訊號與系統/第三章 連續時間系統之時域分析/3.4 零狀態響應-LTI系統之重疊積分:修订间差异

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2008年6月3日 (二) 06:08的最新版本

零狀態響應(Zero-State Response)


LTI系統之重疊積分(Superposition Integral)

數學推導 :

    (1)利用單位脈衝函數的篩選特性(sifting property) ,任意輸入

訊號𝐱(t)可表示成 :x(τ)δ(tτ)dτ

    (2)經由LTI系統作用後的輸出𝐲(t)

𝐓[x(t)]=T[x(τ)δ(tτ)dτ]

    (3)假設〝積分〞和LTI系統〝T〞的作用順序可對調,則

𝐲(t)=x(τ)T[δ(tτ)]dτ

    (4)由於非時變的特性可知,𝐓[δ(tτ)]=h(tτ)

𝐲(t)=x(τ)h(tτ)dτ


以系統物理特性推導 :

(1)由下圖可知,LTI系統的任意輸入訊號𝐱(t)可用單位脈波函數𝐫ect(t)所形成之階梯函數(stairstep function)來近似

𝐱^(t)=n=x(nλ)rect(tnλλ)

=n=x(nλ)1λrect(tnλλ)λ


其中 𝐫ect(taτ)=u[t(aτ2)]u[t(a+τ2)]

© Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, D. Ronald Fannin, Signals & Systems: Continuous and Discrete, 4th ed., Prentice Hall International, 1998.


(2)明顯地,𝐱^(t)會趨近𝐱(t)Δλ趨近為 0
(3)limΔλ0rect[(tnΔλ)/Δλ]Δλ=δ(tλ)

注意 : 當Δλ0時,𝐧Δλλ替代

(4) 假設𝐡^(t)=T[rect(t/Δλ)Δλ]Δλ0

limΔλ0h^(t)=limΔλ0T[rect(t/Δλ)Δλ]

=T[limΔλ0rect(t/Δλ)Δλ]

=T[δ(t)]

=h(t)

(5)考慮LTI系統對𝐱^(t)的響應 : 假設𝐡^(t)=T[rect(t/Δλ)Δλ]

𝐲^(t)=T[x^(t)]

=T[n=x(nΔλ)1Δλrect(tnΔλΔλ)Δλ]

(線性系統滿足重疊定理)

=n=x(nΔλ)T[1Δλrect(tnΔλΔλ)]Δλ

(非時變特性)

n=x(nΔλ)h^(tnΔλ)Δλ


© Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, D. Ronald Fannin, Signals & Systems: Continuous and Discrete, 4th ed., Prentice Hall International, 1998.



(6)取Δλ0

nΔλλ,x^(t)x(t),h^h(t)


limΔλ0y^(t)=limΔλ0T[x^(t)]

=T[limΔλ0x^(t)]

=T[x(t)]

=y(t)



範例3.9

系統輸入為𝐱(t)=(t+10)e0.4(t+10)u(t+10),系統之單位脈衝響應為𝐡(t)=etu(t),求系統輸出𝐲(t)


© Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, D. Ronald Fannin, Signals & Systems: Continuous and Discrete, 4th ed., Prentice Hall International, 1998.




範例3.10

考慮一系統的單位脈衝響應為𝐡(t)=1RCet/RC,令輸入訊號為單位步階函數𝐱(t)=u(t),試求系統的輸出𝐲(t)
【解】

y(t)=u(tτ)h(τ)dτ

=th(τ)dτ

=t1RCeτ/RCu(τ)dτ

0t1RCeτ/RCdτ

=1et/RC

注意:此一輸出也稱為系統的單位步階響應(unit step response)

𝐲(t)=th(τ)dτ





線性時變系統之重疊積分

●非時變系統之單位脈衝響應:


δ(t)Th(t)

δ(tλ)Th(tλ)


●時變系統之單位脈衝響應:


δ(t)Th(t,0)

δ(tλ)Th(t,λ)


可知: (1)𝐡(t,0)=h(t)(2)𝐡(t,λ)=0 𝐭<λ

(假設在δ(λ)輸入前,系統是rest)


●任意輸入訊號𝐱(t),則系統的響應(輸出)為:

𝐲(t)=x(λ)h(t,λ)dλ