background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

I

I

n

n

t

t

r

r

o

o

d

d

u

u

c

c

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

t

t

o

o

 

 

S

S

i

i

g

g

n

n

a

a

l

l

s

s

 

 

a

a

n

n

d

d

 

 

S

S

y

y

s

s

t

t

e

e

m

m

s

s

 

 

 

 

What are Signals?  

Signals are detectable quantities used to convey information about time-varying 

physical  phenomena.  Common  examples  of  signals  are  human  speech,  temperature 

and  pressure. Electrical signals, normally expressed in the form of voltage or current 

waveforms, are some of the easiest signals to generate and process. 

Mathematically,  signals  are  modeled  as  functions  of  one  or  more  independent 

variables.  Examples  of  independent  variables  used  to  represent  signals  are  time, 

frequency.  

What are systems?  

 

 

A  system  is  an  interconnection  of  components  that  transforms  an  input  signal 

into an output signal. It is  establishes a relationship between a set of inputs and the 

corresponding set of outputs.  

Figure  (1)  illustrates  some  common  signals  and  systems  encountered  in  different 

fields of engineering. 

Figure  (1a)  is  a  simple  electrical  circuit  consisting  of  three  passive  components.  A 

voltage  v(t)  is  applied  at  the  input  of  the  RLC  circuit,  which  produces  an  output 

voltage y(t) across the capacitor. A possible waveform for y(t) is the sinusoidal signal 

shown  in  Fig.  (1b). Figure  (1.  c)  shows  an  audio  recording  system  where  the  input 

signal is an audio or a speech waveform. The function of the audio recording system 

is  to  convert  the  audio  signal  into  an  electrical  waveform,  which  is  recorded  on  a 

magnetic  tape  or  a  compact  disc.  A  possible  resulting  waveform  for  the  recorded 

electrical signal is shown in Fig. (1 d). Figure (1. e) shows a charge coupled device 

(CCD) based digital camera where the input signal is the light emitted from a scene.  

 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

The incident light charges a CCD panel located inside the camera, thereby storing the 

external  scene  in  terms  of  the  spatial  variations  of  the  charges  on  the  CCD  panel. 

Figure (1g) illustrates a thermometer that measures the ambient 

temperature  of  its  environment.  Electronic  thermometers  typically  use  a  thermal 

resistor,  known  as  a  thermistor,  whose  resistance  varies  with  temperature.  The 

fluctuations in the resistance are used to measure the temperature. Figure (1h). 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

Fig. (1) Examples of signals and systems. (a) An electrical circuit; (c) an audio recording 

system; (e) adigital camera; and (g) a digital thermometer. Plots (b), (d), (f ), and (h) are 

output signals generated,respectively, by the systems shown in (a), (c), (e), and (g). 

 

 

Most physical processes are modeled by multiple-input and multiple-output (MIMO) 

systems of the form illustrated in Fig. (2a) where the xi (t)’s represent the continuous 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

time  inputs  while the  yj  (t)’s  represent  the  continuous  time  outputs,  or  single-input, 

single-output  illustrated  in  Fig.  (2.b)  .  Such  systems,  which  operate  on  continuous 

time input signals transforming them to continuous time output signals are referred to 

as continuous time systems. 

In comparison to  continuous time systems, discrete time systems transform  discrete 

time  input  signals,  often  referred  to  as  sequences,  into  discrete  time  output  signals. 

two discrete time systems are shown in Fig. (3.a) and Fig. (3b). 

 

 

 

Fig. (2):

 

Continuous Time systems. (a) Multiple-input, multiple-output (MIMO)  

(b) Single-input, single-output CT system. 

 
 

 
 

Fig. (3): Discrete Time systems. (a) Multiple-input,multiple-output (MIMO) DT system 

. (b) Single-input,single-output DT system. 

Why study Signals and Systems?  

Signals and systems are fundamental to all of engineering.  

The aims of signals and system course are :  

  To represent and manipulate signals. 

  To represent and characterize systems. 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

   To understand the effect of standard signals on liner system.   

 

Classification of Signals  

A. Continuous-Time and Discrete-Time Signals 

A signal x(t) is a continuous-time signal if is a continuous variable. If is a discrete 

variable  that  is,  x(t)  is  defined  at  discrete  times,  then  x(t)  is  a  discrete-time  signal. 

Since a discrete-time signal is defined at discrete times, a discrete-time signal is often 

identified  as  a  sequence  of  numbers,  denoted  by  {x

n

}  or  x[n],  where  n=integer. 

Illustrations  of  a  continuous-time  signal  x(t)  and  of  a  discrete-time  signal  x[n]  are 

shown in Figure below.  

                        Continuous-time signal                                              discrete-time signal 

 

A  discrete-time  signal  x[n]  may  be  obtained  by  sampling  a  continuous-time  signal 

x(t).  Many  physical  systems  operate  in  continuous  time,  Digital  computations  are 

done in discrete time  

 

B. Analog and Digital Signals:  

If a continuous-time signal x(t) can take on any value in the continuous interval (a

b),  where  a  may  be  -

∞  and  b  may  be  +∞,  then  the  continuous-time  signal  x(t)  is 

called  an  analog  signal.  If  a  discrete-time  signal  x[n]  can  take  on  only  a  finite 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

number of distinct values, then we call this signal a digital signal. Figure below show 

examples big analogue and digital signals.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C. Real and Complex Signals:  

A  signal  x(t)  is  a  real  signal  if  its  value  is  a  real  number,  and  a  signal  x(t)  is  a 

complex  signal  if  its  value  is  a  complex  number.  A  general  complex  signal  x(t)  

function of the form  

x (t) = x

1

(t) + jx

2

(t)  

where x

1

(t) and x

2

(t) are real signals and 

 

.  

 

D. Deterministic and Random Signals 

Deterministic signals are those signals whose values are specified for any given time. 

Thus, a deterministic signal can be modeled by a known function of time t.(

modeled 

by clear mathematical express

ions , such as χ ( t) =A coswt). 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

Random

 s

ignals are those signals that take random values at any given time (it is not 

possible  to  write  clear  mathematical  expressions),  and  must  be  characterized 

statistically.  

 

          

 Deterministic signal                                                          Random signal 

 

E. Periodic and Nonperiodic Signals:  

A continuous-time signal x (t) is said to be periodic with period if  

x(t +T) = x (t)               for all   

An example of such a signal is given in Fig. belowFrom Fig. it follows that  

x(t +mT) = x (t)           for all and any integer m.  

The fundamental period T

0

of x (t) is the smallest positive value of T.  

 

 

 

 

 

Examples of continuous-time periodic signals 

Any  continuous-time  signal  which  is  not  periodic  is  called  a  nonperiodic  (or  a 

periodic) signal.  

A sequence (discrete-time signal) x[n] is periodic with period N if there is a positive 

integer N for which  

x ( t ) 

x ( t ) 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

x[n +N] =x[n]                                for all n  

An example of such a sequence is given in Fig. bellow. From Fig. it follows that  

x[n+mN] =x[n] for all n and any integer m.  

The fundamental period N

of x[n] is the smallest positive integer N.  

 

 

 

 

 

 

Examples of discrete-time periodic signals 

 

Any sequence which is not periodic is called a nonperiodic (or a periodic) sequence.  

 

F. Even and Odd Signals 

A signal x ( t ) or x[n] is referred to as an even signal if  

x(-t) = x(t)  

x[-n] = x[n]  

A signal x (t) or x[n] is referred to as an odd signal if  

x(-t) - x(t)  

x[-n] - x[n]  

Examples of even and odd signals are shown in Fig.  
 
 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

                         (a) even signals                                                           (b) odd signals  

 

G. Energy and Power Signals:  

Consider  e(t)  to  be  the  voltage  across  a  resistor  R  producing  a  current  i(t).  The 

instantaneous power p(t) per ohm is defined as:  

R

t

i

R

t

v

t

i

t

v

t

p

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

  

 

Since power is the rate of energy, the total energy expended over the time interval 

2

1

t

t

t

 is :  

 

 

 

and the average power over this interval is:  

 

 

 

 

If t

= -T and t

= T then,  

 

 

 

If i(t) is a continuous-time signal, the total energy E and average power P on a per-

ohm basis are  

 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

 

and 

 

 

 

For  an  arbitrary  continuous-time  signal  x(t),  the  total  energy  normalized  to  unit 

resistance is defined as  

 

 

 

and the average power normalized to unit resistance is defined as  

 

 

 

 

Based on the above definition, the following classes of signals are defined:  

1)   x(t)  is  an  energy  signal  if  and  only  if  0<E<

 

(having  finite  energy),  so  that       

P=0. 

2)  x(t) is a power signal if and only if 0<P<

∞, thus implying that E=∞.  

3)  Signals  that  satisfy  neither  property  are  therefore  neither  energy  nor  power                   

signals.  

An energy signal has zero average power, whereas a power signal has infinite energy. 

Thus  the  periodic  signals  are  classified  as  power  signals.  Figures  below  shows  an 

example of  energy and power signals.  

 

 

 
 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 
 
 
 

 

Energy Signal: Signal with finite energy (zero power) 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Power Signal: Signal with finite power (infinite energy) 

 

In discrete time  

 

 

 

and 

 

 

 

 

Elementary signals 

Representing signals in terms of the elementary functions simplifies the analysis and 

design of linear systems. 

 

1.  Unit step function 

The CT unit step function u(t ) is defined as follows: 

 

 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

 

The DT unit step function u[k] is defined as follows: 

 

 
 

The waveforms for the unit step functions u(t ) and u[k] are shown, respectively, in 

Figs.4 (a) and (b). 

2.  Rectangular pulse function 

The CT rectangular pulse rect(t/τ ) is defined as follows: 

 

 

 

and it is plotted in Fig. 4(c). The DT rectangular pulse rect(k/(2N + 1)) is 

defined as follows: 

 

 

and it is plotted in Fig. 4(d). 

3.  Ramp function 

The CT ramp function () is defined as follows: 

 

 

which is plotted in Fig. 4(g).  

 

Similarly, the DT ramp function [k] is defined 

as follows: 

 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

which is plotted in Fig. 4(h). 

 

4.  Sinusoidal function 

The CT sinusoid of frequency f0 (or, equivalently, an angular frequency ω0 =2π f0  

 

is defined as follows: 

  

 

which is plotted in Fig. 4(i). The DT sinusoid is defined as follows: 

 

 
 

where Ω0 is the DT angular frequency. The DT sinusoid is plotted in Fig. 4(j). 

 

5.  Sinc function 

The CT sinc function is defined as follows: 

 

 

Or 

 

 

 

which is plotted in Fig. 1.12(k) 

The DT sinc function is defined as follows: 

 

 

which is plotted in Fig. 4(l). 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

 

 

Fig.( 4):. CT and DT elementary functions. (a) CT and (b) DT unit step functions. (c) CT and 

(d) DT rectangular pulses. (g) CT and (h) DT ramp functions. (i) CT and (j) DT sinusoidal 

functions. (k) CT and (l) DT sinc functions. 

 

6.  CT exponential function 

A CT exponential function, with complex frequency  = σ + jω0, is represented           

by 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

The CT exponential function is, therefore, a complex-valued function with the 

following real and imaginary components: 

 

 

 

 

 

Depending upon the presence or absence of the real and imaginary components, 

there are two special cases of the complex exponential function. 

Case 1: Imaginary component is zero (ω0 = 0) 

Assuming that the imaginary component ω of the complex frequency s is zero, 

the exponential function takes the following form: 

 

 

which is referred to as a real-valued exponential function. Figure (5) shows the real-

valued  exponential  functions  for  different  values  of  σ.  When  the  value  of  σ  is 

negative (σ < 0) then the exponential function decays with increasing time t . 

The exponential function for σ < 0 is referred to as a decaying exponential function 

and is shown in Fig. 5(a). For σ = 0, the exponential function has a constant value, as 

shown  in  Fig.  5(b).  For  positive  values  of  σ  (σ  >  0),  the  exponential  function 

increases  with  time  t  and  is  referred  to  as  a  rising  exponential  function.  The  rising 

exponential function is shown in Fig. 5(c). 

 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

 

 

 

 

Fig. (5): Special cases of real-valued CT exponential function x(exp(σ).  

(a) Decaying exponential with σ < 0.  

(b) Constant with σ 0. 

 (c) Rising exponential withσ > 0

.

 

 

Case 2: Real component is zero (σ = 0) 

When the real component σ of the complex frequency is zero, the exponential 

function is represented by 

 

In other words, the real and imaginary parts of the complex exponential are 

pure sinusoids. Figure (6) shows the real and imaginary parts of the complex 

exponential function

.

 

 

 

Fig. (6): CT complex-valued exponential function x() = exp( jω0). 

(a) Real component; (b) imaginary component. 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

             Subjec: Signals and Systems 
             Lecture 1  

Lecture: Dr.Manal Kadhim 

 

 

Electromechanical Eng.Department                                                         
Electromechanical Systems Branch                                             
Fourth Year. 

 

 
 

 

7.  CT unit impulse function 

The unit impulse function δ(), also known as the delta function, is defined in terms 

of two properties as follows: 

 

 

 

 

 

 

 

 

Impluse function 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 156 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل