Signals and Systems, Tsinghua University1 优秀精品课件文档资料粕补翘窜争梁兔潭淳核撬淀炮邱淀裤毙峭艳朽沪危忻招颜眩慨篇挤忘腋矛信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University2 第6章 信号的矢量空间分析信号信号矢量空间矢量空间的基本概念；的基本概念；信号的正交函数分解；信号的正交函数分解；相关；相关；能量谱和功率谱；能量谱和功率谱；信号通过线性系统的自相关函数、能量谱和功率谱信号通过线性系统的自相关函数、能量谱和功率谱分析分析相关、正交概念的应用：相关、正交概念的应用：匹配滤波器匹配滤波器，CDMA其沟畏渴弥堆霜隘拴白致减中敦责肖戚漏点挖镀彭证莱棺婚棍兜靠汗察妮信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University3 6.1 信号矢量空间的基本概念线性空间线性空间 范数范数 内积内积 柯西施瓦茨不等式柯西施瓦茨不等式苇芝肾包角乐行征滁玖匹宪酶隧廖怕阴诧陈瓶凭溜淖旷懒定虏充骄破赋篷信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University4 一一线性空间线性空间现代信号分析现代信号分析理论要借助于理论要借助于泛函分析泛函分析等数学工具；等数学工具；泛函分析中，一个重要概念是泛函分析中，一个重要概念是函数空间函数空间，即由函数，即由函数构成的集合，并在集合上赋予各种代数、拓扑结构构成的集合，并在集合上赋予各种代数、拓扑结构.线性空间线性空间：设设X为一非空集合，若在为一非空集合，若在X中规定了元素的中规定了元素的加法加法和和元素的元素的数乘数乘运算，并满足相应的运算，并满足相应的结合律结合律及及分配律分配律，则称则称X为一线性空间。为一线性空间。咬索俩焰溃细塞钓鸯扩继俞辛蔫携疵沃兹油戮娜噬李衬份魄鲜牌丁椽千蘸信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University5 (1) N维实数空间维实数空间R N R N 空间的元素空间的元素 x 由由 N 个有序的实数组成个有序的实数组成x与元素与元素 y=(y1, y2, , yN)T 相加及与相加及与a数乘定义为数乘定义为 如果上述定义中实数改为复数，则构成如果上述定义中实数改为复数，则构成复数空间复数空间CN(2) 连续函数空间连续函数空间 L 在区间在区间a,b上全部连续函数的集合构成该空间。上全部连续函数的集合构成该空间。各函数的相加和倍乘定义为各函数的相加和倍乘定义为(x+y)(t)=x(t)+y(t), tR(ax)(t)=a x(t), tR郧氓邹泵姜酋刑箕含前倾评弊后韭褪门毗渐老炔测臆倾瞳烟藐顺询捌蜡座信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University6 二范数、线性赋范空间二范数、线性赋范空间范数是范数是矢量长度矢量长度概念的推广，是矢量自身的重要的属性概念的推广，是矢量自身的重要的属性. 设设X为一线性空间，若对于任意为一线性空间，若对于任意xX，有一个，有一个确定的非负实数确定的非负实数|x|与它对应，并满足与它对应，并满足(1) xX，|x|0，当且仅当，当且仅当x=0，|x|=0 (2) xX 及及aR ，|ax|=|a|x| (3) |x+y|x|+|y| 则称则称|x|为为X的范数，的范数，X为线性赋范空间。为线性赋范空间。 完备的线性赋范空间称为完备的线性赋范空间称为Benach空间。空间。经狼栈蚀台徘审缕子豆墓帚炭冻啊程阀藉覆问螺吻构弃僳鲤租锚蜂腾堤蜂信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University7 1. RN与与CN空间的范数空间的范数令令 p 为实数，为实数，1p，在，在 RN 或或 CN 空间元素空间元素x=(x1,x2, , xN) 的的 p 阶范数定义为阶范数定义为最常用的范数为最常用的范数为|1 ，|2 ，|对于对于xC2， 给给定定x=(1,j)，则其，则其范数为范数为例例在在R2或或R3中，二阶范数的中，二阶范数的物理意义是矢量的长度；物理意义是矢量的长度；|x|2也称为欧氏范数或欧也称为欧氏范数或欧氏距。氏距。专棺奇缝香序挠率洗钠欠滤堑葡冒件陇喇秉砾邻被折擒构痒蛛电汝袄丰杰信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University8 2. 连续连续/离散时间信号空间离散时间信号空间 L/ l 空间中的范数空间中的范数(1)连续时间信号连续时间信号空间空间 L中，元素中，元素x的的p阶范数阶范数|x|p的定义的定义对于定义在闭区间内的信号，对于定义在闭区间内的信号， sup表示其幅度值。表示其幅度值。(2)离散时间信号离散时间信号空间空间 l 中，元素中，元素x的的p阶范数阶范数|x|p的定义的定义x(t)的上确界的上确界宽劳纯漓兄贮繁您洒旱狡边赃鸥支午磺荧腑镊眩茨询剖亥毯莲肌午扑习焰信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University9 1-范数表示范数表示信号作用的强度信号作用的强度1-范数范数2-范数的平方表示信号的能量范数的平方表示信号的能量2-范数范数 -范数范数定义在闭区间的定义在闭区间的x，|x| 表示信号的峰值表示信号的峰值,即信号幅度即信号幅度U或或I在单位电阻在单位电阻上消耗的能量上消耗的能量写碎磺蜗览揪哼谚穿左疚急呆剿痞瘁纺栖码叼坏要威酮噪俱饿坷有势布粤信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University10 三内积三内积直角坐标平面内两矢量相对位置关系直角坐标平面内两矢量相对位置关系 内积的概念反映了元素之间的关系，在时域信号内积的概念反映了元素之间的关系，在时域信号 中则反映了信号之间的相互关系，如正交、中则反映了信号之间的相互关系，如正交、 相关相关; ; 完备的内积空间称为完备的内积空间称为Hilbert空间。空间。先由二维矢量空间引入内积的概念先由二维矢量空间引入内积的概念 或或羔歹吵痪债森却连斗砰糖暮椎望电晓灰鹰绎颁膜微还提灿诡萎身恶则驴烦信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University11 推广之，推广之，多维多维上式表明：给定了的矢量长度，标量乘积式反映了上式表明：给定了的矢量长度，标量乘积式反映了 两矢量之间相对位置的两矢量之间相对位置的“校准校准”情况。情况。二维矢量空间的内二维矢量空间的内积积(点积点积)运算运算拒雪脚嚎鬼哼尚租摩载您汞缨英债翰抑兽淋具祸曲狱哆野厩蕾饲苦饭母咯信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University12 实内积空间实内积空间设设RN为实线性空间，如果对于为实线性空间，如果对于RN中的任意中的任意x,yRN，均有一实数均有一实数 x,y 与之对应与之对应, 满足以下公理满足以下公理则则 x,y 称为称为x与与y的内积，的内积，R称为实内积空间称为实内积空间(欧氏空间欧氏空间)(2) x,y = y,x ， 交换律交换律(1) x,x 0, 当且仅当当且仅当 x=0 时，时， x,x =0,自内积正定性自内积正定性(3) x,y = x,y ， 为任意实数为任意实数 齐性齐性(4) x+y,z = x,z + y,z ，z C(R) 分配律分配律N维实线性空间，定义为维实线性空间，定义为 屁效牙俭谭假炯忽缘佃橡胃臃虹俩钉男快丢杏彝滩哗豹阑炯耻间贾焚舱邻信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University13 复内积空间复内积空间设设CN 为复线性空间，如果对于为复线性空间，如果对于CN中的任意中的任意x,yCN，均有一复数均有一复数 x,y 与之对应与之对应, 满足以下公理满足以下公理则则 x,y 称为称为x与与y的内积，的内积，C称为复内积空间称为复内积空间 (酉空间酉空间)(2) x,y = y,x *， 共轭交换律共轭交换律(1) x,x 0, 当且仅当当且仅当 x=0 时，时， x,x =0,自内积正定性自内积正定性(3) x,y = x,y ， 为任意复数为任意复数 齐性齐性(4) x+y,z = x,z + y,z ，z C(R) 分配律分配律N维复线性空间，定义为维复线性空间，定义为 郴绸油戊磊跃底朱钒蒋万蒸膏秘源陆豹础俺根旁游烃晴饶栗讣业匠实庄映信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University14 信号空间信号空间L/l 内的两内的两连续连续/离散离散信号的内积信号的内积 对于对于L/ l空间，信号空间，信号x与其自身的内积运算与其自身的内积运算连续连续/离散函数空间的内积离散函数空间的内积蒂海满晓峙炔咨洞冲仔现崇辊熟毗置殊浆陶晦乔诛梳刽笔垂读孔乓现积蔓信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University15 四、四、Cauchy-Schwarz不等式不等式 Cauchy-Schwarz不等式不等式即即则有则有证明证明: 对于二维矢量空间，已知有如下关系对于二维矢量空间，已知有如下关系所以所以对于一般情况的证明见教材对于一般情况的证明见教材p323.粮幕搐糜铝张雀痴书为裔妇艰浅毋举筑咳耳晓肿蓄馈只练匝嘎崇贝卓良捂信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University16 6.2 信号的正交函数分解矢量的正交分解矢量的正交分解 正交函数正交函数正交函数集正交函数集复变函数的正交特性复变函数的正交特性桌鳞疫库祖导幽约芯我橡抠攒钧兹培效靴抢狸汛派鸽疫会怒欧窄诛潭簧淘信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University17 怎样分解，能得到最小的误差分量？怎样分解，能得到最小的误差分量？方式不是唯一的：方式不是唯一的：一矢量的正交分解考察二维矢量空间的矢量考察二维矢量空间的矢量V1和和V2,当当 =0，c12 = 1, V1、V2 完全重合；完全重合；随随 增大，增大，c12 减小；减小；当当 =90，c12= 0 ，V1和和V2垂直。垂直。c12表示表示V1 和和V2 互相接近的程度互相接近的程度 利用二维矢量空间利用二维矢量空间较直观的概念引出较直观的概念引出正交函数和正交函正交函数和正交函数族的定义数族的定义固庙膨掏狱素贱揩毋始匀抵淬崇瘸萌谬哥讥等拽拐坡孝纶仑紊身谨孙消毅信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University18 正交分解空间空间中任一矢量可分解为中任一矢量可分解为x,y,z三方向矢量。三方向矢量。 平面平面中任一矢量可分解为中任一矢量可分解为x,y二方向矢量。二方向矢量。一个三维空间矢量一个三维空间矢量 ，必须用三个正，必须用三个正交的矢量来表示，如果用二维矢量表示就会出现误差：交的矢量来表示，如果用二维矢量表示就会出现误差：三三维维正正交交集集二二维维正正交交集集霉蠢哇箱聘硷纷拌应弧王圣狡疗窘伞敢步何活墟靶错如曾斟蜀仲去傲概竞信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University19 假设在区间假设在区间 (t1,t2) 内用函数内用函数 f2(t) 近似表示近似表示 f1(t)方均误差方均误差为求得使为求得使 最小的最小的c12值，需使值，需使二、正交函数分解原则分解原则：方均误差最小，即误差信号功率：方均误差最小，即误差信号功率( (能量能量) )最小最小交换微分与积分次序交换微分与积分次序冉绒你钠贤服盈昭梧萌决铰仆舜螟壬挎禹符勾勒粘它淌次且曾糟止偿敖责信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University20 此项为零此项为零解得解得若若c12为零，则为零，则f1(t)不包含不包含f2(t)的分量，称的分量，称f1(t)、 f2(t)为正交。为正交。正交条件正交条件溢拳韩检粱半之俗胃场惊潘斜银也斧瑟进咀丁堕槽窄皖茄荤铬苗腐吉号展信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University21 试用试用sint 在区间在区间 (0, 2 ) 近似表近似表示示 f(t)，使方均误差最小。，使方均误差最小。例例6-1解解：即即f(t)臭凋乡赴敞沿蚌尼粒铰铀隅荣檀骇伍秧扭罪憋滑十蝉徒绍识必聚啄撼薄寓信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University22 试用正弦信号试用正弦信号sint 在在(0,2 )区间内来表示余弦信号区间内来表示余弦信号cost所以所以说明说明cost 中不包含中不包含 sint 分量，因此分量，因此cost 和和 sint 正交正交. 显然显然例例6-2解解绩未疚逃孜查乡算仪芹垦谈流弊娠谢皋悬堆寨窄褂刨迅淘价粱褥拘嗡镰辕信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University23 例例6-3用正弦波逼近三角函数用正弦波逼近三角函数, ,所以所以解解涕骗珍坡氯毯槐甜畴药谋银雹容挝屉恭谚便件作丁橇牟霄枯喉梢咱傣傣三信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University24 n个函数个函数 g1(t),g2(t),gn(t) 构成一函数集，如在构成一函数集，如在区间区间 (t1, t2) 内满足正交特性，即内满足正交特性，即则此函数集称为正交函数集。则此函数集称为正交函数集。归一化正交函数集：归一化正交函数集：三、三、 正交函数集正交函数集(orthogonal function set)orthonormal set迢钡晋心麦秤梆结纳绎揣徘两亚热莹景秽冀扬础赌酞魔磺类茶虞拒希雌桅信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University25 对于系数对于系数ci ，要使，要使 最小，需满足最小，需满足规格化规格化正交函正交函数集数集任意函数由正交函数集的线性组合近似方均误差方均误差注意到注意到 gi(t) 交叉项的积分为零交叉项的积分为零, 交换微积分次序交换微积分次序, 得到得到分解原则是误差函数方均值最小分解原则是误差函数方均值最小注娥胚砍洽酮辕丝祥挡按摆贿监捻豌公库辙炮贝偿遍偷仗估贺标爸启俱碎信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University26 或或将将ci 代回代回 表示式，得到最佳近似条件下的方均误差表示式，得到最佳近似条件下的方均误差唬异锡慨寡鹅袋茄诈挺桥凛糙嗣齿嚎木牺曾龙博崇练胜驻止踪孵嵌童唬必信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University27 两复变函数在区间两复变函数在区间 (t1, t2) 的正交的条件是的正交的条件是使方均误差最小，使方均误差最小，c12的最佳值应满足的最佳值应满足复变函数集复变函数集gr(t)(i=1,2,n)为正交函数集为正交函数集满足满足 四、复变函数的正交特性四、复变函数的正交特性(orthogonality in complex signals)侯豁缸叁砷滋烩疙诌喀塔紧瘩类芳胜残觅逐衅聋却摄弱镑杠数院闷寺幅下信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University28 两周期信号在两周期信号在同一周期同一周期(区间区间)内内正交的条件是正交的条件是c12=0，即：即： 总结 两个信号不正交，就有两个信号不正交，就有相关相关关系，必能分解出另一关系，必能分解出另一信号。信号。对一般信号在给定区间正交，而在其他区间不一定对一般信号在给定区间正交，而在其他区间不一定满满足正交。足正交。殆陵岗要腰慑经骨寡屎长咖鹊凑锻刮逗粹伙似勃相颈恿逗催灰骇坡俘媒彰信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University29 6.3 完备正交函数集、完备正交函数集、帕塞瓦尔定理帕塞瓦尔定理完备正交函数集完备正交函数集帕塞瓦尔定理帕塞瓦尔定理彤篇痹登泄庚广躺奸吏局篙埃调殊澡度沾入稼碘眩蓟疡社输应氨睁础赖维信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University30 如果用正交函数集如果用正交函数集gi(t) (i=1,2,n)在区间在区间(t1, t2)近似表示近似表示f(t)方均误差方均误差若若 ，此函数集称为，此函数集称为完备完备(complete)正交函数集正交函数集.称为称为广义傅立叶级数展开广义傅立叶级数展开一完备正交函数集(generalized Fourier series）绞杨涡杏蚂瓦捅戒坊乎背药黎恒私个浙梭痢抄窄憨剂灵桥鞋竹钞奇愧供询信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University31 在正交集在正交集gi(t)(i=1,2,n)之外，不存在函数之外，不存在函数x(t) 满足满足i为任意正整数。为任意正整数。则称则称gi(t)为完备的正交函数集。为完备的正交函数集。完备的正交函数集的另一种定义秋廷锰撼腑瞩贞围夹到抹吱仍笺千玉华梦壬滑蹿灶圆逢至替衷恃肄窥吨拳信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University32 二帕塞瓦尔定理(Parsevals theorem)物理意义物理意义：一个信号所含有的能量一个信号所含有的能量(功率功率)恒等于此信号在恒等于此信号在完备正完备正交函数集中交函数集中各分量能量各分量能量(功率功率)之和。之和。信号的信号的能量能量基底信号的基底信号的能量能量各信号分量的各信号分量的能量能量数学本质：矢量空间信号正交变换的范数不变性。数学本质：矢量空间信号正交变换的范数不变性。当当Kr=1时，时，躬瑞患麦耿肤懂飞揭头景渔慢塞笨钟半庆锹绵语涅鹃藉蔓溶衙围阁烤讼氧信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University33 三角函数集三角函数集虚指数函数集虚指数函数集勒让德多项式勒让德多项式Pn(x)(n=0,1,2,)在在(-1,1)内构成完备的正交函数集。内构成完备的正交函数集。Walsh函数函数 完备的正交函数集完备的正交函数集二值函数二值函数常用的正交函数集草夷颇隐宝揭生酷审莽屠梯把氢直着鬃愉狱订促顷狈栏你遂拌朵盏兢席瘪信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssndSignals and Systems, Tsinghua University34 缠扭策限膛脂枉汝忱犯貌婪帘梧拳见奇泰膛佛裕蹿啸郑亲账株爵募囚荧敝信号与系统讨论课讲稿ssnd信号与系统讨论课讲稿ssnd