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1、第九章拉普拉斯变换第1页，共101页，编辑于2022年，星期三4.双边拉普拉斯变换的性质；双边拉普拉斯变换的性质；本章基本内容：本章基本内容：1.双边拉普拉斯变换；双边拉普拉斯变换；2.双边拉普拉斯变换的收敛域；双边拉普拉斯变换的收敛域；5.系统函数；系统函数；6.单边拉普拉斯变换；单边拉普拉斯变换；3.零极点图；零极点图；第2页，共101页，编辑于2022年，星期三9.0 引言引言 Introduction 傅里叶变换是以复指数函数的特例傅里叶变换是以复指数函数的特例 和和 为为基底分解信号的。对更一般的复指数函数基底分解信号的。对更一般的复指数函数 和和 ，也理应能以此为基底对信号进行分解
2、。也理应能以此为基底对信号进行分解。傅里叶分析方法之所以在信号与傅里叶分析方法之所以在信号与LTI系统分析中如系统分析中如此有用，很大程度上是因为相当广泛的信号都可以表示此有用，很大程度上是因为相当广泛的信号都可以表示成复指数信号的线性组合，而成复指数信号的线性组合，而复指数函数是一切复指数函数是一切 LTI 系系统的特征函数。统的特征函数。第3页，共101页，编辑于2022年，星期三 通过本章及下一章，会看到拉普拉斯变换和通过本章及下一章，会看到拉普拉斯变换和变换变换不仅具有很多与傅里叶变换相同的重要性质，不仅能不仅具有很多与傅里叶变换相同的重要性质，不仅能解解决决用傅里叶分析方法可以解决的
3、信号与系统分析问题，用傅里叶分析方法可以解决的信号与系统分析问题，而且还能而且还能用于用于傅里叶分析方法不适用的许多方面。傅里叶分析方法不适用的许多方面。拉拉普拉斯变换与普拉斯变换与变换的分析方法是傅里叶分析法的推变换的分析方法是傅里叶分析法的推广，傅里叶分析是它们的特例。广，傅里叶分析是它们的特例。将傅里叶变换推广到更一般的情况就是本章及下一章将傅里叶变换推广到更一般的情况就是本章及下一章要讨论的中心问题。要讨论的中心问题。第4页，共101页，编辑于2022年，星期三9.1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换 复指数信号复指数信号 是一切是一切LTI系统的特征函数。系统的特征函数。如果如果LTI系统的
4、单位冲激响应为系统的单位冲激响应为 ，则系统对，则系统对 产生的响应是产生的响应是:，其中，其中显然当显然当 时，就是连续时间傅里叶变换。时，就是连续时间傅里叶变换。The Laplace Transform第5页，共101页，编辑于2022年，星期三一一.双边拉氏变换的定义：双边拉氏变换的定义：称为称为 的的双边拉氏变换双边拉氏变换，其中，其中 。若若 ，则有则有:这就是这就是 的傅里叶变换。的傅里叶变换。表明：表明：连续时间傅里叶变换是双边拉普拉斯变换在连续时间傅里叶变换是双边拉普拉斯变换在 或是在或是在 轴上的特例。轴上的特例。第6页，共101页，编辑于2022年，星期三由于由于 所以所
5、以拉氏变换是对傅里叶变换的推广拉氏变换是对傅里叶变换的推广，的的拉氏变换就是拉氏变换就是 的傅里叶变换。只要有合适的傅里叶变换。只要有合适的的 存在，就可以使某些本来不满足狄里赫利条件存在，就可以使某些本来不满足狄里赫利条件的信号在引入的信号在引入 后满足该条件。即有些信号的傅后满足该条件。即有些信号的傅氏变换不收敛而它的拉氏变换存在。这表明氏变换不收敛而它的拉氏变换存在。这表明拉氏变拉氏变换比傅里叶变换有更广泛的适用性。换比傅里叶变换有更广泛的适用性。第7页，共101页，编辑于2022年，星期三例例1.在在 时，积分收敛。时，积分收敛。当当 时，时，的傅里叶变换存在的傅里叶变换存在显然，在显
6、然，在 时，拉氏变换收敛的区域为时，拉氏变换收敛的区域为 ，包括了，包括了 （即（即 轴）。轴）。第8页，共101页，编辑于2022年，星期三比较比较 和和 ，显然有，显然有 当当 时，时，可知可知例例2.与例与例1.比较，区别仅在于收敛域不同。比较，区别仅在于收敛域不同。第9页，共101页，编辑于2022年，星期三由以上例子，可以看出由以上例子，可以看出:1.拉氏变换与傅里叶变换一样存在收敛问题。拉氏变换与傅里叶变换一样存在收敛问题。并非并非任何信号的拉氏变换都存在，也不是任何信号的拉氏变换都存在，也不是 S 平面上的任平面上的任何复数都能使拉氏变换收敛。何复数都能使拉氏变换收敛。2.使拉氏
7、变换积分收敛的那些复数使拉氏变换积分收敛的那些复数 S的集合，称为的集合，称为拉氏变换的拉氏变换的收敛域收敛域。拉氏变换的拉氏变换的收敛域收敛域 ROC（Region of Convergence）对拉氏变换）对拉氏变换是非常重要的概是非常重要的概念。念。第10页，共101页，编辑于2022年，星期三3.不同的信号可能会有完全相同的拉氏变换表达式，只不同的信号可能会有完全相同的拉氏变换表达式，只是它们的收敛域不同。是它们的收敛域不同。5.如果拉氏变换的如果拉氏变换的ROC包含包含 轴，则有轴，则有4.只有只有拉氏变换的表达式拉氏变换的表达式连同连同相应的收敛域相应的收敛域，才能和，才能和信号建
8、立一一对应的关系信号建立一一对应的关系。第11页，共101页，编辑于2022年，星期三二二.拉氏变换的拉氏变换的ROC及零极点图：及零极点图：例例3.第12页，共101页，编辑于2022年，星期三可见：可见：拉氏变换的收敛域是各个收敛域的公共部分拉氏变换的收敛域是各个收敛域的公共部分。ROC总是以平行于总是以平行于 轴的直线作为边界的，轴的直线作为边界的，ROC的边界总是与的边界总是与 的的分母的根分母的根相对应的。相对应的。若若 是有理函数是有理函数第13页，共101页，编辑于2022年，星期三 分子多项式的根称为分子多项式的根称为零点零点，分母多项式的根称，分母多项式的根称为为极点极点。将
9、将 的全部零点和极点表示在的全部零点和极点表示在S平面上，平面上，就构成了就构成了零极点图零极点图。零极点图及其收敛域可以。零极点图及其收敛域可以表示一个表示一个 ，最多与真实的，最多与真实的 相差一个常相差一个常数因子数因子 。因此，因此，零极点图是拉氏变换的图示方法零极点图是拉氏变换的图示方法。第14页，共101页，编辑于2022年，星期三9.2 拉氏变换的收敛域拉氏变换的收敛域v可以归纳出可以归纳出ROC的以下性质：的以下性质：The Region of Convergence for Laplace Transforms4.右边信号的右边信号的ROC位于位于S平面平面内一条平行于内一条
10、平行于 轴的直线的右边。轴的直线的右边。3.时限信号的时限信号的ROC是整个是整个 S 平面。平面。2.在在ROC内内无任何极点无任何极点。1.ROC是是 S 平面上平行于平面上平行于 轴的带形区域。轴的带形区域。第15页，共101页，编辑于2022年，星期三5.左边信号的左边信号的ROC位于位于S平面内一条平行于平面内一条平行于 轴轴的直线的左边。的直线的左边。6.双边信号的双边信号的ROC如果存在，一定是如果存在，一定是 S 平面内平行平面内平行于于 轴的带形区域。轴的带形区域。第16页，共101页，编辑于2022年，星期三若若 ，则，则表明表明 也在收敛域内。也在收敛域内。若若 是右边信
11、号是右边信号,在在ROC内内，则有则有 绝对可积，即：绝对可积，即：第17页，共101页，编辑于2022年，星期三5.左边信号的左边信号的ROC位于位于S平面内一条平行于平面内一条平行于 轴轴的直线的左边。的直线的左边。若若 是左边信号，定义于是左边信号，定义于 ,在在 ROC 内，内，则，则表明表明 也在收敛域内。也在收敛域内。第18页，共101页，编辑于2022年，星期三6.双边信号的双边信号的ROC如果存在，一定是如果存在，一定是 S 平面内平面内平行于平行于 轴的带形区域。轴的带形区域。例例1.(时限信号时限信号)其它其它第19页，共101页，编辑于2022年，星期三考查零点，令考查零
12、点，令例例2.有极点有极点 显然显然 在在 也有一阶零点，由于零极也有一阶零点，由于零极点相抵消，致使在整个点相抵消，致使在整个S平面上无极点。平面上无极点。得得（k为整数）为整数）第20页，共101页，编辑于2022年，星期三当当 时，上述时，上述ROC有公共部分，有公共部分，当当 时，上述时，上述 ROC 无公共部分，表明无公共部分，表明 不不存在。存在。第21页，共101页，编辑于2022年，星期三 当当 是有理函数时，其是有理函数时，其ROC总是由总是由 的的极极点分割点分割的。的。ROC必然满足下列规律：必然满足下列规律：3.双边信号的双边信号的ROC可以是任意可以是任意两相邻极点之
13、间的两相邻极点之间的带形区域带形区域。2.左边信号左边信号的的ROC一定位于一定位于 最左边最左边极点的左边。极点的左边。1.右边信号右边信号的的ROC一定位于一定位于 最右边最右边极点的右边。极点的右边。第22页，共101页，编辑于2022年，星期三例例3.可以形成三种可以形成三种 ROC：1)ROC：2)ROC：3)ROC：此时此时 是是右边信号右边信号。此时此时 是是左边信号左边信号。此时此时 是是双边信号双边信号。第23页，共101页，编辑于2022年，星期三在三种在三种 ROC下：下：1)ROC：2)ROC：此时此时 是是右边信号右边信号。第24页，共101页，编辑于2022年，星期
14、三第25页，共101页，编辑于2022年，星期三The Inverse Laplace Transform 一一.定义：定义：由由若若 在在ROC内，则有内，则有:9.3 拉普拉斯反变换拉普拉斯反变换第26页，共101页，编辑于2022年，星期三 当当 从从 时时,从从由由得得 拉氏反变换表明拉氏反变换表明:可以被分解成复振幅为可以被分解成复振幅为 的复指数信号的复指数信号 的线性组合。的线性组合。的反变换的反变换第27页，共101页，编辑于2022年，星期三二二.拉氏反变换的求法拉氏反变换的求法:对有理函数形式的对有理函数形式的 求反变换一般有两种方求反变换一般有两种方法法,即即部分分式展开
15、法部分分式展开法和和留数法留数法。1.将将 展开为部分分式。展开为部分分式。v 部分分式展开法部分分式展开法：3.利用常用信号的变换对与拉氏变换的性质利用常用信号的变换对与拉氏变换的性质,对对每一项进行反变换。每一项进行反变换。2.根据根据 的的ROC，确定每一项的，确定每一项的ROC。第28页，共101页，编辑于2022年，星期三极点：极点：确定其可能的收敛域及所对应信号的属性。确定其可能的收敛域及所对应信号的属性。例例1.右边信号右边信号左边信号左边信号双边信号双边信号第29页，共101页，编辑于2022年，星期三例例2.第30页，共101页，编辑于2022年，星期三1.求出求出 的全部极
16、的全部极点。点。v 留数法留数法（当（当 是有理函数时）：是有理函数时）：3.求出求出 在在 ROC 右边右边的所有极点的所有极点处的留数之和，处的留数之和，并加负号并加负号，它们构成了，它们构成了 的反因果部分。的反因果部分。2.求出求出 在在 ROC 左边左边的所有极点的所有极点处的留数之和，它们构成了处的留数之和，它们构成了 的因果部分。的因果部分。第31页，共101页，编辑于2022年，星期三例例3.的极点的极点 位于位于ROC的右边，的右边，位于位于ROC的左边。的左边。第32页，共101页，编辑于2022年，星期三v可以用零极点图表示可以用零极点图表示 的特征的特征。当。当ROC包
17、括包括轴时，以轴时，以 代入代入 ，就可以得到，就可以得到 。以。以此为基础可以用几何求值的方法从零极点图此为基础可以用几何求值的方法从零极点图求得求得 的特性。这在的特性。这在定性分析定性分析系统频率特性系统频率特性时有很大用处。时有很大用处。Geometric Evaluation of the Fourier Transform from the Pole-Zero Plot9.4 由零极点图对傅里叶变换几何求值由零极点图对傅里叶变换几何求值第33页，共101页，编辑于2022年，星期三1.单零点情况：单零点情况：矢量矢量 称为称为零点矢量零点矢量，它的长度，它的长度 表示表示 ,其幅角
18、即为其幅角即为 。0 零点零点 ,要求出要求出 时的时的 ，可以，可以作两个矢量作两个矢量 和和 ，则，则 。第34页，共101页，编辑于2022年，星期三极点极点 直接由极点向直接由极点向 点作矢量（称为点作矢量（称为极点矢量极点矢量），），其长度的倒量为其长度的倒量为 ,幅角的负值为幅角的负值为 。2.单极点情况：单极点情况：0第35页，共101页，编辑于2022年，星期三 因此有因此有:对有理函数形式的对有理函数形式的3.一般情况：一般情况：第36页，共101页，编辑于2022年，星期三 即：从所有零点向即：从所有零点向 点作点作零点矢量零点矢量，从所有极，从所有极点向点向 点作点作极点
19、矢量极点矢量。所有零点矢量的长度之积。所有零点矢量的长度之积除以所有极点矢量的长度之积即为除以所有极点矢量的长度之积即为 。所有。所有零点矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之零点矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之和即为和即为 。当当 取为取为 轴上的点时，即为傅里叶变换的轴上的点时，即为傅里叶变换的几何求值。几何求值。考查考查 在在 轴上移动时所有零、极轴上移动时所有零、极点矢量的长度和幅角的变化点矢量的长度和幅角的变化，即可得出，即可得出 的的幅频特性和相频特性。幅频特性和相频特性。第37页，共101页，编辑于2022年，星期三例例1.一阶系统：一阶系统：随着随着 ，单调下降，单调下降
20、，时时,下降到最大值的下降到最大值的最大值在最大值在 时取得。时取得。第38页，共101页，编辑于2022年，星期三相位特性：当相位特性：当 时，时，随着随着 ，趋向于趋向于 。则则 趋向趋向于于 。第39页，共101页，编辑于2022年，星期三例例2.二阶系统：二阶系统：第40页，共101页，编辑于2022年，星期三第41页，共101页，编辑于2022年，星期三 1.当当 时，时，有两个实数极点，此时系有两个实数极点，此时系统处于统处于过阻尼状态过阻尼状态。起主要作用。随着起主要作用。随着 ,两极点相向移动，向两极点相向移动，向 处靠拢。处靠拢。2.当当 时，两极点重合于时，两极点重合于 处
21、，成为二阶处，成为二阶极点。系统处于极点。系统处于临界阻尼状态临界阻尼状态。第42页，共101页，编辑于2022年，星期三 3.进一步减小，则二阶进一步减小，则二阶 极点分裂为极点分裂为共轭复数共轭复数极点，极点，且随且随 的减小而逐步靠近的减小而逐步靠近 轴。极轴。极点运动的轨迹点运动的轨迹根轨迹是一个半径为根轨迹是一个半径为 的圆的圆周周。此时系统处于此时系统处于欠阻尼状态欠阻尼状态，随着，随着 ，位于第，位于第2象限的极点矢量比第象限的极点矢量比第3 象限的极点矢量更短，因象限的极点矢量更短，因此它对系统特性的影响较大（被称为此它对系统特性的影响较大（被称为主极点主极点）。）。当当 时，
22、由于该极点矢量变得很短，因而时，由于该极点矢量变得很短，因而 会使会使 出现峰值。其峰点位于出现峰值。其峰点位于 处，处，第43页，共101页，编辑于2022年，星期三 峰值为峰值为 在在 时，若认为时，若认为主极点矢量主极点矢量增长增长 倍倍时，对应的频率是系统带宽的截止频率，则可以时，对应的频率是系统带宽的截止频率，则可以近似确定此时的系统带宽约为近似确定此时的系统带宽约为 。第44页，共101页，编辑于2022年，星期三4.当当 时，两极点分别位于时，两极点分别位于 轴上轴上的的 处，此时系统处于处，此时系统处于无阻尼状态无阻尼状态。系统的相位特性也可以从零极点图得到。此系统的相位特性也
23、可以从零极点图得到。此时，只需考察当动点沿时，只需考察当动点沿 轴移动时所有极点轴移动时所有极点矢量和所有零点矢量的幅角变化，用所有零点矢量和所有零点矢量的幅角变化，用所有零点矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之和，矢量的幅角之和减去所有极点矢量的幅角之和，即可得到系统的相位特性。即可得到系统的相位特性。第45页，共101页，编辑于2022年，星期三例例3.全通系统：全通系统：考查零极点对称分布的系统考查零极点对称分布的系统（一阶全通系统（一阶全通系统）v 该系统的该系统的 在任何时候都等于在任何时候都等于1 1，所以，所以 称为称为全通系统全通系统。第46页，共101页，编辑于2022年，
24、星期三v 其相位特性其相位特性全通系统的零极点分布呈四角对称特征全通系统的零极点分布呈四角对称特征。三阶全通系统三阶全通系统全通系统被广泛用于对系统进行相位均衡。全通系统被广泛用于对系统进行相位均衡。第47页，共101页，编辑于2022年，星期三可以不讲例可以不讲例4.最小相位系统：最小相位系统：考察两个系统，它们的极点相同，零点分布关考察两个系统，它们的极点相同，零点分布关于于 轴对称。其中一个系统的零点均在左半平轴对称。其中一个系统的零点均在左半平面，另一个系统的零点均在右半平面。面，另一个系统的零点均在右半平面。第48页，共101页，编辑于2022年，星期三 显然这两个系统的幅频特性是相
25、同的。但零点在左显然这两个系统的幅频特性是相同的。但零点在左半平面的系统其相位总小于零点在右半平面的系统。半平面的系统其相位总小于零点在右半平面的系统。因此将因此将零极点均位于左半平面的系统称为最小相位零极点均位于左半平面的系统称为最小相位系统。系统。工程应用中设计的各种频率选择性滤波器，如：工程应用中设计的各种频率选择性滤波器，如：Butterworth、Chebyshev、Cauer滤波器都是最滤波器都是最小相位系统。小相位系统。第49页，共101页，编辑于2022年，星期三 当工程应用中要求实现一个非最小相位系统时，当工程应用中要求实现一个非最小相位系统时，通常采用将一个最小相位系统和一
26、个全通系统级通常采用将一个最小相位系统和一个全通系统级联来实现。联来实现。从本质上讲从本质上讲系统的特性是由系统的零、极点分系统的特性是由系统的零、极点分布决定的布决定的。对系统进行优化设计，实质上就是优化其。对系统进行优化设计，实质上就是优化其零、极点的位置。零、极点的位置。最小相位系统最小相位系统全通系统全通系统第50页，共101页，编辑于2022年，星期三最小相位系统最小相位系统全通系统全通系统非最小相位系统非最小相位系统抵抵消消第51页，共101页，编辑于2022年，星期三Properties of the Laplace Transform则则ROC至少是至少是9.5 拉氏变换的性质
27、拉氏变换的性质v 拉氏变换与傅氏变换一样具有很多重要的性拉氏变换与傅氏变换一样具有很多重要的性质。这里只着重于质。这里只着重于ROC的讨论。的讨论。1.线性（线性（Linearity）：）：若若第52页，共101页，编辑于2022年，星期三而而ROC扩大为整个扩大为整个S平面。平面。v 当当 与与 无交集时，表明无交集时，表明 不存在。不存在。例例.（原因是出现了零（原因是出现了零极点相抵消的现象）极点相抵消的现象）第53页，共101页，编辑于2022年，星期三2.时移性质（时移性质（Time Shifting）:若若ROC不变不变则则3.S域平移（域平移（Shifting in the s-
28、Domain）:若若则则 表明表明 的的ROC是将是将 的的ROC平移了一平移了一个个 。这里是指。这里是指ROC的边界的边界平移平移。第54页，共101页，编辑于2022年，星期三例例.显然显然第55页，共101页，编辑于2022年，星期三 4.时域尺度变换（时域尺度变换（Time Scaling）:若若则则例例.求求 的拉氏变换及的拉氏变换及ROC当当 时时 收敛，收敛，时时 收敛收敛第56页，共101页，编辑于2022年，星期三 可见：可见：若信号在时域尺度变换，其拉氏变换的若信号在时域尺度变换，其拉氏变换的ROC在在S平面上作相反的尺度变换。平面上作相反的尺度变换。例例5.共轭对称共轭
29、对称性性（Conjugation）：）：若若则则第57页，共101页，编辑于2022年，星期三 如果如果 是实信号，且是实信号，且 在在 有极点（或零有极点（或零点），则点），则 一定在一定在 也有极点（或零点）。这也有极点（或零点）。这表明：表明：实信号的拉氏变换其复数零、极点必共轭实信号的拉氏变换其复数零、极点必共轭成对出现成对出现。当当 为实信号时，有：为实信号时，有：由此可得以下由此可得以下重要结论重要结论：或或第58页，共101页，编辑于2022年，星期三包括包括 6.卷积性质卷积性质:（Convolution Property）若若则则显然有显然有:例例.第59页，共101页，编辑
30、于2022年，星期三ROC扩大扩大 原因是原因是 与与 相乘时，发生了零相乘时，发生了零极点相抵消的现象。当被抵消的极点恰好在极点相抵消的现象。当被抵消的极点恰好在ROC的边界上时，就会使收敛域扩大。的边界上时，就会使收敛域扩大。7.时域微分时域微分:（Differentiation in theTime Domain）ROC包括包括,有可能扩大。有可能扩大。若若则则第60页，共101页，编辑于2022年，星期三8.S域微分域微分:（Differentiation in the s-Domain）若若则则例例.求求第61页，共101页，编辑于2022年，星期三 9.时域积分时域积分:（Inte
31、gration in the Time Domain）若若包括包括则则包括包括第62页，共101页，编辑于2022年，星期三 如果如果 是是因果信号因果信号，且在，且在 不包含奇异函不包含奇异函数，则数，则初值定理初值定理时时 ，且在，且在 不包含奇异函数。不包含奇异函数。证明证明:将将 在在 展开为展开为Taylor级数有：级数有：10.初值与终值定理初值与终值定理:（The Initial-and Final-Value Theorems)第63页，共101页，编辑于2022年，星期三对上式两边做拉氏变换：对上式两边做拉氏变换：第64页，共101页，编辑于2022年，星期三 如果如果 是是
32、因果信号因果信号，且在，且在 不包含奇异不包含奇异函数，函数，除了在除了在 可以有单阶极点外，其可以有单阶极点外，其余极点均在余极点均在S平面的左半边，则平面的左半边，则终值定理终值定理是因果信号，且在是因果信号，且在 无奇异函数无奇异函数,证证:第65页，共101页，编辑于2022年，星期三的实部的实部 可以大于零，因此可以大于零，因此 除了在除了在 可以有一阶极点外，其它可以有一阶极点外，其它极点均在极点均在S平面平面的左半平面（即的左半平面（即保证保证 有终值有终值），），故故 的的ROC中必包含中必包含 轴。表明：轴。表明：当当 时，时，第66页，共101页，编辑于2022年，星期三极
33、点在极点在S平面的分布与信号终值的关系平面的分布与信号终值的关系第67页，共101页，编辑于2022年，星期三Some Laplace Transform Pairs9.6 常用拉氏变换对常用拉氏变换对 第68页，共101页，编辑于2022年，星期三Analysis and Characterized of LTI Systems Using the Laplace Transform一一.系统函数的概念：系统函数的概念：以卷积特性为基础，可以建立以卷积特性为基础，可以建立LTI系统的拉氏变换系统的拉氏变换分析方法，即分析方法，即 其中其中 是是 的拉氏变换，称为的拉氏变换，称为系统函数系统函
34、数或或转移函数、传递函数转移函数、传递函数。9.7 用拉氏变换分析与表征用拉氏变换分析与表征LTI系统系统第69页，共101页，编辑于2022年，星期三 这就是这就是LTI系统的傅里叶分析。系统的傅里叶分析。即是系统的即是系统的频率响应频率响应。这些方法之所以成立的本质原因在于这些方法之所以成立的本质原因在于复指数函复指数函数是一切数是一切LTI系统的特征函数系统的特征函数。当以。当以 为基底分为基底分解信号时，解信号时，LTI系统系统对输入信号的响应就是对输入信号的响应就是 如果如果 的的ROC包括包括 轴，则轴，则 和和 的的ROC必定包括必定包括 轴，以轴，以 代入，即有代入，即有第70
35、页，共101页，编辑于2022年，星期三 连同相应的连同相应的ROC也能完全描述一个也能完全描述一个LTI系系统。系统的许多重要特性在统。系统的许多重要特性在 及其及其ROC中一定有中一定有具体的体现。具体的体现。；而以而以 为基底分解信号时，系为基底分解信号时，系统的输出响应就是统的输出响应就是 。二二.用系统函数表征用系统函数表征LTI系统：系统：1.因果性：因果性：如果如果 时时 ，则，则系统是因果的系统是因果的。第71页，共101页，编辑于2022年，星期三如果如果 时时 ，则，则系统是反因果的系统是反因果的。因此，因此，因果系统因果系统的的 是右边信号，其是右边信号，其 的的ROC必
36、是最右边极点的右边必是最右边极点的右边。由于。由于反因果系统反因果系统的的 是左边信号，其是左边信号，其 的的ROC必是最左边必是最左边极点的左边。极点的左边。应该强调指出，由应该强调指出，由ROC的特征，反过来并不能判的特征，反过来并不能判定系统是否因果。定系统是否因果。ROC是最右边极点的右边并不一是最右边极点的右边并不一定系统因果定系统因果。第72页，共101页，编辑于2022年，星期三2.稳定性：稳定性：如果系统稳定，则有如果系统稳定，则有 。因此。因此 必存在。意味着必存在。意味着 的的ROC必然包括必然包括 轴。轴。只有当只有当 是有理函数时，逆命题才成立。是有理函数时，逆命题才成
37、立。综合以上两点，可以得到：综合以上两点，可以得到：因果稳定系统的因果稳定系统的 ，其全部极点必须位于，其全部极点必须位于S平面的左半边。平面的左半边。第73页，共101页，编辑于2022年，星期三例例1.某系统的某系统的 显然该系统是因果的，确定系统的稳定性。显然该系统是因果的，确定系统的稳定性。显然，显然，ROC是最右边极点的右边。是最右边极点的右边。ROC包括包括 轴轴系统也是稳定的。系统也是稳定的。的全部极点都在的全部极点都在S平面的左半边。平面的左半边。第74页，共101页，编辑于2022年，星期三例例2.若有若有 的的ROC是最右边极点的右边，但是最右边极点的右边，但 是是非有理函
38、数，非有理函数，系统是非因果系统是非因果的的。由于由于ROC包括包括 轴，该系统仍是稳定的。轴，该系统仍是稳定的。而对系统而对系统 仍是非有理函数，仍是非有理函数，ROC是最右边极点的右是最右边极点的右边，边，但由于但由于 ，系统是因果的。，系统是因果的。果的处不为零，因此是非因系统在0t1-第75页，共101页，编辑于2022年，星期三结结 论：论：1.如果如果LTI系统的系统的系统函数是有理函数系统函数是有理函数，且全部极点，且全部极点位于位于S平面的左半平面，则系统是因果、稳定的。平面的左半平面，则系统是因果、稳定的。2.如果如果LTI系统的系统的系统函数是有理函数系统函数是有理函数，且
39、系统是因果，且系统是因果的，则系统函数的的，则系统函数的ROC是最右边极点的右边。若是最右边极点的右边。若系统反因果，则系统函数的系统反因果，则系统函数的ROC是最左边极点的是最左边极点的左边。左边。第76页，共101页，编辑于2022年，星期三 3.如果如果LTI系统是稳定的，则系统函数的系统是稳定的，则系统函数的ROC必然必然包括包括 轴。轴。三三.由由LCCDE描述的描述的LTI系统的系统函数：系统的系统函数：对对做拉氏变换，可得做拉氏变换，可得是一个有理函数是一个有理函数第77页，共101页，编辑于2022年，星期三的的ROC需要由系统的相关特性来确定。需要由系统的相关特性来确定。1）
40、如果）如果LCCDE具有一组全部为零的初始条件，具有一组全部为零的初始条件，则则 的的ROC必是最右边极点的右边。必是最右边极点的右边。2）如果已知）如果已知LCCDE描述的系统是因果的，则描述的系统是因果的，则 的的ROC必是最右边极点的右边。必是最右边极点的右边。3）如果已知）如果已知LCCDE描述的系统是稳定的，则描述的系统是稳定的，则 的的ROC 必包括必包括 轴。轴。第78页，共101页，编辑于2022年，星期三四四.系统特性与系统函数的关系系统特性与系统函数的关系:自学。请关注例自学。请关注例9.25、9.26、9.27 五五.Butterworth滤波器滤波器:通常通常Butte
41、rworth滤波器的特性由频率响应的模平滤波器的特性由频率响应的模平方函数给出。对方函数给出。对N阶阶 Butterworth低通滤波器有：低通滤波器有：（N为滤波器的阶数）为滤波器的阶数）第79页，共101页，编辑于2022年，星期三由于由于Butterworth滤波器的冲激响应应该是实信号，滤波器的冲激响应应该是实信号，将将 函数拓展到整个函数拓展到整个S平面有：平面有：共有共有2N个极点个极点第80页，共101页，编辑于2022年，星期三 表明表明N阶阶Butterworth低通滤波器模平方函数的低通滤波器模平方函数的全部全部2N个极点均匀分布在半径为个极点均匀分布在半径为 的圆周上的圆
42、周上。极点分布的特征：极点分布的特征：v 极点分布总是关于原点对称的。极点分布总是关于原点对称的。v 相邻两极点之间的角度差为相邻两极点之间的角度差为 。v 轴上不会有极点。当轴上不会有极点。当N为奇数时在实轴上为奇数时在实轴上 有极点，有极点，N为偶数时实轴上无极点。为偶数时实轴上无极点。v 2N个极点等间隔均匀分布在半径为个极点等间隔均匀分布在半径为 的圆的圆周上。周上。第81页，共101页，编辑于2022年，星期三 要实现的滤波器应该是因果稳定系统，因此要实现的滤波器应该是因果稳定系统，因此位于左半平面的位于左半平面的N个极点一定是属于个极点一定是属于 的。的。据此，确定出据此，确定出
43、后，也就可以综合出一个后，也就可以综合出一个Butterworth 滤波器。滤波器。第82页，共101页，编辑于2022年，星期三9.8 系统函数的代数属性与方框图表示系统函数的代数属性与方框图表示System Function Algebra and Block Diagram Representations一一.系统互联时的系统系统互联时的系统函数函数：1.级联：级联：包括包括第83页，共101页，编辑于2022年，星期三3.反馈联结：反馈联结：2.并联：并联：包括包括包括包括第84页，共101页，编辑于2022年，星期三二二.LTI系统的级联和并联型系统的级联和并联型结构结构：LTI系统
44、可以由一个系统可以由一个LCCDE来描述。来描述。对其进行拉氏变换有：对其进行拉氏变换有：是一个有理函数是一个有理函数第85页，共101页，编辑于2022年，星期三1.级联结构：级联结构：将将 的分子和分母多项式因式分解的分子和分母多项式因式分解 这表明：这表明：一个一个N阶的阶的LTI系统可以分解为若干个二系统可以分解为若干个二阶系统和一阶系统的级联。在阶系统和一阶系统的级联。在N为偶数时，可以全部为偶数时，可以全部组合成二阶系统的级联形式。组合成二阶系统的级联形式。第86页，共101页，编辑于2022年，星期三其中其中如果如果N为奇数，则有一个一阶系统出现。为奇数，则有一个一阶系统出现。第
45、87页，共101页，编辑于2022年，星期三2.并联结构：并联结构：将将 展开为部分分式展开为部分分式 (假定假定 的分子阶的分子阶数不高于分母阶数，所有极点都是单阶的），数不高于分母阶数，所有极点都是单阶的），则有：则有：将将共轭成对的复数极点共轭成对的复数极点所对应的两项合并所对应的两项合并:（N为偶数时）为偶数时）第88页，共101页，编辑于2022年，星期三 N为偶数时又可将任意两个一阶项合并为二阶项，为偶数时又可将任意两个一阶项合并为二阶项，由此可得出系统的并联结构：由此可得出系统的并联结构：第89页，共101页，编辑于2022年，星期三The Unilateral Laplace
46、Transform 单边拉氏变换是双边拉氏变换的特例。也就是因单边拉氏变换是双边拉氏变换的特例。也就是因果信号的双边拉氏变换。单边拉氏变换对分析果信号的双边拉氏变换。单边拉氏变换对分析LCCDE 描述的描述的增量线性系统增量线性系统具有重要的意义。具有重要的意义。一一.定义定义:如果如果 是因果信号，对其做双边拉氏变换和是因果信号，对其做双边拉氏变换和做单边拉氏变换是完全相同的。做单边拉氏变换是完全相同的。不讲不讲9.9 单边拉普拉斯变换单边拉普拉斯变换第90页，共101页，编辑于2022年，星期三 单边拉氏变换也同样存在单边拉氏变换也同样存在ROC。其。其ROC必然遵从必然遵从因果信号双边拉
47、氏变换时的要求，即：因果信号双边拉氏变换时的要求，即：一定位于最一定位于最右边极点的右边。右边极点的右边。正因为这一原因，在讨论单边拉氏变换时，一正因为这一原因，在讨论单边拉氏变换时，一般不再强调其般不再强调其ROC。单边拉氏变换的反变换一定与双边拉氏变换的反单边拉氏变换的反变换一定与双边拉氏变换的反变换相同。变换相同。第91页，共101页，编辑于2022年，星期三做单边拉氏变换：做单边拉氏变换：例例1.做双边拉氏变换：做双边拉氏变换：第92页，共101页，编辑于2022年，星期三例例2.与与 不同，是因为不同，是因为 在在 的部分的部分对对 有作用，而对有作用，而对 没有任何作用所致。没有任
48、何作用所致。由于其由于其ROC为为第93页，共101页，编辑于2022年，星期三二二.单边拉氏变换的性质单边拉氏变换的性质:单边拉氏变换的大部分性质与双边拉氏变换相同，单边拉氏变换的大部分性质与双边拉氏变换相同，但也有几个不同的性质。但也有几个不同的性质。1.时域微分（时域微分（Differentiation in the Time Domain）若若则则第94页，共101页，编辑于2022年，星期三2.时域积分（时域积分（Integration in the Time Domain）第95页，共101页，编辑于2022年，星期三3.时延性质（时延性质（Time Shifting）是因果信号时
49、，单边拉氏变换的时延特性是因果信号时，单边拉氏变换的时延特性与双边变换时一致。与双边变换时一致。不是因果信号时，不是因果信号时，则则若若第96页，共101页，编辑于2022年，星期三三三.利用单边拉氏变换分析增量线性系统利用单边拉氏变换分析增量线性系统:单边拉氏变换特别适合于求解由单边拉氏变换特别适合于求解由LCCDE描述的增量描述的增量线性系统。线性系统。例例.某某LTI系统由微分方程描述系统由微分方程描述第97页，共101页，编辑于2022年，星期三求响应求响应解：对方程两边做单边拉氏变换：解：对方程两边做单边拉氏变换：代入代入可得可得:第98页，共101页，编辑于2022年，星期三其中，
50、第一项为其中，第一项为强迫响应强迫响应，其它为，其它为自然响应。自然响应。第99页，共101页，编辑于2022年，星期三9.10 小结小结 Summaryv ROC 是双边拉氏变换的重要概念。离开了收敛是双边拉氏变换的重要概念。离开了收敛域域ROC，信号与双边拉氏变换的表达式将不再有一信号与双边拉氏变换的表达式将不再有一一对应的关系。一对应的关系。v 拉氏变换是傅氏变换的推广，在拉氏变换是傅氏变换的推广，在LTI系统分析中特别系统分析中特别有用。它可以将微分方程变为代数方程，这对分析系有用。它可以将微分方程变为代数方程，这对分析系统互联、系统结构、用系统函数表征系统、分析系统统互联、系统结构、