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信号与系统-CH6.2-连续系统的频率响应

本篇笔记对连续时间 LTI(线性时不变)系统的频率响应进行了系统性整理。重点解决频率响应的定义、存在条件、一阶系统的计算步骤,以及复数复频响应在极坐标(幅频与相频)下的转换原理。

May 24, 2026 修考 13 min read

连续系统的频率响应 (Frequency Response of Continuous-Time Systems)

本篇笔记对连续时间 LTI(线性时不变)系统的频率响应进行了系统性整理。重点解决频率响应的定义、存在条件、一阶系统的计算步骤,以及复数复频响应在极坐标(幅频与相频)下的转换原理。

https://www.youtube.com/watch?v=T_DdDa_nUak&list=PLX6FA3vfNTfChkbNQGxVPrIsvkC_DwNV6&index=20&t=38s

一、 频率响应的物理背景与定义

对于一个线性时不变(LTI)系统,其冲激响应为 h(t)h(t)

若输入一个复指数信号(单频悬波信号) x(t)=ejωtx(t) = e^{j\omega t},根据时域卷积,系统的输出 y(t)y(t) 为:

y(t)=h(t)x(t)=+h(τ)x(tτ)dτy(t) = h(t) * x(t) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau) x(t - \tau) \, d\tau

x(tτ)=ejω(tτ)=ejωtejωτx(t-\tau) = e^{j\omega(t-\tau)} = e^{j\omega t} \cdot e^{-j\omega \tau} 代入上式:

y(t)=+h(τ)ejωtejωτdτy(t) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau) e^{j\omega t} e^{-j\omega \tau} \, d\tau

由于积分是对 τ\tau 进行的,与 tt 无关,我们可以将 ejωte^{j\omega t} 提取到积分符号外面:

y(t)=ejωt[+h(τ)ejωτdτ]y(t) = e^{j\omega t} \left[ \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau) e^{-j\omega \tau} \, d\tau \right]

我们定义括号中的积分项为系统的频率响应 (Frequency Response),记作 H(jω)H(j\omega)

H(jω)=+h(τ)ejωτdτ\boxed{H(j\omega) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau) e^{-j\omega \tau} \, d\tau}

从数学形式上看,系统的频率响应 H(jω)H(j\omega) 就是系统冲激响应 h(t)h(t) 的傅里叶变换 (Fourier Transform)

此时,系统的输出可以简写为:

y(t)=H(jω)ejωty(t) = H(j\omega) e^{j\omega t}

物理意义:当复指数信号(或正弦信号)通过 LTI 系统时,输出信号的频率不发生改变,仅仅是其幅度相位受到了系统频率响应 H(jω)H(j\omega) 的调制。

二、 频率响应的存在条件:系统稳定性证明

1. 核心问题

H(jω)H(j\omega) 怎么求?它在什么时候会存在?

2. 收敛性证明(存在条件)

要使频率响应 H(jω)H(j\omega) 存在,其积分在数学上必须收敛。我们对其取绝对值进行评估:

H(jω)=+h(τ)ejωτdτ|H(j\omega)| = \left| \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau) e^{-j\omega\tau} \, d\tau \right|

根据复数积分的三角不等式性质(积分的模小于或等于模的积分):

H(jω)+h(τ)ejωτdτ|H(j\omega)| \le \int_{-\infty}^{+\infty} \left| h(\tau) e^{-j\omega\tau} \right| \, d\tau

因为对于任意实数 ω\omegaτ\tau,复指数项的模总为 11,即 ejωτ=1\left|e^{-j\omega\tau}\right| = 1,所以上式可化简为:

H(jω)+h(τ)dτ\boxed{|H(j\omega)| \le \int_{-\infty}^{+\infty} |h(\tau)| \, d\tau}

若要保证 H(jω)|H(j\omega)| 是一个有界的确定值(即 H(jω)H(j\omega) 存在且不发散),必须满足:

+h(τ)dτ<\int_{-\infty}^{+\infty} |h(\tau)| \, d\tau < \infty

3. 结论

这正是 系统绝对可积(System Absolutely Integrable) 的条件,在信号与系统中,这等价于 系统必须是稳定系统 (Stable System)

  • 结论只有稳定系统,其频率响应 H(jω)H(j\omega) 才存在。

三、 经典例题:一阶系统的频率响应计算

1. 题目

已知一个 LTI 系统的冲激响应为 h(t)=eatu(t)h(t) = e^{-at} u(t),其中常数 a>0a > 0。求该系统的频率响应 H(jω)H(j\omega)

前置思考:为什么要限定 a>0a > 0

  • 如果 a<0a < 0,当 t+t \to +\infty 时,eate^{-at} 会趋于无穷大,系统发散(不稳定),其频率响应将不存在。
  • 只有 a>0a > 0,系统在时域上随时间逐渐衰减(Decay),系统稳定,积分才收敛。

2. 计算过程

h(τ)=eaτu(τ)h(\tau) = e^{-a\tau} u(\tau) 代入频率响应公式:

H(jω)=+eaτu(τ)ejωτdτH(j\omega) = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-a\tau} u(\tau) e^{-j\omega\tau} \, d\tau

利用单位阶跃函数 u(τ)u(\tau) 的性质(在 τ<0\tau < 0 时为 00,在 τ0\tau \ge 0 时为 11),我们可以将积分区间缩减至 [0,+)[0, +\infty)

H(jω)=0+eaτ1ejωτdτH(j\omega) = \int_{0}^{+\infty} e^{-a\tau} \cdot 1 \cdot e^{-j\omega\tau} \, d\tau

合并指数项:

H(jω)=0+e(a+jω)τdτH(j\omega) = \int_{0}^{+\infty} e^{-(a + j\omega)\tau} \, d\tau

求解该定积分:

H(jω)=[1(a+jω)e(a+jω)τ]0+H(j\omega) = \left[ \frac{1}{-(a + j\omega)} e^{-(a + j\omega)\tau} \right]_{0}^{+\infty}

分别代入上限 ++\infty 和下限 00

  • 代入上限 τ+\tau \to +\infty

    e(a+jω)τ=eaτejωτe^{-(a + j\omega)\tau} = e^{-a\tau} \cdot e^{-j\omega\tau}

    由于 a>0a > 0,当 τ+\tau \to +\infty 时,实指数部分 eaτ0e^{-a\tau} \to 0。虽然虚指数部分 ejωτe^{-j\omega\tau} 是一个在单位圆上旋转的悬波(无法确定具体取值),但由于乘以了趋于 00 的实数项,整体极限趋于 00

    limτ+e(a+jω)τ=0\lim_{\tau \to +\infty} e^{-(a + j\omega)\tau} = 0

  • 代入下限 τ=0\tau = 0

    e(a+jω)0=e0=1e^{-(a + j\omega) \cdot 0} = e^0 = 1

将上述结果代入定积分公式中:

H(jω)=1(a+jω)(01)=1a+jωH(j\omega) = \frac{1}{-(a + j\omega)} \cdot (0 - 1) = \frac{1}{a + j\omega}

3. 结论

对于一阶系统 h(t)=eatu(t)(a>0)h(t) = e^{-at} u(t) \quad (a>0),其频率响应为:

H(jω)=1a+jω\boxed{H(j\omega) = \frac{1}{a + j\omega}}

四、 重点解析:相频与幅频分析(攻克“并不理解”部分的转换原理)

在你的笔记中,你对一阶系统(设 a=1a = 1 时)得到的频率响应 H(jω)=11+jωH(j\omega) = \frac{1}{1 + j\omega},在变换为模与相角时写道“并不理解”:

H(jω)=1Aejarctan(ω)(不理解此处)H(j\omega) = \frac{1}{A e^{j\arctan(\omega)}} \quad \text{(不理解此处)}

下面我们用复数的极坐标形式为你进行彻底的数学拆解。

1. 分母的极坐标表示法

分母是一个复数:z=1+jωz = 1 + j\omega。在复平面上,其实部为 11,虚部为 ω\omega

任何复数 z=x+jyz = x + jy 都可以写成极坐标形式(指数形式):

z=zejθz = |z| e^{j\theta}

其中:

  • 模(Magnitude)

    z=A=x2+y2=12+ω2|z| = A = \sqrt{x^2 + y^2} = \sqrt{1^2 + \omega^2}

  • 相角(Phase/Angle)

    θ=z=arctan(yx)=arctan(ω1)=arctan(ω)\theta = \angle z = \arctan\left(\frac{y}{x}\right) = \arctan\left(\frac{\omega}{1}\right) = \arctan(\omega)

因此,分母可以写为:

1+jω=1+ω2ejarctan(ω)1 + j\omega = \sqrt{1 + \omega^2} \, e^{j\arctan(\omega)}

2. 整体频率响应的化简

现在我们把分母的极坐标形式代回 H(jω)H(j\omega) 中:

H(jω)=11+jω=11+ω2ejarctan(ω)H(j\omega) = \frac{1}{1 + j\omega} = \frac{1}{\sqrt{1 + \omega^2} \, e^{j\arctan(\omega)}}

将分母的指数项移到分子(指数变号):

H(jω)=11+ω2ejarctan(ω)H(j\omega) = \frac{1}{\sqrt{1 + \omega^2}} \, e^{-j\arctan(\omega)}

根据欧拉公式和复数定义,任何系统频响都可以表示为:

H(jω)=H(jω)ejH(jω)H(j\omega) = |H(j\omega)| e^{j \angle H(j\omega)}

对比上式,我们可以清晰地分出幅频响应(模)*和*相频响应(相角)

(1) 幅频响应 (Magnitude Response)

H(jω)=11+ω2\boxed{|H(j\omega)| = \frac{1}{\sqrt{1 + \omega^2}}}

  • ω=0\omega = 0 时,H(j0)=1|H(j0)| = 1
  • ω=1\omega = 1 时,H(j1)=120.707|H(j1)| = \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0.707 (此频率通常被称为 3dB 截止频率)。
  • ω+\omega \to +\infty 时,H(jω)0|H(j\omega)| \to 0
  • 物理意义:该系统允许低频信号通过,抑制高频信号,这是一个典型的低通滤波器 (Low-pass Filter)。其幅频特性曲线呈单调递减趋势(如下图 hand-drawn 曲线所示)。
  |H(jω)|
    ^
1.0 |------\
    |       \
0.7 |        \ (ω = 1)
    |         \
    +-------------------> ω
    0         1

(2) 相频响应 (Phase Response)

H(jω)=arctan(ω)\boxed{\angle H(j\omega) = -\arctan(\omega)}

  • ω=0\omega = 0 时,H(j0)=arctan(0)=0\angle H(j0) = -\arctan(0) = 0
  • ω=1\omega = 1 时,H(j1)=arctan(1)=45\angle H(j1) = -\arctan(1) = -45^\circ(或 π4-\frac{\pi}{4})。
  • ω+\omega \to +\infty 时,H(jω)90\angle H(j\omega) \to -90^\circ(或 π2-\frac{\pi}{2})。
  • 物理意义:系统对信号产生相位滞后,随着频率 ω\omega 的增加,相位滞后从 00^\circ 逐渐增大并趋近于 90-90^\circ

五、 拓展与补充例题(来自参考视频)

为了保证你知识体系的完整性,这里补充了视频中提到的另外三个关键例题:

拓展例题 1:积分器系统(a=0a=0 的临界发散情况)

如果一阶系统中的常数 a=0a = 0,即系统的冲激响应为:

h(t)=u(t)(理想积分器)h(t) = u(t) \quad \text{(理想积分器)}

我们判断其频率响应是否存在:

+h(τ)dτ=0+1dτ=+\int_{-\infty}^{+\infty} |h(\tau)| \, d\tau = \int_{0}^{+\infty} 1 \, d\tau = +\infty

  • 结论:该积分不收敛,系统是不稳定的(属于临界稳定)。因此,其传统的傅里叶变换频率响应积分在普通函数意义下不存在(在广义函数意义下需借助 δ(ω)\delta(\omega) 描述,即 H(jω)=1jω+πδ(ω)H(j\omega) = \frac{1}{j\omega} + \pi\delta(\omega))。

拓展例题 2:理想延迟系统 (Ideal Delay System)

1. 题目

一个理想延迟系统满足:y(t)=x(ttd)y(t) = x(t - t_d),求其频率响应。

2. 求解

首先确定该系统的冲激响应 h(t)h(t)

h(t)=δ(ttd)h(t) = \delta(t - t_d)

代入频率响应公式:

H(jω)=+δ(τtd)ejωτdτH(j\omega) = \int_{-\infty}^{+\infty} \delta(\tau - t_d) e^{-j\omega\tau} \, d\tau

利用冲击函数的抽样性质 (Sifting Property),积分结果直接等于被积函数在 τ=td\tau = t_d 处的值:

H(jω)=ejωtd\boxed{H(j\omega) = e^{-j\omega t_d}}

3. 幅频与相频分析

  • 幅频响应H(jω)=ejωtd=1|H(j\omega)| = |e^{-j\omega t_d}| = 1 (全通系统,所有频率成分无损通过)。
  • 相频响应H(jω)=ωtd\angle H(j\omega) = -\omega t_d (相角与频率成正比,即线性相位)。

拓展例题 3:周期信号输入下的系统响应分析

若系统的输入 x(t)x(t) 是一个周期为 T0T_0 的周期信号,可以展开为傅里叶级数:

x(t)=k=+akejkω0t(ω0=2πT0)x(t) = \sum_{k=-\infty}^{+\infty} a_k e^{jk\omega_0 t} \quad \left(\omega_0 = \frac{2\pi}{T_0}\right)

因为系统是线性时不变(LTI)系统,由于频率响应的性质,每个单频成分 ejkω0te^{jk\omega_0 t} 对应的输出为 H(jkω0)ejkω0tH(jk\omega_0) e^{jk\omega_0 t}

根据叠加原理,系统的总输出 y(t)y(t) 为:

y(t)=k=+akH(jkω0)ejkω0t\boxed{y(t) = \sum_{k=-\infty}^{+\infty} a_k H(jk\omega_0) e^{jk\omega_0 t}}

应用总结:只要知道了系统的频率响应 H(jω)H(j\omega),就能轻松求出任何周期信号或非周期信号通过系统后的时域输出,这就是频域分析的强大之处。