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請問群時延和相位時延分別是怎么影響著信號的呢?

加油射頻工程師 ? 來源:加油射頻工程師 ? 2024-04-24 10:55 ? 次閱讀

今日正文

(1) 什么是線性時不變系統(LTI System)?

線性時不變系統,英文全稱是linear time-invariant system,簡稱LTI System。

線性時不變系統,即這個系統既是線性系統,又是時不變系統。

所謂線性系統,即表示系統滿足疊加關系,如下圖所示。

e28d4d10-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

所謂時不變系統,即滿足下列等式,如下圖所示:

e2a0988e-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

即,輸入的時延會等量的反應到輸出上。

(2)線性時不變系統的傳輸函數

線性時不變系統,可以用系統的沖激響應來表示,即當輸入為沖激函數δ(t)時,系統的輸出響應。同時結合LTI系統所滿足的線性和時不變特性,推導出輸入x(t),輸出y(t)和沖激響應h(t)之間的關系,如下圖所示。可以看到,LTI系統的輸出,是其輸入與系統沖激響應的卷積。

e2b76dd4-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

對等式兩端求傅里葉變換,可以得到:

e2bfa5a8-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

H(f)即定義為LTI系統的傳輸函數,為Y(f)和X(f)的比值,也為系統的沖激響應對應的傅里葉變換,即:

e2d89054-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

同時,傳輸函數H(f)還可以分成兩部分來表示,一部分為幅度,一部分為相位,即:

e2e88cd4-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

(3)無失真線性時不變系統

對于小信號射頻鏈路而言,我們希望這個線性時不變系統是無失真的,即信號通過這個系統時,相當于把信號從一個時間點上平移到另一個時間點上,除了幅度等比例放大或縮小外,其他都不變。

e2f2fe6c-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

無失真線性時不變系統,即表示既無幅度失真,也無相位失真。

所謂幅度失真,就是不同頻率處幅度的放大或縮小的比例不一致,即上圖中的K隨頻率變化。所謂相位失真,就是不同頻率處相位時延(phase delay)不一致,即上圖中的t0隨頻率變化。

而無幅度失真和無相位失真,即表示K和t0都是恒定值。

無失真線性時不變系統的傳輸函數H(f)的幅度和相位響應,可以用下圖來表示。

e3138b00-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

(4) group delay和phase delay的定義

e31f0a7a-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

群時延(group delay)和相位時延(phase delay)的定義如上圖所示。

按照上面的定義,計算無失真線性時不變系統傳輸函數對應的phase delay和group delay,發現兩者是相等的,如下圖所示。

e33762e6-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

(5)那群時延和相位時延分別是怎么影響著信號的呢?

假設輸入是一個帶包絡的窄帶調制信號,那么可以推導出這個信號經過LTI系統后,群時延和相位時延對它的影響,如下圖所示。

e3425138-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

(6)從頻域看看這個影響?

假設系統為無失真線性時不變系統,則τp=τg,并假設輸入信號是帶包絡的窄帶調制信號,如下圖所示。

e35a4680-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

則輸出信號的頻譜為:

e383b6d2-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

在相應的假設下,輸出信號的頻譜為:

e389097a-0172-11ef-a297-92fbcf53809c.png

也就是說,group delay對應于m(t)個頻率分量的角度旋轉,上面是假設τg是不隨頻率變化的,旋轉角度是有規律可言的;但一般濾波器的群時延,都有一個波動,這會導致旋轉角度沒有規律,而且基帶頻率的地方,角度旋轉的越多。不知道,這是不是寬帶信號要求群時延波動更低的底層原因?

而phase delay則對應于載波的角度旋轉,因為這邊的假設,載波的旋轉角度正好是200pi,正好是周期的整數倍,所以沒有在圖中體現出旋轉角度的量。

我想基帶算法部分,對固定的群時延應該能夠糾正,但是對于群時延波動,不知道行不行?

審核編輯:劉清
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原文標題:Group delay和phase delay是怎么影響信號的?

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