传递函数

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

传递函数系统输入与输出之间关系的数学表示。

解释[编辑]

传递函数通常用于单输入、单输出的模拟电路,主要用在信号处理通信理论控制理论。这个术语经常专门用于如本文所述的线性时不变系统(LTI)。实际系统基本都有非线性的输入输出特性,但是许多系统在标称参数范围内的运行状态非常接近于线性,所以实际应用中完全可以应用线性时不变系统理论表示其输入输出行为。有的书中也把其译为:“转移函数”。

对于最简单的连续时间输入信号 x(t) 和输出信号 y(t) 来说,传递函数所反映的就是零状态条件下输入信号的拉普拉斯变换 X(s) 与输出信号的拉普拉斯变换 Y(s) 之间的线性映射关系:

 Y(s) = H(s) \, X(s)

或者

 H(s) = \frac{Y(s)} {X(s)}

其中 H(s) 就是此线性时不变系统的传递函数。

离散时间系统中,应用Z变换,传递函数可以类似地表示成

H(z) = \frac{Y(z)}{X(z)}

信号处理[编辑]

设普通线性时不变系统的输入为  x(t) \ ,输出为  y(t) \ ,并且  x(t) \  y(t) \ 拉普拉斯变换

 X(s)  =  \mathcal{L}\left \{ x(t) \right \} \equiv \int_{-\infty}^{\infty} x(t) e^{-st}\, dt
 Y(s)  =   \mathcal{L}\left \{ y(t) \right \} \equiv \int_{-\infty}^{\infty} y(t) e^{-st}\, dt .

那么输出与输入之间通过传递函数  H(s) \ 发生关系

 Y(s) = H(s) X(s)  \,

并且传递函数为

 H(s) = \frac{Y(s)} {X(s)}

频响函数[编辑]

在信号分析与处理中,通常感兴趣的系统的频率响应,这时候经常使用频响函数来表示系统对于不同频率谐波的响应特征。频响函数通常用傅里叶变换表示,傅里叶变换是  s = j \omega 的双边拉普拉斯变换的一个特例。频响函数实际上是线性系统的稳态响应分量,只有再加上瞬态响应分量,才构成系统的全响应,即系统的传递函数。

当一个振幅|X| \ 角频率\omega \ 以及相位\arg(X) \ 谐波信号

 x(t) = Xe^{j\omega t} = |X|e^{j(\omega t + \arg(X))}
其中  X = |X|e^{j\arg(X)}

输入到线性时不变系统的时候,那么对应的输出为:

 y(t) = Ye^{j\omega t} = |Y|e^{j(\omega t + \arg(Y))}
 Y = |Y|e^{j\arg(Y)}  .

注意,在线性时不变系统中,谐波信号输入频率  \omega \ 没有发生变化,只有三角函数的振幅和相位经过系统发生了改变。相位延迟(也就是传递函数引起的与频率相关的正弦曲线延迟)为:

\tau_{\phi}(\omega) = -\begin{matrix}\frac{\phi(\omega)}{\omega}\end{matrix}

群延迟(也就是传递函数引起的与频率相关的正弦曲线包络线延迟)通过计算相位延迟对于角频率  \omega \ 的导数得到,

\tau_{g}(\omega) = -\begin{matrix}\frac{d\phi(\omega)}{d\omega}\end{matrix}.

频率响应  H(j \omega) 可分解为幅频响应A(\omega)或增益G(\omega)以及相频响应\phi(\omega)

G(\omega) = \frac{|Y|}{|X|} = |H(j \omega)| \
\phi(\omega) =  \arg(Y) -  \arg(X) = \arg( H(j \omega)).

并可由此绘出系统的幅频特性曲线与相频特性曲线,总称波特图

频率响应也可以按其实部与虚部分解表示为:

H(j \omega) = Re(\omega) + jIm(\omega)

并由此绘出系统频率响应的奈奎斯特曲线

不管是使用拉普拉斯变换还是傅立叶变换,它们都将时间域上系统响应的卷积运算转化为对应的复数域或频域上的代数(频率相乘,相位相加)运算,并且可以直观的揭示出系统对于信号频率的作用。

控制工程[编辑]

控制工程控制理论中,传递函数是从拉普拉斯变换推导出来的。传递函数是经典控制工程中的一个主要工具,但是,在分析多输入多输出(MIMO)系统的时候它就显得很笨拙了,在分析这样的系统的时候大部分被状态空间表示所代替。尽管这样,经常也可以从任意的线性系统得到传递矩阵用于分析它的动态及其它特性:传递矩阵中的每个元素都是与特定输入和特性输出相关的一个传递函数。

光学[编辑]

光学调制传递函数描述的是光学系统传递对比度的能力。

例如,如果一系列的黑白交替条纹以一个特定的空间频率画出来,那么当观察这些条纹的时候,图像质量可能发生退化。白色的条纹看起来变暗了,而黑色的条纹看起来变亮了。

在特定空间频率的调制传递函数定义为:

 \mathrm{MTF}(f) = \frac{M(\mathrm{image})} {M(\mathrm{source})}

其中调制 (M), 是根据下式从图像或者光源亮度中导出来的:

 M = \frac{(L_\mathrm{max} - L_\mathrm{min} )} {(L_\mathrm{max} + L_\mathrm{min})}

参见[编辑]