1.8.1 系统的概念

  信号处理这个过程的对象(或客体)是被处理的信号,而其实施者(或主体)则一般是系统。那么,什么是系统呢?它有哪些特性呢?

  系统是由若干个相互关联又相互作用的事物组合而成的,具有某种或某些特定功能的整体。如通信系统、雷达系统等。系统的概念不仅适用于自然科学的各个领域,而且还适用于社会科学。如政治结构、经济组织等。

  系统可以小到一个电阻或一个细胞,甚至基本粒子,也可大或复杂到诸如人体、全球通信网,乃到整个宇宙,它们可以是自然的系统,也可以是人为的系统。

  但是,众多领域各不相同的系统也都有一个共同点,即所有的系统总是对施加于它的信号(即系统的输入信号,也可称激励)作出响应,产生出另外的信号(即系统的输出信号,也可称响应)。系统的功能就体现在什么样的输入信号产生怎样的输出信号。

  本课程主要从对信号进行处理的角度出发,讲述系统的一些概念。对系统进行深入分析的方法,不是本门课程的重点。

1.8.2 系统的性质

  对于系统, 我们一般要考察它的以下一些性质。
  (1)线性
  为了便于讨论,将系统的激励e(t)与其响应r(t)的关系记为

       L[e(t)]=r(t)

  其中L[ ]代表变换算子,即激励作用于该系统所引起的响应r(t)。
  系统的线性性质包含着两个重要的概念:齐次性(均匀性)和可加性。

  什么是系统的齐次性呢?

  若系统激励增加a倍,响应也增加a倍,即L[ae(t)]=a r(t),则称该系统为齐次性或者均匀性的。
什么是系统的可加性呢?

  若有几个激励同时作用于系统,而系统的总响应等于每一个激励单独作用分别引起的响应之和,即 + ,则称系统是可加的。

  若系统既是齐次的又是可加的,则称系统是线性的。

  例如,有激励e1(t)和e2(t)作用于系统,而a和b为任意常数,则对于线性系统有

    

  (2)时不变性

  时不变性是指在同样初始状态下,系统的响应与激励施加于系统的时刻无关,即:

       若L[e(t)]=r(t), 则L[e(t- t0)]=r(t-t0)

  上式表明,若激励延时t0,则输出响应也延时t0

  例 若L[e(t)]=r(t)=ae(t),试问该系统是否为时不变系统?

  解:
    L[e(t-t0)]= ae(t-t0), 同时r(t-t0)=ae(t-t0),

  很显然

    L[e(t-t0)] =r(t-t0)

  若r(t)=at2e(t),该系统的情况又如何呢?(答案是"该系统是时变的")请同学们根据上面的求解思路,自己试着做做看。

  必须特别强调指出的是,系统的线性和时不变性是两个不同的概念,相互间没有制约关系或决定关系,线性系统可以是时不变的,也可以是时变的,反之亦然。

  我们在学习信号处理原理这门课时,所接触到的系统以线性时不变系统为主。

  那么,这种线性时不变系统,它有哪些特性呢?为什么值得我们研究呢?

  对于线性时不变系统,它具有微分特性和积分特性。

  若系统在e(t)作用下其响应为r(t),则系统的激励为 时,响应为,这一特性称为微分特性。

  若系统在e(t)作用下其响应为r(t),则系统的激励为 时,响应为 ,这一特性称为积分特性。

  (3)稳定性

  如果一个系统对于每一个有界的输入,其系统的输出也是有界的,则称该系统为稳定系统,若系统的输出是无界的,则该系统是不稳定系统。这条判定原则通常被称为BIBO原则,即有界输入产生有界输出。

  通常,我们要研究系统都是稳定的,对于不稳定系统的研究,不在我们本课程的要求之内。

  (4)因果性

  在实际的物理系统中,激励是产生响应的原因,而响应是激励引起的后果,这种特性称为因果性。

  因果系统是指系统在t0时刻的响应只与t= t0和 t< t0时刻的输入有关,也就是说,系统在t0时刻的输出只取决于输入的现在值和过去值,而不取决于输入的将来值。反之,若某系统的输出取决于输入的将来值,即输出变化发生在输入变化之前,则称该系统为非因果系统,该系统具有非因果性。

  在实际生活中,我们所接触的系统都是因果的。

  例 若L[e(t)]=r(t)=e(t-2),试问该系统是否为因果系统?

  解:由于r(t)=e(t-2),输出值只取决于输入的过去值。例如,t=6时的输出只取决于t-2=4时的输入,即输入变化在前,输出变化在后,故该系统为因果系统。

  若r(t)=e(t+2),该系统是否仍为因果系统呢?很显然,当r(t)=e(t+2)时,输出值取决于输入的将来值,即输入变化在后,输出变化在前,所以该系统为非因果系统。