信号与系统考研例题详解|信号考研例题详解权威解析平台

全面覆盖傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换、系统响应、稳定性判断等高频考点,提供详尽推导、思路点拨与易错提醒,助你攻克信号与系统考研难关。易搜职考网——专注信号系统考研12年,累计服务考生超12万人。

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信号与系统考研核心考点全景图

时域与频域分析

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。

拉普拉斯变换与系统函数

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变换与离散系统

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。

系统特性分析

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。

傅里叶变换应用

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。

综合应用题

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。

典型例题详解|经典真题深度解析

例题1:连续信号傅里叶变换与频谱分析

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。

例题2:系统函数零极点与稳定性判断

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。

例题3:Z变换求解差分方程

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。

例题4:调制与解调中的频谱变换

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)。

专题深度拓展|选项卡切换学习

傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换核心性质对比表

1. 变换定义与适用对象

  • 傅里叶变换(FT):适用于能量有限信号(∫|x(t)|²dt < ∞),将信号分解为复指数基 ejωt
  • 拉普拉斯变换(LT):适用于更广信号(含增长型),定义 X(s) = ∫x(t)e−stdt(s = σ + jω),引入实部σ控制收敛。
  • Z变换(ZT):离散信号x(n)的变换 X(z) = Σx(n)z−n,z = re,z平面类比s平面。

2. 关键性质类比

性质FTLTZT
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

  • FT:ROC为整个ω轴(若存在),不显式写出;
  • LT:ROC为s平面内竖条带(σ₁ < Re{s} < σ₂),决定因果性与稳定性;
  • ZT:ROC为z平面内圆环(r₁ < |z| < r₂),因果系统ROC在最外极点外,稳定系统ROC含单位圆。

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”。

系统分类判据详解:因果性、稳定性、线性性

1. 因果性(Causality)

  • 连续系统:h(t) = 0 (t < 0);或H(s)的ROC为右半平面(含∞)。
  • 离散系统:h(n) = 0 (n < 0);或H(z)的ROC为最外极点之外(含∞)。
  • 判别技巧:看微分/差分方程是否仅含当前/过去输入;或直接看h(t)/h(n)表达式。

2. 稳定性(BIBO)

  • 连续:∫−∞ |h(t)| dt < ∞;等价于H(s)所有极点位于左半s平面(实部<0)。
  • 离散:Σ| h(n) | < ∞;等价于H(z)所有极点位于单位圆内(|z|<1)。
  • 注意:极点在虚轴/单位圆上时,系统临界稳定(如H(s)=1/s²,h(t)=t,不BIBO稳定)。

3. 线性性(Linearity)

  • 满足叠加性:T[ax₁ + bx₂] = aT[x₁] + bT[x₂]
  • 充要条件:系统可表示为线性微分/差分方程(无非线性项如y², sgn(y), y·x)。
  • 常见非线性系统:y(t) = x²(t), y(n) = sin[x(n)], y(t) = t·x(t)(时变也非线性)。

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)。

理想滤波器与实际滤波器设计要点

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
c/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

  • 巴特沃斯(Butterworth):通带最大平坦(|H|²=1/(1+(ω/ωc)2N)),相位非线性,过渡带平缓。
  • 切比雪夫(Chebyshev):通带等波纹(|H|²=1/(1+ε²TN²(ω/ωc))),过渡带陡峭,相位更非线性。
  • 椭圆(Cauer):通带/阻带均等波纹,过渡带最陡,但相位非线性严重。
  • 贝塞尔(Bessel):通带群时延平坦(线性相位近似),保形性好,但过渡带最缓。

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。

考研高频易错点与命题陷阱

  • 陷阱1:初始条件遗漏
    例:求零输入响应时,若用拉氏变换,必须计入y(0⁻), y'(0⁻)等;若题目给y(0⁺),需转换为y(0⁻)(考虑冲激函数影响)。
  • 陷阱2:ROC误判
    例:H(s) = 1/[(s+1)(s+2)],若未说明因果性,可能对应三种系统:因果(ROC: Re{s}>−1)、反因果(ROC: Re{s}<−2)、非因果(−2
  • 陷阱3:Z变换单边/双边混淆
    例:x(n) = a|n|是双边信号,必须用双边Z变换;若错误用单边,会漏掉n<0部分。
  • 陷阱4:傅里叶变换存在性
    例:x(t) = t·u(t)不满足绝对可积,其FT含冲激项:d²/dω² [πδ(ω)] + 1/(jω)²,部分考生只写1/(jω)²导致错误。
  • 陷阱5:离散系统稳定性误判
    例:H(z) = z/(z−0.5),极点z=0.5<1,稳定;但H(z) = z/(z−1),极点在单位圆上,临界稳定(阶跃响应不收敛),不BIBO稳定
  • 陷阱6:卷积积分上下限
    例:x(t)=u(t), h(t)=u(t),卷积 y(t)=∫u(τ)u(t−τ)dτ,当t<0时为0;当t≥0时上限为t,故y(t)=t·u(t)。常错写为∫0 dτ = ∞。

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”。

信号与系统考研备考时间轴(6个月规划)

第1–2月:基础夯实期

目标:完成三变换(FT/LT/ZT)原理理解与基本计算训练。

  • 精读教材(郑君里《信号与系统》或吴大正《信号与线性系统分析》)前三章;
  • 掌握单位阶跃/冲激函数性质、信号运算(翻转、移位、尺度)、系统性质判断;
  • 完成100+基础题(变换对记忆、简单卷积、一阶系统求解);
  • 建立错题本,标注易混淆概念(如ROC、因果/稳定关系)。

第3–4月:专题突破期

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)。

  • 重点突破傅里叶变换应用(滤波、采样、调制)、H(s)/H(z)求解与极点分析;
  • 完成200+中等难度题(含差分方程求解、稳定性判断、频率响应绘制);
  • 整理高频考点题型(如:已知微分方程→求H(s)→求h(t)→判断稳定性);
  • 开始限时训练,提升计算速度与准确性。

第5月:真题实战期

目标:通过近10年真题模拟,查漏补缺,形成解题套路。

  • 按考试时间(3小时)完成6–8套真题,重点分析计算失误点;
  • 归纳常见命题方式(如:结合电路/机械系统建模、跨章节综合题);
  • 强化“陷阱题”识别能力(如:ROC缺失、初始条件误用);
  • 整理个人《高频易错点清单》,每日速记10条。

第6月:冲刺调整期

目标:稳定心态,固化解题流程,查漏补缺。

  • 回归教材公式推导(如:sinc函数FT、部分分式展开规则);
  • 重做错题本所有题目,确保理解透彻;
  • 模拟考场环境(静音、计时、草稿纸规范);
  • 考前一周:每天1套保温题(难度略低于真题),保持手感。