信号与系统:基于 MATLAB 应用

Signals and Systems with MATLAB Applications, Second Edition Steven T. Karris 著,Orchard Publications 出版

面向电子工程专业大三、大四学生和在职工程师的信号与系统教材。先修要求:微积分基础 + 基本电路理论。全书以 MATLAB 为工具,强调理论与计算实践结合,每章配大量例题和详细习题解答。

全书结构

全书 11 章 + 3 个附录,按”连续时间 → 离散时间 → 滤波器设计”的主线展开:

部分章节主题关键内容
基础信号第1章基本信号单位阶跃 / 单位斜坡 / 冲激函数及其性质
Laplace 变换第2-4章拉普拉斯变换及电路分析变换定义/性质、部分分式展开、s域电路分析、传递函数
系统分析第5-6章状态变量 & 冲激响应状态方程、状态转移矩阵、卷积积分
傅里叶分析第7-8章傅里叶级数 & 傅里叶变换周期信号分解、对称性、傅里叶变换性质与对、系统函数
离散时间第9-10章Z变换 & DFT/FFTZ变换性质、离散系统传递函数、DFT定义、FFT算法
滤波器第11章模拟与数字滤波器Butterworth/Chebyshev/椭圆滤波器、IIR/FIR、频率变换
附录A/B/C数学工具MATLAB入门、复数复习、矩阵与行列式

第1章:基本信号(Elementary Signals)

三类基本信号

  1. 单位阶跃函数 u₀(t)

    • 定义:t<0 时为 0,t>0 时为 1
    • 用途:描述电压/电流源的突然接入,是构造任意波形的基础
    • 任意波形都可表示为阶跃函数的组合
  2. 单位斜坡函数 u₁(t)

    • 定义:u₁(t) = ∫ u₀(τ)dτ(从 -∞ 到 t)
    • 即 t≥0 时 u₁(t) = t,t<0 时为 0
  3. 单位冲激函数(δ函数)

    • 是单位阶跃的导数:δ(t) = du₀(t)/dt
    • 定义性质:∫δ(τ)dτ(-∞到t)= u₀(t),且 δ(t) = 0 对所有 t≠0

δ函数的两个核心性质

  • 采样性质(Sampling Property):f(t)·δ(t-a) = f(a)·δ(t-a) ——冲激函数把连续信号在冲激位置的”样值”提取出来
  • 筛选性质(Sifting Property):∫f(t)·δ(t-α)dt(-∞到+∞)= f(α) ——通过积分筛选出函数在特定点的值

高阶冲激(Doublet 等)

  • 冲激的一阶导数 δ’(t)(doublet函数)也有采样性质: f(t)·δ’(t-a) = f(a)δ’(t-a) - f’(a)δ(t-a)

第2-3章:拉普拉斯变换(The Laplace Transformation)

定义

  • 双边拉普拉斯变换:F(s) = ∫f(t)e
  • 单边拉普拉斯变换:F(s) = ∫f(t)e
  • 逆变换:f(t) = (1/2πj)∫F(s)e^(st)ds(沿 Bromwich 围道)
  • 记号:f(t) ⇔ F(s)

核心性质(必须掌握)

性质时域s域
线性c₁f₁(t) + c₂f₂(t)c₁F₁(s) + c₂F₂(s)
时移f(t-a)u₀(t-a)e^(-as)F(s)
频移e^(-at)f(t)F(s+a)
尺度变换f(at)(1/a)F(s/a)
时域微分df(t)/dtsF(s) - f(0-)
时域微分(n阶)dⁿf(t)/dtⁿsⁿF(s) - sⁿ⁻¹f(0-) - … - f⁽ⁿ⁻¹⁾(0-)
s域微分t·f(t)-dF(s)/ds
时域卷积f₁(t) * f₂(t)F₁(s)·F₂(s)
s域卷积f₁(t)·f₂(t)(1/2πj)F₁(s) * F₂(s)

常用变换对

f(t)F(s)
u₀(t)1/s
t·u₀(t)1/s²
tⁿ·u₀(t)n!/sⁿ⁺¹
δ(t)1
δ(t-a)e^(-as)
e^(-at)u₀(t)1/(s+a)
te^(-at)u₀(t)1/(s+a)²
tⁿe^(-at)u₀(t)n!/(s+a)ⁿ⁺¹

逆拉普拉斯变换与部分分式展开

第3章专门讲部分分式展开法(Partial Fraction Expansion)——求逆变换的核心工具:

  • F(s) 分解为:F(s) = r₁/(s-p₁) + r₂/(s-p₂) + … + rₙ/(s-pₙ)
  • rᵢ 称为留数(residue),pᵢ 称为极点(pole)
  • 适用情况:单极点、共轭复极点、重极点、混合情况
  • 假分式(分子阶数 ≥ 分母):先做多项式长除法
  • MATLAB 工具:residue(a,b) 直接求留数和极点

第4章:拉普拉斯变换电路分析

s 域电路模型

将时域电路元件变换到 s 域:

元件时域复阻抗 Z(s)复导纳 Y(s)
电阻 Rv = RiRG = 1/R
电感 Lv = L di/dtsL1/(sL)
电容 Ci = C dv/dt1/(sC)sC
  • RLC 串联电路输入阻抗:Z(s) = R + sL + 1/(sC)
  • GLC 并联电路输入导纳:Y(s) = G + 1/(sL) + sC

传递函数(Transfer Function)

零状态下,输出电压与输入电压之比:

  • G(s) = V_out(s) / V_in(s)
  • 传递函数完全由电路结构和元件参数决定,与激励无关

核心思想:拉普拉斯变换把时域的微积分方程转化为 s 域的代数方程,大幅简化电路分析。


第5章:状态变量与状态方程

基本思想

  • 一个 n 阶微分方程可以拆解为 n 个一阶联立微分方程
  • 辅助变量称为状态变量(state variables),方程组称为状态方程
  • 状态变量可以从微分方程得到,也可以直接从电路中选取(电感电流 + 电容电压)

标准形式

ẋ = Ax + bu    (状态方程)
y = Cx + du    (输出方程)

其中:

  • A:系统矩阵(n×n)
  • b:输入矩阵(n×1)
  • C:输出矩阵(1×n)
  • d:直接传输项(标量)

状态方程的解

  • 标量情况:ẋ = αx + βu,解为 x(t) = e^(α(t-t₀))x₀ + e^(αt)∫e
  • 矩阵情况:x(t) = e^(A(t-t₀))x₀ + e^(At)∫e
  • e^(At) 称为状态转移矩阵(State Transition Matrix)

特征值与 Cayley-Hamilton 定理

  • 矩阵 A 的特征值 λᵢ 是特征方程 det[A - λI] = 0 的根
  • Cayley-Hamilton 定理:矩阵满足其自身的特征方程
  • 利用该定理,e^(At) 可表示为 A 的 (n-1) 次多项式: e^(At) = a₀I + a₁A + a₂A² + … + aₙ₋₁Aⁿ⁻¹
  • 系数 aᵢ 由特征值确定

状态变量法的优势

  • 不仅适用于线性时不变系统,也适用于非线性和时变系统
  • 是现代控制理论的基础语言
  • MATLAB 工具:eig(A) 求特征值

第6章:冲激响应与卷积

冲激响应(Impulse Response)

  • 定义:输入为 δ(t) 时系统的输出(零初始条件)
  • 记为 h(t)——完全刻画了线性时不变(LTI)系统的特性

奇偶函数性质

  • 偶函数:f(-t) = f(t)
  • 奇函数:-f(-t) = f(t)
  • 偶 × 偶 = 偶,奇 × 奇 = 偶,偶 × 奇 = 奇
  • 任意函数可分解为:f(t) = f_e(t) + f_o(t)
    • f_e(t) = [f(t) + f(-t)] / 2(偶部)
    • f_o(t) = [f(t) - f(-t)] / 2(奇部)
  • δ函数是偶函数

卷积积分(Convolution Integral)

定义:

f₁(t) * f₂(t) = ∫f₁(τ)f₂(t-τ)dτ(-∞到+∞)

核心意义:知道了系统的冲激响应 h(t),就能通过卷积求出对任意输入 u(t) 的响应:

y(t) = u(t) * h(t)

图解法求卷积

卷积的图形评估方法(翻转→平移→相乘→积分)是理解卷积最直观的方式:

  1. 将 h(τ) 沿纵轴翻转得到 h(-τ)
  2. 平移 t 得到 h(t-τ)
  3. 与 u(τ) 相乘
  4. 乘积曲线下的面积就是卷积在时刻 t 的值

卷积定理:时域卷积 ⇔ s 域乘积。这是拉普拉斯变换能简化系统分析的根本原因。


第7章:傅里叶级数(Fourier Series)

三角形式傅里叶级数

任何周期信号 f(t) 都可以分解为:

f(t) = a₀/2 + Σ(aₙcos nωt + bₙsin nωt)  (n = 1, 2, 3, ...)

其中:

  • a₀/2 是直流分量
  • n=1 项是基波分量(频率 ω)
  • n≥2 项是各次谐波
  • 系数由积分公式计算

对称性的利用

对称类型级数特点
奇函数只有正弦项(bₙ),无直流
偶函数只有余弦项(aₙ),可能有直流
半波对称只有奇次谐波(奇cos + 奇sin)

半波对称条件:-f(t + T/2) = f(t)

常见波形的傅里叶级数

波形级数形式
方波(奇对称)(4A/π)Σ(1/n)sin nωt,n为奇数
方波(偶对称)(4A/π)Σ(-1)^((n-1)/2)(1/n)cos nωt,n为奇数
锯齿波(奇对称)(2A/π)Σ(-1)^(n-1)(1/n)sin nωt
三角波(奇对称)(8A/π²)Σ(-1)^((n-1)/2)(1/n²)sin nωt,n为奇数
半波整流A/π + A/2 sint - (2A/π)Σ(cos nωt)/(n²-1),n为偶数
全波整流(偶对称)2A/π - (4A/π)Σ(cos nωt)/(n²-1),n为偶数

Gibbs 现象

用有限项傅里叶级数逼近不连续信号时,在间断点附近会出现过冲(overshoot),约为跳变值的 9%。即使项数增加,过冲幅度也不会减小——这就是 Gibbs 现象。

指数形式傅里叶级数

f(t) = Σ Cₙ e^(jnωt)  (n = -∞ 到 +∞)

Cₙ 一般为复数,与三角形式的关系:

  • C₀ = a₀/2
  • Cₙ = (aₙ - jbₙ)/2(n>0)
  • C₋ₙ = Cₙ*(共轭对称)

谱线与功率计算

  • 线谱(Line Spectra):幅度谱 |Cₙ| vs 频率,相位谱 ∠Cₙ vs 频率
  • RMS 值:从傅里叶系数计算:F_rms² = (a₀/2)² + (1/2)Σ(aₙ² + bₙ²)
  • 平均功率:P = (1/2)ΣVₙIₙcos(θ_vₙ - θ_iₙ)

第8章:傅里叶变换(The Fourier Transform)

定义

  • 正变换:F(ω) = ∫f(t)e
  • 逆变换:f(t) = (1/2π)∫F(ω)e
  • 记号:ℱ{f(t)} = F(ω),ℱ⁻¹{F(ω)} = f(t)

奇偶对称性

f(t)F(ω)
实函数一般为复函数
实偶函数实偶函数
实奇函数虚奇函数
虚函数一般为复函数
虚偶函数虚偶函数
虚奇函数实奇函数

实信号满足:F(-ω) = F*(ω)(共轭对称)

核心性质

性质时域频域
线性a₁f₁(t) + a₂f₂(t)a₁F₁(ω) + a₂F₂(ω)
对称性F(t)2πf(-ω)
尺度变换f(at)(1/
时移f(t-t₀)F(ω)e^(-jωt₀)
频移e^(jω₀t)f(t)F(ω-ω₀)
调制定理f(t)cos ω₀t[F(ω-ω₀) + F(ω+ω₀)]/2
调制定理(sin)f(t)sin ω₀t[F(ω-ω₀) - F(ω+ω₀)]/j2
时域微分dⁿf(t)/dtⁿ(jω)ⁿF(ω)
频域微分(-jt)ⁿf(t)dⁿF(ω)/dωⁿ
时域积分∫f(τ)dτ(-∞到t)F(ω)/(jω) + πF(0)δ(ω)
时域卷积f₁(t) * f₂(t)F₁(ω)·F₂(ω)
频域卷积f₁(t)·f₂(t)(1/2π)F₁(ω) * F₂(ω)

两个重要关系

  • 面积关系:时域函数曲线下的面积 = 傅里叶变换在 ω=0 处的值 ∫f(t)dt = F(0)
  • 能量守恒(Parseval 定理): ∫|f(t)|²dt = (1/2π)∫|F(ω)|²dω

从拉普拉斯变换求傅里叶变换

如果 F(s) 的所有极点都在 s 平面左半平面(因果稳定系统),则:

F(ω) = F(s) |_{s=jω}

系统函数 H(ω)

  • 定义:H(ω) = Y(ω)/X(ω)(输出傅里叶变换 / 输入傅里叶变换)
  • 等于冲激响应的傅里叶变换:H(ω) = ℱ{h(t)}
  • |H(ω)| 是幅频响应,∠H(ω) 是相频响应

第9章:离散时间系统与 Z 变换

Z 变换的地位

Z 变换之于离散时间信号,如同拉普拉斯变换之于连续时间信号——是分析离散系统的核心数学工具。

定义

  • 单边 Z 变换:F(z) = Σf[n]z^(-n)(n = 0 到 +∞)
  • 记号:F(z) = 𝒵{f[n]}
  • 逆 Z 变换:f[n] = (1/j2π)∮F(z)z

核心性质

性质时域z 域
线性af₁[n] + bf₂[n]aF₁(z) + bF₂(z)
右移(因果序列)f[n-m]u₀[n-m]z^(-m)F(z)
右移(一般情况)f[n-m]z^(-m)F(z) + Σf[n-m]z^(-n)(n=0到m-1)
左移f[n+m]z^mF(z) - Σf[n+m]z^(-n)(n=-m到-1)
指数加权aⁿf[n]F(z/a)
指数衰减e^(-naT)f[n]F(e^(aT)z)
线性加权n·f[n]-z dF(z)/dz

常用 Z 变换对

f[n]F(z)
δ[n]1
u₀[n](单位阶跃)z/(z-1)
aⁿu₀[n]z/(z-a)
n·aⁿu₀[n]az/(z-a)²
n²aⁿu₀[n]az(z+a)/(z-a)³
cos(nωT)u₀[n]z(z-cosωT)/(z²-2z cosωT + 1)
sin(nωT)u₀[n]z sinωT/(z²-2z cosωT + 1)

s 域与 z 域的映射

  • 映射关系:z = e
  • s 平面左半平面 → z 平面单位圆内(稳定 ↔ 稳定)
  • s 平面虚轴 → z 平面单位圆
  • s 平面右半平面 → z 平面单位圆外

离散系统传递函数

  • H(z) = Y(z)/X(z) = 输出Z变换 / 输入Z变换
  • 等于单位冲激响应的 Z 变换:H(z) = 𝒵{h[n]}
  • 稳定性判据:所有极点都在 z 平面单位圆内

离散状态方程

x[n+1] = Ax[n] + bu[n]
y[n] = Cx[n] + du[n]

形式上与连续时间状态方程类似,只是微分变成了差分。


第10章:DFT 与 FFT 算法

DFT(离散傅里叶变换)定义

N 点 DFT:

X[m] = Σx[n]e^(-j2πmn/N)  (n = 0 到 N-1,m = 0,1,...,N-1)

逆 DFT:

x[n] = (1/N)ΣX[m]e^(j2πmn/N)  (m = 0 到 N-1,n = 0,1,...,N-1)
  • W_N = e^(-j2π/N) 称为旋转因子(twiddle factor)
  • X[m] 一般为复数:实部 + 虚部

DFT 的奇偶性质

  • x[n] 为实序列 → X[m] 共轭对称:X[N-m] = X*[m]
  • x[n] 为实偶序列 → X[m] 为实偶序列
  • x[n] 为实奇序列 → X[m] 为虚奇序列

采样定理(Sampling Theorem)

若连续信号的最高频率为 f_max,则采样频率 f_s 必须满足 f_s > 2f_max,才能从采样信号中无失真地恢复原始信号。

  • 2f_max 称为奈奎斯特频率(Nyquist frequency)
  • 不满足时会发生混叠(aliasing)——高频成分折叠到低频

FFT(快速傅里叶变换)

  • 直接计算 N 点 DFT 需要约 N² 次复数乘法
  • FFT 算法利用旋转因子的对称性和周期性,将复杂度降至 N·log₂N
  • 当 N = 1024 时,直接计算需要约 100 万次乘法,FFT 只需约 1 万次——100 倍加速

FFT 的两类算法

  1. 按时间抽取(DIT, Decimation-In-Time):按输入序列下标的奇偶分组
  2. 按频率抽取(DIF, Decimation-In-Frequency):按输出序列下标的奇偶分组

蝶形运算(Butterfly)

FFT 的基本运算单元。每级包含 N/2 个蝶形,共 log₂N 级。

  • 输入/输出排序问题:
    • 位反转序输入,自然序输出(shuffled input, natural output)
    • 自然序输入,位反转序输出
    • 自然序输入,自然序输出(需要额外内存或重排)

MATLAB 工具

  • fft(x):计算 DFT
  • ifft(x):计算逆 DFT

第11章:模拟与数字滤波器

滤波器分类

按频率响应分

类型功能
低通(Low-Pass)通过低频,衰减高频
高通(High-Pass)通过高频,衰减低频
带通(Band-Pass)通过某一频段
带阻(Band-Elimination/Stop)衰减某一频段
全通(All-Pass)幅度不变,只改变相位

按实现方式分

  • 模拟滤波器:RLC 无源 / 运放有源
  • 数字滤波器:算法实现,分两类:
    • IIR(无限冲激响应):h[n] 无限长,有反馈环路
    • FIR(有限冲激响应):h[n] 有限长,无反馈,可做线性相位

模拟低通滤波器原型

低通是基础——高通、带通、带阻都可以通过频率变换从低通原型得到。

1. Butterworth(巴特沃斯)滤波器

  • 特点:通带内幅度响应最平坦(maximally flat)
  • 幅频平方函数:A²(ω) = 1 / [(ω/ω_C)^(2k) + 1]
  • 极点分布:在 s 平面左半平面,均匀分布在半径为 ω_C 的圆上
  • 阶数 k 越高,过渡带越陡

2. Chebyshev Type I(切比雪夫I型)

  • 特点:通带内有等波纹(ripple),过渡带更陡
  • 基于 Chebyshev 多项式 C_k(x)
  • 通带纹波 Rp 越小,性能越接近 Butterworth;纹波越大,过渡带越陡

3. Chebyshev Type II(切比雪夫II型 / 逆切比雪夫)

  • 特点:通带平坦,阻带内有等波纹
  • 与 I 型互补:I 型在通带内波纹,II 型在阻带内波纹
  • ω_C 定义阻带的起始频率

4. Elliptic / Cauer(椭圆滤波器)

  • 特点:通带和阻带都有等波纹,过渡带最陡(同阶数下性能最优)
  • 基于椭圆函数和椭圆积分
  • 相同性能指标下,椭圆滤波器所需阶数最低

四种模拟滤波器对比

类型通带阻带过渡带陡度相位线性度
Butterworth最平坦单调一般较好
Chebyshev I等波纹单调较陡较差
Chebyshev II平坦等波纹较陡中等
Elliptic等波纹等波纹最陡最差

频率变换

从低通原型变换到其他类型:

变换类型MATLAB 函数
低通 → 低通(不同截止)lp2lp
低通 → 高通lp2hp
低通 → 带通lp2bp
低通 → 带阻lp2bs

数字滤波器

  • IIR 滤波器设计:通常先设计模拟原型,再通过双线性变换等方法映射到数字域
  • FIR 滤波器设计:窗函数法、频率采样法等
  • FIR 的优势:可以做到严格线性相位,且一定稳定
  • IIR 的优势:相同性能下阶数更低,计算量更小

MATLAB 滤波器设计工具

函数用途
buttap(N)N 阶归一化 Butterworth 低通原型(零极点增益形式)
cheb1ap(N,Rp)N 阶 Chebyshev I 型低通原型
ellip(N,Rp,Rs,Wn,'s')椭圆模拟低通滤波器
zp2tf零极点 → 传递函数
lp2lp / lp2hp / lp2bp / lp2bs频率变换
bode(num,den)绘制幅频/相频响应

附录概览

附录 A:MATLAB 入门

  • 命令窗口、多项式求根、多项式构造与求值
  • 有理多项式、绘图(含子图)
  • 脚本文件与函数文件、显示格式

附录 B:复数复习

  • 定义、加减乘除、指数形式与极坐标形式

附录 C:矩阵与行列式

  • 矩阵运算、特殊矩阵(单位/对角/三角/对称/反对称)
  • 行列式、余子式、Cramer 法则、高斯消元
  • 伴随矩阵、逆矩阵、线性方程组求解

关键概念与学习要点

三大变换的关系

连续时间  ──Laplace──→  s 域
   │                      │
   │ 令 s=jω              │ 令 s=jω(稳定条件下)
   ↓                      ↓
连续时间  ──Fourier──→  频域
   │
   │ 采样
   ↓
离散时间  ──Z变换────→  z 域
   │                      │
   │ 令 z=e^(jωT)         │
   ↓                      ↓
离散时间  ──DFT/FFT──→  离散频域

卷积的统一地位

  • 时域:y(t) = x(t) * h(t)(LTI 系统输入输出关系)
  • 变换域:Y(s) = X(s)·H(s) / Y(ω) = X(ω)·H(ω) / Y(z) = X(z)·H(z)
  • 卷积定理是所有变换方法的核心价值所在——把时域的卷积运算转化为变换域的乘法

稳定性判据

系统类型稳定条件
连续时间 LTI传递函数所有极点在 s 平面左半平面
离散时间 LTI传递函数所有极点在 z 平面单位圆内

学习建议

  1. 掌握变换对和性质表:这是快速解题的基础
  2. 理解卷积的物理意义:图解法是最好的入门
  3. 重视对称性:无论傅里叶级数还是 DFT,对称性都能大幅简化计算
  4. MATLAB 实践:教材的最大特色——每章都有 MATLAB 示例,动手验证比死记公式有效
  5. 滤波器设计要理解权衡:没有”最好”的滤波器,只有最适合的——Butterworth 相位好、Elliptic 阶数低、Chebyshev 介于两者之间

关联笔记