如何将 LTI 微分方程修改为非因果或反因果?

信息处理 线性系统 冲动反应 拉普拉斯变换
2022-02-17 06:35:20

我正试图围绕 LTI 系统中的因果关系。仅考虑连续时间,我很高兴系统是因果的,如果脉冲响应函数h(t)=0为了t<0.

我不明白这是如何体现在 LTI 微分方程中的。具体来说,是什么让正时间方向和负时间方向根本不同?(如果将例如长度作为自变量而不是时间考虑,这一点尤其清楚)

我希望通过考虑 LTI 方程来阐明这一点

dydt=u(t)

为此,或更复杂的 LTI 系统,我可以将 RHS 设置为δ(t)然后使用拉普拉斯变换求解y(t)=h(t). 在这种特定情况下h(t)是Heavyside阶跃函数,即h(t)=0为了t<0h(t)=1为了t>0. 因此,这是一个因果系统。

如果我想修改上述微分方程以使系统要么是非因果的,要么是反因果的,我该怎么办?

2个回答

重要的是要认识到,通常仅微分方程 (DE) 并不能告诉我们任何有关因果关系的信息。您声称问题中给出的系统是因果关系。然而,具有脉冲响应的反因果系统h(t)=u(t)(在哪里u(t)是阶跃函数)也满足同样的DE!所以给定的 DE 实际上描述了两个系统,一个因果系统和一个反因果系统。

您需要强制因果关系(以及线性和时不变性)是系统最初处于静止状态的辅助条件。“最初”是指输入信号变为非零的时刻。如果我们用t0, 这些条件是

(1)y(t0)=y(t0)=y(t0)==0

其中表示输出信号的一阶导数等。用初始静止条件求解的 DE 可以得到 DE 描述的因果系统的输出信号。y(t)(1)t>t0

当使用拉普拉斯变换计算 LTI 系统的传递函数时,类似的情况也是如此。传递函数的拉普拉斯变换表达式并不唯一地标识相应的系统。您还必须指定收敛区域 (ROC)。在您的示例中,系统的传递函数是

(2)H(s)=1s

根据 ROC,此函数对应于两个不同的时域函数:

h(t)=u(t),Re(s)>0
h(t)=u(t),Re(s)<0

您需要选择对您的情况有意义的解决方案。

单靠微分方程无法判断被建模的系统是因果系统还是反因果系统。因果关系是施加在系统上的外部约束,它将指导您完成求解过程。即,如果您以某种方式(通过其他方式)知道系统是因果关系,那么您将所有的解决方案限制为零t<0

否则,(如果您不知道您的系统是否是因果关系),LCCDE(线性常数系数微分方程)本身无法告诉您这一点以及从延伸到和另一个的两种解决方案将是给定 LCCDE 的有效解。t=0t=t=0t=

但是请注意,以下系统:立即被认为是非因果的,因为输出取决于未来时间的输入值。y(t)=x(t+2)