_-) - y'(0_-)] + 3[sY(s) - y(0_-)] + 2Y(s) = F(s) $$ $$ (s^2 + 3s + 2)Y(s) = F(s) + s + 3 $$ $$ Y(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)}F(s) + \frac{s+3}{(s+1)(s+2)} $$

代入 $F(s)=1/(s+3)$ 后做部分分式展开,再求逆变换。

5.5 系统函数 H(s) 必考

系统函数的定义

$$ H(s) = \frac{Y_{zs}(s)}{F(s)} = \frac{\text{零状态响应的s变换}}{\text{输入的s变换}} $$

系统函数的物理意义

冲激响应

$$ h(t) = \mathcal{L}^{-1}[H(s)] $$

频率响应

$$ H(j\omega) = H(s)|_{s=j\omega} $$

系统特性

极点位置决定系统稳定性

5.6 系统的稳定性 常考

稳定性判据

稳定系统
所有极点位于s左半平面
$\text{Re}(p_i) < 0$ 对所有极点成立
不稳定系统
存在极点位于s右半平面
或s平面虚轴上有重极点
💡 BIBO稳定:$\displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} |h(t)| dt < \infty$ 等价于 $H(s)$ 的所有极点都在s左半平面。

📗 第6章 离散系统的z域分析(Z变换)

将离散系统的差分方程转化为z域代数方程,类比拉普拉斯变换在连续系统中的作用。

6.1 Z变换 必考

定义

双边Z变换 $$ F(z) = \sum_{k=-\infty}^{\infty} f(k) z^{-k} $$
单边Z变换 $$ F(z) = \sum_{k=0}^{\infty} f(k) z^{-k} $$

其中 $z = re^{j\theta}$ 为复变量。

收敛域(ROC)

使 $\sum |f(k)z^{-k}| < \infty$ 的 $z$ 取值范围。

💡 常用Z变换:$\delta(k) \leftrightarrow 1$(全z平面),$u(k) \leftrightarrow \frac{z}{z-1}$($|z|>1$),$a^k u(k) \leftrightarrow \frac{z}{z-a}$($|z|>|a|$)

6.2 Z变换的性质 必考

性质时域z域
线性$a f_1 + b f_2$$a F_1 + b F_2$
移位(右移)$f(k-n)u(k)$$z^{-n}F(z)$
移位(左移)$f(k+n)$$z^n[F(z) - \sum_{i=0}^{n-1} f(i)z^{-i}]$
z域尺度$a^k f(k)$$F(z/a)$
z域微分$k f(k)$$-z\frac{d}{dz}F(z)$
卷积定理$f_1 * f_2$$F_1(z) \cdot F_2(z)$
初值定理$f(0) = \lim_{z\to\infty} F(z)$
终值定理$f(\infty) = \lim_{z\to 1} (z-1)F(z)$(需收敛域含单位圆外)

6.3 逆Z变换 必考

部分分式展开法

将 $F(z)$ 展开为 $z/(z-p_i)$ 形式:

$$ \frac{F(z)}{z} = \sum_{i=1}^{n} \frac{K_i}{z-p_i} $$

然后:$F(z) = \sum K_i \frac{z}{z-p_i}$,查表得 $K_i p_i^k u(k)$

经典例题 逆Z变换

求 $F(z) = \dfrac{z}{(z-1)(z-2)}$,$|z|>2$ 的逆Z变换。

解:

$$ \frac{F(z)}{z} = \frac{1}{(z-1)(z-2)} = \frac{-1}{z-1} + \frac{1}{z-2} $$ $$ F(z) = -\frac{z}{z-1} + \frac{z}{z-2} $$ $$ f(k) = [-1 + 2^k] u(k) $$

6.4 Z域系统分析 必考

z域系统分析步骤

1
取Z变换:对差分方程两边取单边Z变换(考虑初始条件)
2
代数求解:$Y(z) = H(z)F(z) + \frac{M(z)}{A(z)}$,其中 $H(z) = B(z)/A(z)$
3
逆变换:$y(k) = \mathcal{Z}^{-1}[Y(z)]$
💡 零状态响应:$y_{zs}(k) = \mathcal{Z}^{-1}[H(z)F(z)]$;零输入响应:由系统初始条件决定。

6.5 系统函数H(z)与稳定性 常考

系统函数

$$ H(z) = \frac{Y_{zs}(z)}{F(z)} = \frac{B(z)}{A(z)} $$

$h(k) = \mathcal{Z}^{-1}[H(z)]$ 是系统的单位序列响应。

稳定性判据

稳定系统
$H(z)$ 的所有极点位于z平面
单位圆内
$|p_i| < 1$
不稳定系统
存在极点位于单位圆外
或单位圆上有重极点

频率响应

对于稳定系统,令 $z = e^{j\theta}$:

$$ H(e^{j\theta}) = H(z)|_{z=e^{j\theta}} $$

即为系统的频率响应函数(DTFT)。

🎯 s平面与z平面的映射关系:$z = e^{sT_s}$,s左半平面映射到z平面单位圆内。这是理解连续与离散系统稳定性的桥梁。

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