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系统与 LTI 系统

系统把输入信号变成输出信号。分析系统,就是寻找这条“变换规则”具有哪些性质。


1. 输入、系统与输出

用算子 \(\mathcal T\{\cdot\}\) 表示系统:

\[ y(t)=\mathcal T\{x(t)\} \]

例如:

  • 放大器:\(y(t)=3x(t)\);
  • 延时器:\(y(t)=x(t-0.1)\);
  • 微分器:\(y(t)=dx(t)/dt\);
  • 移动平均滤波器:\(y[n]=\bigl(x[n]+x[n-1]+x[n-2]\bigr)/3\)。

系统既可以是物理对象,也可以是算法。电机、弹簧、数字滤波器和测速程序都可视为系统。


2. 五个核心性质

2.1 线性

若对任意输入 \(x_1,x_2\) 和常数 \(a,b\) 都满足

\[ \mathcal T\{ax_1+bx_2\}=a\mathcal T\{x_1\}+b\mathcal T\{x_2\} \]

则系统线性。这包含:

  • 齐次性:输入放大 \(a\) 倍,输出也放大 \(a\) 倍;
  • 可加性:输入之和的响应等于各响应之和。

Example

\(y(t)=2x(t)\) 线性;\(y(t)=x^2(t)\) 不线性;\(y(t)=2x(t)+1\) 也不线性,因为零输入时输出不为零。

2.2 时不变

如果输入整体延迟 \(t_0\),输出只会延迟相同时间,系统就是时不变的:

\[ x(t)\xrightarrow{\mathcal T}y(t) \quad\Rightarrow\quad x(t-t_0)\xrightarrow{\mathcal T}y(t-t_0) \]

判断时建议执行“两条路”:

  1. 先让延迟后的输入通过系统;
  2. 再把原输出直接延迟;
  3. 比较结果是否对任意输入和任意延迟都相同。

为什么 \(y(t)=tx(t)\) 是时变系统

延迟输入后得到 \(t\,x(t-t_0)\);延迟原输出则得到 \((t-t_0)x(t-t_0)\)。两者不同,所以系统时变。直觉上,系统增益会随当前时刻改变。

2.3 因果性

在时刻 \(t_0\) 的输出,只能依赖当前和过去的输入,不能依赖未来输入,则系统因果。

  • \(y(t)=x(t)+x(t-1)\):因果;
  • \(y(t)=x(t+1)\):非因果,因为需要预知 1 秒后的输入。

离线处理录好的数据可以使用非因果算法;实时机器人控制通常必须因果。

2.4 记忆性

若时刻 \(t\) 的输出只依赖同一时刻的输入 \(x(t)\),系统无记忆;否则有记忆。

  • \(y(t)=|x(t)|\):无记忆;
  • \(y(t)=x(t-1)\)、\(y(t)=\int_{-\infty}^tx(\tau)d\tau\):有记忆。

“有记忆”不等于“有状态变量”在所有语境下的严格定义,但在初学阶段可以把过去信息需要保存理解为系统记忆。

2.5 BIBO 稳定性

BIBO 是“有界输入—有界输出”:若存在有限 \(B_x\) 使 \(|x(t)|\le B_x\),系统输出也一定存在有限 \(B_y\) 使 \(|y(t)|\le B_y\),则系统 BIBO 稳定。

Example

积分器 \(y(t)=\int_0^t x(\tau)d\tau\) 不 BIBO 稳定。对有界输入 \(x(t)=1\),输出 \(y(t)=t\) 会无限增长。


3. 什么是 LTI 系统

同时满足线性(Linear)和时不变(Time-Invariant)的系统称为 LTI 系统。

LTI 并不代表所有真实系统,但在一定工作范围内,大量系统可以近似为 LTI:

  • 电机在固定工作点附近的小信号模型;
  • 未发生饱和的放大电路;
  • 系数固定的数字滤波器;
  • 小形变范围内的质量—弹簧—阻尼系统。

它之所以重要,是因为线性允许拆分和叠加,时不变允许把任意时刻的响应从一个已知响应平移得到。两者结合后,只需知道系统对单位冲激的响应,就能求出对任意输入的响应。


4. 用方程描述系统

4.1 连续时间:线性常系数微分方程

一般形式为

\[ \sum_{k=0}^{N}a_k\frac{d^ky(t)}{dt^k} = \sum_{k=0}^{M}b_k\frac{d^kx(t)}{dt^k} \]

例如一阶 RC 低通:

\[ RC\frac{dy(t)}{dt}+y(t)=x(t) \]

系数为常数且输入输出只以一次幂出现,因此它描述一个 LTI 系统。

4.2 离散时间:线性常系数差分方程

一般形式为

\[ \sum_{k=0}^{N}a_k y[n-k] = \sum_{k=0}^{M}b_k x[n-k] \]

例如一阶平滑滤波器:

\[ y[n]=\alpha x[n]+(1-\alpha)y[n-1],\qquad0<\alpha<1 \]

当前输出保留一部分新测量,也保留一部分上次输出,因此能平滑噪声。

方程还不总能唯一确定输出

微分或差分方程通常还需要初始条件。谈传递函数和“零状态响应”时,默认初始状态为零;真实系统中储存在电容、惯量或延时单元里的初始能量可能产生额外的“零输入响应”。


5. 零输入响应与零状态响应

线性系统的完整响应可以写成

\[ y(t)=y_{zi}(t)+y_{zs}(t) \]
  • 零输入响应 \(y_{zi}\):外部输入为零,仅由初始储能产生;
  • 零状态响应 \(y_{zs}\):初始状态为零,仅由外部输入产生。

以一阶系统 \(\dot y+ay=bx(t)\) 为例:

\[ y(t)=\underbrace{y(0)e^{-at}}_{\text{零输入响应}} +\underbrace{\int_0^t be^{-a(t-\tau)}x(\tau)d\tau}_{\text{零状态响应}} \]

这个积分已经隐约呈现出下一章的核心——卷积。


6. LTI 系统性质与冲激响应的关系

设 LTI 系统的冲激响应为 \(h(t)\):

系统性质 连续时间条件 离散时间条件
因果 \(h(t)=0,\ t<0\) \(h[n]=0,\ n<0\)
BIBO 稳定 $\int_{-\infty}^{\infty} h(t)
无记忆 \(h(t)=K\delta(t)\) \(h[n]=K\delta[n]\)

稳定性条件的直觉是:输出会把输入的许多移位副本按 \(h\) 加权叠加;若绝对权重总和有限,有界输入就不可能被叠加成无限大输出。


7. 一套可靠的判定流程

面对 \(y=\mathcal T\{x\}\) 时,可以按以下顺序:

  1. 线性:代入 \(ax_1+bx_2\),检查叠加性;
  2. 时不变:比较 \(\mathcal T\{x(t-t_0)\}\) 与 \(y(t-t_0)\);
  3. 因果:时刻 \(t\) 是否出现 \(t\) 之后的输入;
  4. 记忆性:是否只用同一时刻的输入;
  5. 稳定性:尝试用任意有界输入建立输出上界,或找一个反例。

完整判断 \(y[n]=x[n]+0.5x[n-1]\)

  • 输入只做线性组合,因此线性;
  • 系数和延时不随 \(n\) 变化,因此时不变;
  • 只用当前与过去输入,因此因果;
  • 用到 \(x[n-1]\),因此有记忆;
  • 若 \(|x[n]|\le B\),则 \(|y[n]|\le1.5B\),因此 BIBO 稳定。

8. 本章自测

1. \(y(t)=\cos(x(t))\) 是否线性?

否。例如零输入产生 \(\cos0=1\),已经违反线性系统必须满足的零输入—零输出性质。

2. \(y[n]=x[-n]\) 是否时不变、是否因果?

时不变性:延迟输入后为 \(x[-n-n_0]\),延迟输出为 \(x[-n+n_0]\),通常不同,所以时变。它在 \(n<0\) 时会使用未来序号的输入,因此对双边时间轴不是因果系统。

3. \(y[n]=n\,x[n]\) 有哪些性质?

它线性、无记忆、因果,但时变。若时间轴覆盖所有整数,对有界输入 \(x[n]=1\),输出 \(n\) 无界,因此不 BIBO 稳定。

4. 为什么传递函数分析通常注明零初始条件?

因为输入输出的比值描述的是零状态响应;非零初始能量还会产生与外部输入无关的零输入响应,不能包含在单纯的输入输出比值中。

下一步:冲激响应与卷积。