信号与系统教程及实验（第2版） pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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杜尚丰，赵龙莲，苏娟，刘春红，位耀光著

图书标签:

信号与系统
电路分析
模拟信号处理
数字信号处理
通信原理
控制系统
MATLAB
实验教学
高等教育
电子工程

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出版社：清华大学出版社

ISBN：9787302496625

版次：2

商品编码：12336427

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-04-01

用纸：胶版纸

页数：319

字数：501000

具体描述

内容简介

本书以全新的编排方式,由浅入深,循循渐进,并吸收现代计算方法介绍信号与系统的基本内容,包括:信号与系统分析的基本概念与方法;连续时间系统与离散时间系统的时域分析;连续信号的傅里叶变换与系统的频域分析;连续信号的拉普拉斯变换与系统的S 域分析;离散信号与系统的Z 变换域分析;在上述内容的基础上介绍了系统的状态空间分析方法。每章配有例题与 MATLAB仿真实验原程序。本书配有两个附录:附录 A———信号流图;附录 B———凯里-哈尔米顿定理。

本书可作为高等学校工科(理科)的自动化类、电子类、通信类和电气类学生的教材,也可供相关科研与工程技术人员自学参考。

精彩书摘

第3章连续信号的傅里叶变换与频域分析

3.1非周期信号的傅里叶变换

1. 傅里叶变换的定义

在高等数学以及电路等课程中已熟悉了周期信号的傅里叶级数：一个周期为T角频率为ω1=2πT的周期信号f(t)，可展开成指数形式的傅里叶级数，即

f(t)=∑∞n=-∞Fnejnω1t

（3.1）

其中，Fn=1T∫T2-T2f(t)e-jnω1tdt。

为了直观地表示出信号中所含各频率分量的大小，以各频率分量（nω1）为横坐标，以各分量的幅度|Fn|为纵坐标，可画出信号的幅度谱。周期信号的频谱是一条条的离散谱线，相邻谱线之间的间隔是ω1，每条谱线的幅度是Fn。现在由周期信号的傅里叶级数推导出非周期信号的傅里叶变换。

显然，当周期信号的周期T→∞时可作为非周期信号来处理。此时，周期信号的频谱发生如下变化：

（1）相邻谱线的间隔ω1=2πT趋近于无穷小，从而周期信号的离散谱密集成为连续谱；

（2）各频率分量的幅度Fn也趋于无穷小。因此，非周期信号的频谱不能再用周期信号的频谱Fn来表示。

式中，ω1和Fn都趋于无穷小，但两个无穷小量的比值有望不趋于0，因此2πFnω1有望不趋于0。为了描述非周期信号的频谱特性，引入频谱密度的概念，令

F(jω)=limT→∞2πFnω1=limT→∞FnT（3.2）

函数F(jω)可以看作是单位频带的振幅，类似于物质单位体积的质量是密度，称F(jω)为频谱密度函数。

下面由周期信号的傅里叶级数推导出F(jω)的表达式。

由式（3.1）可得

前言/序言

前言

信号与系统课程是电子类、通信类、自动化类、电气工程类及计算机类等专业非常重要的专业基础课。本书写作贯穿时域与变换域的思想，内容安排循序渐进，概念介绍直观形象，同时配以大量的图形解释、例题和习题，并给出了MATLAB实现的例子，极大地方便了教与学。

二十几年的教学，跨越了“九五”“十五”“十一五”“十二五”，见证了信号与系统教学内容的演变历程。在信息处理量庞大的今天，信号与系统的教授内容也必须与时俱进，才能满足现代教学的需求。

在教授课程知识时，对专业基础课、专业课、专业选修课的教学方法是不同的，因此在编制教材时，也应反映这种区别。

注重信号与系统这门基础课对后续课程的作用，有针对性地组织内容，避免冗余，以提高教学效率。如在时域分析中，注重微分、差分方程的解法与卷积（卷积和）的作用；而在变换域分析中，注重三种变换的重要性。在教学实践中验证是非常有效的。

注重掌握本书内容的学习方法与手段，传统依靠手工做题和适量的模拟实验，在本次修订时，增加了用计算机来求解问题的手段，节约了大量时间。我们认为，在信息技术发达的今天，过于传统会降低我们获取更多知识的效率。因此，在编写教材时，注重讲解计算机工具在信号与系统分析时的作用，同时也丰富了学生的实践环节。

第1版教材，经过五年的使用，积累许多经验，在本次更新教材内容的过程中，注重了以下几个方面：

第1章，应用领域的范例在拓宽，例如在农业工程领域，强调信号、系统分类和方法描述，指明常用奇异信号的重要性。

第2章，突出系统的经典解和零输入、零状态响应；系统的冲激响应；过渡到在任意信号作用下的响应；修正了原版中的符号错误等。

第3章，结合工程数学，淡化数学味道，给出傅里叶变换的基本性质与应用，配备大量的例题展示在信号与系统分析中的作用。重点改编傅里叶变换的应用：分析系统；系统函数与频率特性；信号的无失真传输与滤波器；采样定理；稳态响应。

第4章，突出系统函数零、极点的重要性，如对时域特性有何影响；对自由响应、强迫响应、稳态响应、暂态响应特征的影响；与频域响应的关系；对稳定性的影响。

第5章，强化系统函数零、极点的重要性，如对时域特性有何影响；对自由响应、强迫响应、稳态响应、暂态响应特征的影响；与频域响应的关系；对稳定性的影响。

第6章，修改了第1版的符号问题。

第7章，删除了原来第7章，保留的部分变成附录A——信号流图；原来的第8章改为第7章。状态空间模型描述这个章节修改后有：模型意义、建立、转换；模型的分析方法（时域法与变换域法），每个内容的描述均配以适量的例题给予展示，丰富了本章内容。

正文最后增加了附录A——信号流图，附录B——哈密顿�部�莱定理。

本书第1章、附录A、B由杜尚丰改编，第2章由苏娟改编，第3、4、5章由赵龙莲改编，第6章由刘春红改编，第7章由位耀光改编。全书由杜尚丰、赵龙莲统稿。

本书的编写基于一些知名的教材与教学中积累的资料，由于水平有限，因此书中的不足之处在所难免，恳切希望广大读者提出批评与指正，帮助我们不断修改、完善本书。

杜尚丰

2017年9月5日

《信号与系统》—— 探索信息世界的基石在信息爆炸的时代，理解和处理各种信息流已成为一项基本技能。从通信技术到图像处理，从音频分析到控制系统，其背后都离不开一个共同的学科——信号与系统。这门课程如同打开信息世界大门的钥匙，为我们揭示了信息是如何被生成、传递、变换和理解的。一、信号的本质：信息的多彩载体信号，顾名思义，是传递信息的媒介。它们可以是各种各样的形式，承载着我们想要表达或接收的信息。连续时间信号与离散时间信号：连续时间信号是在时间上连续变化的信号，其值在任何一个瞬间都是有定义的。例如，我们说话时的声波，温度计上温度的缓慢变化，以及电压表显示的实时电压读数，都是典型的连续时间信号。它们在数学上通常用 $x(t)$ 来表示，其中 $t$ 代表时间。离散时间信号则是只在特定时间点上才被定义的信号，即信号的取值是离散的。这些离散的时间点可以是均匀间隔的，也可以是不均匀的。例如，我们用数码相机拍摄的照片，每个像素点都有一个亮度值，这些值是在空间上离散的；又如，我们从一个连续变化的声波中以每秒44100次的频率进行采样，得到的数字音频数据，就是离散时间信号。它们在数学上通常用 $x[n]$ 来表示，其中 $n$ 代表离散的时间索引。采样与量化：离散时间信号通常是通过对连续时间信号进行采样（在时间上取离散点）和量化（将连续的幅度值映射到有限的离散值）得到的。理解采样定理（奈奎斯特定理）对于避免混叠失真至关重要，它告诉我们采样频率必须是信号最高频率的两倍以上，才能无损地恢复原始信号。周期信号与非周期信号：周期信号是指其波形在时间上重复出现的信号。一个信号 $x(t)$ 如果存在一个最小的正数 $T_0$，使得 $x(t+T_0) = x(t)$ 对于所有的 $t$ 都成立，那么它就是周期信号，且 $T_0$ 称为周期。例如，正弦波、方波等都是周期信号。非周期信号则不具备这种重复性。例如，一次性的脉冲信号，或者一段随机噪声。能量信号与功率信号：能量信号是指其总能量是有限的信号。能量的定义是信号的平方在整个时间轴上的积分（对于连续信号）或求和（对于离散信号）。例如，一个持续时间有限的脉冲信号就是一个能量信号。功率信号是指其平均功率是有限的信号。功率的定义是信号的平方在某个时间间隔上的平均值。周期信号（除了直流分量为零的情况）和一些不衰减的随机信号通常是功率信号。其他重要的信号类型：单位冲激信号（Dirac Delta Function $delta(t)$ 或 $delta[n]$）：这是一个在 $t=0$（或 $n=0$）时值为无穷大，而在其他所有时刻值为零的信号，但其面积（积分或求和）为1。它在信号处理中扮演着极其重要的角色，是表示短暂冲击或脉冲的理想化模型，也是卷积运算的核心。单位阶跃信号（Heaviside Step Function $u(t)$ 或 $u[n]$）：这是一个在 $t<0$（或 $n<0$）时值为零，而在 $t ge 0$（或 $n ge 0$）时值为1的信号。它表示一个开关的打开或一个状态的开始。指数信号：形如 $Ae^{at}$ 或 $Aalpha^n$ 的信号，它们描述了衰减或增长的过程。复指数信号：形如 $Ae^{jomega t}$ 或 $Aalpha^n$ 的信号，它们是理解傅里叶分析的基础，与正弦信号有着密切的联系。二、系统的概念：信号的变换与交互系统，可以理解为一个对输入信号进行处理，并产生输出信号的“黑箱”。它描述了输入和输出信号之间的关系，以及信号在经过处理后发生的变化。系统的输入与输出：系统接收一个或多个输入信号，经过内部的处理机制，产生一个或多个输出信号。例如，收音机接收电磁波信号（输入），经过放大、解调、滤波等处理（系统），最终输出声音信号（输出）。系统的分类：线性系统与非线性系统：线性系统必须满足叠加原理（加法性）和齐次性（比例性）。即，如果输入为 $x_1(t)$ 产生输出 $y_1(t)$，输入为 $x_2(t)$ 产生输出 $y_2(t)$，那么输入为 $ax_1(t) + bx_2(t)$ 时，输出就一定是 $ay_1(t) + by_2(t)$。满足线性原则的系统，可以通过线性组合的原理来分析和预测其行为。非线性系统不满足叠加原理和齐次性，其行为往往更复杂，分析也更困难。时不变系统与时变系统：时不变系统的特性不随时间变化。也就是说，无论何时施加相同的输入信号，系统都会产生相同的输出信号（相对于施加输入的时间点而言）。例如，一个固定的电阻器就是一个时不变的系统。时变系统的特性会随时间改变。例如，一个随着燃料消耗而质量减轻的火箭，其动力学特性就是时变的。因果系统与非因果系统：因果系统的输出仅取决于当前和过去的输入，而与未来的输入无关。在实际的物理系统中，大多数系统都是因果的。非因果系统的输出可能依赖于未来的输入。在理论分析中，非因果系统也可能出现。稳定系统与不稳定系统：稳定系统的输出有界。即，如果输入信号是有界的，那么输出信号也必须是有界的（BIBO稳定，Bounded-Input Bounded-Output Stability）。不稳定系统的输出可能无界，即使输入是有界的。系统的表示：微分方程/差分方程：许多线性时不变系统可以用微分方程（对于连续时间系统）或差分方程（对于离散时间系统）来描述其输入输出关系。框图模型：通过图形化的方式表示系统的组成部分和它们之间的连接，直观地展示信号的处理流程。卷积：对于线性时不变系统，系统的输出是输入信号与系统冲激响应的卷积。冲激响应 $h(t)$（或 $h[n]$）是描述系统特性的一个关键函数，它表示当系统输入为单位冲激信号 $delta(t)$（或 $delta[n]$）时所产生的输出。三、分析信号与系统的工具为了深入理解和分析信号与系统，数学工具是不可或缺的。傅里叶分析（Fourier Analysis）：傅里叶级数（Fourier Series）：用于将周期信号分解为一系列正弦和余弦信号（或复指数信号）的叠加。它揭示了信号的频率成分，即信号是由哪些频率的正弦波组成的，以及每个频率成分的幅度和相位。傅里叶变换（Fourier Transform）：将非周期信号分解为连续的频率成分。它将信号从时域转换到频域，使我们能够分析信号的频谱特性，了解信号在不同频率上的能量分布。傅里叶变换的性质：线性、时移、频移、卷积定理（时域卷积等于频域乘积，频域卷积等于时域乘积）等，都是分析信号和系统的重要工具。应用：傅里叶分析在通信（调制解调）、音频处理（均衡器）、图像处理（滤波）、频谱分析等领域有着广泛的应用。拉普拉斯变换（Laplace Transform）：定义：拉普拉斯变换是对信号进行的一种更广义的积分变换，它将一个信号从时域转换到一个复频率域（s域）。优势：拉普拉斯变换不仅能处理具有指数增长趋势的信号，还能更方便地分析线性微分方程，并直接得到系统的零极点信息，从而判断系统的稳定性和动态特性。应用：在电路分析、控制系统设计、系统稳定性分析等方面非常重要。 Z变换（Z-Transform）：定义： Z变换是拉普拉斯变换在离散时间信号领域的对应。它将离散时间信号从时间域转换到一个复变量 $z$ 的域。优势： Z变换能够方便地分析线性差分方程，其性质类似于拉普拉斯变换，能够有效地进行离散系统分析、设计和稳定性判断。应用：在数字信号处理、数字滤波器设计、数字控制系统等领域至关重要。卷积（Convolution）：定义：信号与系统理论中的核心运算。对于线性时不变系统，其输出 $y(t)$ 可以表示为输入 $x(t)$ 与系统冲激响应 $h(t)$ 的卷积： $y(t) = x(t) h(t) = int_{-infty}^{infty} x( au)h(t- au)d au$。意义：卷积运算描述了系统如何“累积”输入信号的影响。它揭示了系统对输入信号在不同时间点上的响应叠加效果。应用：图像模糊、回声效果、系统响应分析等都与卷积有关。四、信号与系统的实际意义与应用信号与系统的理论是现代工程技术和科学研究的基石，其应用无处不在：通信系统：电话、手机、电视、互联网等所有通信方式都依赖于信号的传输、编码、解码、调制、解调等过程，这些都离不开信号与系统的理论。控制系统：工业自动化、航空航天、机器人、汽车巡航控制等，都使用反馈控制系统来维持系统的稳定和精确运行，其核心是信号与系统的分析和设计。音频与图像处理：音乐合成、降噪、压缩（MP3, JPEG）、图像增强、识别等技术，都基于对音频和图像信号的分析和变换。生物医学工程：心电图（ECG）、脑电图（EEG）等生理信号的采集、处理和分析，以及医学成像技术（CT, MRI）都离不开信号与系统的理论。经济学与金融学：时间序列分析、金融模型的建立和预测，也借鉴了信号与系统的分析方法。总结《信号与系统》这门课程，提供了一套强大而通用的分析工具，使我们能够理解和驾驭各种信息流。从对信号本质的深入剖析，到对系统特性的严谨刻画，再到分析工具的灵活运用，它构建了一个认识和改造世界的科学框架。掌握了信号与系统的理论，就相当于掌握了理解和操纵信息世界的钥匙，为未来在各个技术领域的深入探索奠定了坚实的基础。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

我必须说，这本书是我在电子信息类课程中最喜欢的一本教材了。我参加过好几次期末考试，每次都是因为对这门课的理解不够深入而感到焦虑。但自从我开始使用这本《信号与系统教程及实验（第2版）》，我的学习状态发生了翻天覆地的变化。作者的语言风格非常接地气，不像很多教科书那样枯燥乏味。他们用了很多贴近生活或者工程实际的例子来阐述复杂的理论，比如分析音频信号的频谱，或者解释滤波器的作用。这让我感觉信号与系统并不是高高在上的理论，而是与我们生活息息相关的技术。实验部分更是让我惊喜，指导非常详细，每一步都清晰明了，而且提供的仿真环境也很人性化，即使是对编程不太熟悉的我也能轻松上手。我尤其喜欢书中的一些案例研究，它们展示了信号与系统在实际工程中的应用，例如通信系统、图像处理等，这极大地激发了我对这个领域进一步学习的兴趣，让我看到了未来的职业发展方向。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的把我从一个对信号与系统一窍不通的新手，变成了一个能够自信应对相关问题的学习者。初次接触这个领域时，我感到非常迷茫，概念抽象，公式繁多，总觉得抓不住重点。但当我翻开这本书，一种豁然开朗的感觉油然而生。作者的讲解方式非常清晰，循序渐进，从最基础的概念入手，逐步深入到复杂的理论。特别是书中大量的图示，将抽象的数学概念可视化，极大地帮助我理解了傅里叶变换、拉普拉斯变换等核心内容。实验部分更是亮点，理论结合实际，让我能够动手操作，验证所学知识，这种“做中学”的方式，记忆更加深刻。我记得有一次，为了理解卷积的概念，我在书中反复研读，并对照实验中的具体例子，一步步地去计算和模拟，最终才真正体会到了它的含义。这本书不仅教授了我知识，更培养了我解决问题的能力和探索精神。即使是现在，当我遇到新的信号与系统问题时，我仍然会习惯性地翻开这本书，因为它总能给我启发和指导。

评分☆☆☆☆☆

作为一名研究生，我阅读过不少关于信号与系统的书籍，但《信号与系统教程及实验（第2版）》无疑是其中最让我印象深刻的一本。它在理论深度和广度上都做得相当出色，同时又保持了极高的可读性。作者在讲解每一个重要概念时，都会追溯其数学根源，但又不会过度陷入繁琐的推导，而是巧妙地将重点放在概念的物理意义和实际应用上。我特别欣赏书中对离散时间信号处理的阐述，这部分内容往往是许多教材的难点，但在这本书里被梳理得井井有条。而且，实验部分的设计非常巧妙，不仅仅是简单的公式验证，而是通过一系列递进式的实验，引导读者逐步掌握数据采集、信号分析、系统设计等关键技能。我曾尝试用书中的方法来处理一些我自己的科研数据，取得了不错的效果。总而言之，这本书对于希望深入理解信号与系统理论并具备实践能力的研究者来说，是不可多得的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

这本书的编排逻辑简直太棒了！我之前尝试过几本信号与系统的书，总是觉得概念跳跃太快，或者遗漏了一些关键的过渡。但《信号与系统教程及实验（第2版）》却能将所有零散的知识点巧妙地串联起来。从时域到频域的转换，从连续时间到离散时间的演变，每一个章节的衔接都非常自然流畅。作者非常注重基础概念的巩固，通过反复的例子和练习来加深读者对核心原理的理解。我记得有一个章节专门讲解了采样定理，作者不仅给出了严格的数学证明，还配了生动的动画演示，让我一下子就明白了为什么采样率需要大于信号最高频率的两倍。更不用说那些精心设计的实验，它们不仅仅是机械的计算，更是在引导我们去思考“为什么会是这样”，去探索参数变化带来的影响。这本书让我从“死记硬背”的状态，进化到了“理解性学习”的阶段，这对我而言意义重大。

评分☆☆☆☆☆

我通常对技术类书籍的评价比较挑剔，但《信号与系统教程及实验（第2版）》真的给了我很多惊喜。它最大的优点在于，不仅仅停留在理论层面，而是非常注重培养读者的实际操作能力。书中的实验部分，就像一个完整的学习路径图，从最简单的信号生成与观察，到复杂的滤波器设计与系统仿真，每一步都指导得非常到位。我特别喜欢其中关于“系统辨识”的实验，它让我明白了如何从观测到的输入输出数据中推断出未知系统的特性，这在很多实际工程问题中都非常有用。而且，作者在讲解理论时，也始终围绕着实验项目展开，使得理论学习与实践操作能够相互印证，相得益彰。这本书让我体会到，学习信号与系统不应该只是纸上谈兵，而应该是一个动手实践、不断探索的过程。它为我提供了一个坚实的理论基础，更让我具备了解决实际工程问题的信心和能力。