信号的时域表示(如单位阶跃、冲激函数)、频域分析(傅里叶级数、傅里叶变换)、频谱特性(幅度谱、相位谱)、带宽计算、采样定理等,是考研必考内容。例题常涉及周期信号分解、非周期信号频谱绘制,要求熟练掌握变换对及性质。
拉普拉斯变换的定义、收敛域、性质(线性、时移、频移、微分、积分)、部分分式展开、逆变换求解。系统函数H(s)的求解、零极点图绘制、系统响应(零输入/零状态/全响应)分类计算。注意:收敛域决定系统因果性与稳定性。
Z变换定义、收敛域、性质(与拉氏变换类比)、逆Z变换(幂级数展开、部分分式)。差分方程求解、系统函数H(z)、单位圆上Z变换即DTFT。判断离散系统因果性(h(n)=0,n<0)、稳定性(极点在单位圆内)是高频考点。
线性性(叠加性)、时不变性、因果性、稳定性(BIBO准则)、记忆性、可逆性。判断方法:线性看是否满足叠加;时不变看参数是否显含t;因果看输出是否仅依赖当前/过去输入;稳定性看冲激响应是否绝对可积/可和。
频域分析法求系统响应(Y(jω)=H(jω)X(jω))、滤波器设计(低通、高通、带通)、调制与解调(AM、DSB)、采样与重建。重点掌握帕塞瓦尔定理、系统频率响应物理意义、理想滤波器不可实现性。
跨章节综合题(如:已知差分方程→求H(z)→判断稳定性→求单位圆上频率响应→分析滤波特性),或结合实际系统(RLC电路、机械系统)建模分析。此类题分值高,需多练习提升建模与综合分析能力。
已知信号 x(t) = e−2tu(t) + e−3tu(t),求其傅里叶变换X(jω),并画出幅度谱 |X(jω)| 的大致形状。
解析:本题为两个单边指数衰减信号之和。利用傅里叶变换基本对:e−atu(t) ↔ 1/(a + jω)(a>0),可得:
X(jω) = 1/(2 + jω) + 1/(3 + jω)
通分后:X(jω) = (5 + jω) / [(2 + jω)(3 + jω)]
幅度谱 |X(jω)| = √(25 + ω²) / √[(4 + ω²)(9 + ω²)]
关键点:① 注意u(t)不可省略,否则信号非因果,变换不同;② 幅度谱为偶函数,ω=0时取最大值 |X(0)| = 5/(2×3)=5/6;③ ω→∞时,|X(jω)| ~ |ω|/|ω|² = 1/|ω| → 0,呈高频衰减特性;④ 无零点,极点在ω=±2j, ±3j处,幅度谱在ω=0处光滑下降,无谐振峰。
易错提醒:部分考生误将e−2|t|与e−2tu(t)混淆,后者仅定义于t≥0;另一常见错误是忘记幅度谱为实偶函数,错误绘制负频率部分。
已知因果LTI系统由微分方程 y''(t) + 4y'(t) + 5y(t) = x'(t) + 2x(t) 描述,求系统函数H(s),判断系统是否BIBO稳定。
解析:对微分方程两边取拉普拉斯变换(设零初始状态):
s²Y(s) + 4sY(s) + 5Y(s) = sX(s) + 2X(s)
⇒ H(s) = Y(s)/X(s) = (s + 2)/(s² + 4s + 5)
分母因式分解:s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1,极点为 s = −2 ± j
稳定性判断:系统为因果系统,其极点为复数对,实部均为 −2 < 0,全部位于s左半平面,故系统BIBO稳定。
延伸分析:系统冲激响应 h(t) = L⁻¹{H(s)} = e−2t[cos t + 4sin t]u(t),因e−2t指数衰减,故∫|h(t)|dt收敛,进一步验证稳定性。
高频陷阱:若题目未说明“因果”,则需额外考虑收敛域。但本题明确“因果LTI系统”,故极点左半平面即保证稳定。
已知离散系统:y(n) − 0.5y(n−1) = x(n) + 2x(n−1),初始条件 y(−1) = 2,输入 x(n) = (0.2)nu(n),求全响应 y(n)。
解析:对差分方程两边取单边Z变换(注意y(n−1)的变换含初始条件):
Y(z) − 0.5[z−1Y(z) + y(−1)] = X(z) + 2z−1X(z)
代入 y(−1)=2,X(z) = 1/(1−0.2z−1) = z/(z−0.2)
整理得:
Y(z)[1 − 0.5z−1] = X(z)(1 + 2z−1) + 1
⇒ Y(z) = [ (z+2)/(z−0.2) × z/(z−0.2) + 1 ] / (1 − 0.5z−1)
化简后(过程略)得:
Y(z) = [z² + 3z − 0.04] / [(z−0.2)²(z−0.5)]
部分分式展开:
Y(z)/z = A/(z−0.2) + B/(z−0.2)² + C/(z−0.5)
解得:A = −12.04, B = 8, C = 5.04
⇒ Y(z) = −12.04z/(z−0.2) + 8z/(z−0.2)² + 5.04z/(z−0.5)
查Z变换表:
L⁻¹{z/(z−a)} = anu(n),L⁻¹{az/(z−a)²} = nanu(n)
故 y(n) = [−12.04×(0.2)n + 8n×(0.2)n + 5.04×(0.5)n] u(n)
关键步骤:① 单边Z变换必须计入初始条件;② 分子次数不高于分母,否则需先多项式除法;③ 注意(z−0.2)²项对应n·aⁿ形式。
设基带信号 m(t) = cos(2π·1000t),载波 c(t) = cos(2π·10⁶t),进行AM调制,求已调信号 s(t) 的表达式、频谱 S(jω),并计算所需最小带宽。
解析:AM调制:s(t) = [A₀ + m(t)]·c(t),通常取A₀ = 1(归一化),则:
s(t) = [1 + cos(2000πt)] · cos(2π×10⁶t)
展开:s(t) = cos(2π×10⁶t) + ½cos[2π(10⁶−10³)t] + ½cos[2π(10⁶+10³)t]
频谱 S(jω) 由三冲激组成:ω = ±2π×10⁶(载波)、±2π(10⁶−10³)、±2π(10⁶+10³)(上下边带)
幅度:载波处为 π,边带处各为 π/2
带宽计算:最高频率分量 fmax = 10⁶ + 10³ = 1001 kHz,最低 fmin = 10⁶ − 10³ = 999 kHz,故带宽 B = fmax − fmin = 2 kHz
对比DSB:若为DSB-SC(抑制载波),则无载波分量,但带宽仍为2 kHz;AM因含载波,功率效率低但解调简单(包络检波)。
1. 变换定义与适用对象
2. 关键性质类比
| 性质 | FT | LT | ZT |
|---|---|---|---|
| 线性性 | X₁+X₂ ↔ x₁+x₂ | 同左 | 同左 |
| 时移 | x(t−t₀) ↔ e−jωt₀X(jω) | x(t−t₀)u(t−t₀) ↔ e−st₀X(s) | x(n−k)u(n−k) ↔ z−kX(z) |
| 频域微分 | (−jt)ⁿx(t) ↔ dⁿX/dωⁿ | (−t)ⁿx(t) ↔ dⁿX/dsⁿ | (−n)ⁿx(n) ↔ dz/dz X(z) |
| 卷积定理 | x∗h ↔ X·H | 同左 | x(n)∗h(n) ↔ X(z)·H(z) |
3. 收敛域(ROC)核心差异
记忆口诀:“FT看频轴,LT竖带宽,ZT圆环定因果;FT无ROC,LT看σ带,ZT看|z|环”。
1. 因果性(Causality)
2. 稳定性(BIBO)
3. 线性性(Linearity)
易混案例:y(n) = x(n) + x(n−1) + 5 → 非线性(有常数项,不满足齐次性);y(t) = dx/dt + x(t) → 线性时变(含t系数时变,但线性)。
1. 四类理想滤波器频响
| 类型 | 频响 H(jω) | 冲激响应 h(t) | 物理可实现性 |
|---|---|---|---|
| 理想低通(LPF) | 1, |ω|<ωc 0, 其他 | (ωc/π)·sinc(ωct/π) | 不可实现(h(t)非因果) |
| 理想高通(HPF) | 0, |ω|<ωc 1, 其他 | δ(t) − LPF的h(t) | 不可实现 |
| 理想带通(BPF) | 1, ω₁<|ω|<ω₂ 0, 其他 | 带通sinc函数 | 不可实现 |
| 理想带阻(BRF) | 0, ω₁<|ω|<ω₂ 1, 其他 | δ(t) − BPF的h(t) | 不可实现 |
2. 实际滤波器设计方法
3. 数字滤波器设计流程
确定指标(通带截止ωp、阻带截止ωs、通带纹波δ1、阻带衰减δ2);
选择类型( Butterworth/Chebyshev/Elliptic);
求阶数N与系数(如用双线性变换s = (2/T)·(1−z−1)/(1+z−1));
实现(直接I/II型、级联、并联结构)。
设计注意:双线性变换存在频率畸变(ω = (2/T)tan(ΩT/2)),需预畸变校正。
避坑口诀:“初始条件看时刻,ROC不写全错;双边信号别单变,存在性先验;极点在界上,稳定性打问号;卷积上下限,画图最保险”。
目标:完成三变换(FT/LT/ZT)原理理解与基本计算训练。
目标:攻克四大核心模块(频域分析、系统函数、离散系统、综合应用)。
目标:通过近10年真题模拟,查漏补缺,形成解题套路。
目标:稳定心态,固化解题流程,查漏补缺。