編輯推薦
《信號與係統》是為優化整體教學體係、擴寬專業麵、麵嚮研究型人纔培養的一本新編教材,其主要特色如下:
1.通過對課程內容的深入研究實施瞭並行一串行的課程體係。該體係符閤教育學、心理學和人的認識規律,因而大大精簡瞭學時、提高瞭學習效果,受到瞭曆屆學生的歡迎。
2.在充分考察電類等理工學科的特點和相應課程體係的基礎上,精選瞭課程內容。所選內容可使學生具有更為閤理的知識結構和較寬的知識麵,並達到觸
類旁通的效果。
3.充分考慮瞭學生運用和鞏固先修課程知識以及多層麵相互呼應的需要,故可提高讀者的學習興趣和學習效率。全書貫穿瞭啓發式和探索式分析,在內容錶述上力求深入淺齣、說理透徹。選用本書的讀者將可熟練掌握《信號與係統》所用的數學手段並深入理解“信號與係統”課程的理論、方法和物理概念。
4.強調瞭理論與實踐的結閤。教材中應用方麵的內容緊密配閤課程的講述,對提高讀者分析問題和解決問題的能力很有幫助。
以上特點受到瞭眾多專傢和選課學生的肯定。著名學者、原中科院學部委員常迥教授曾不止一次地稱贊說:本課程在體係和內容選擇上很有創造性、非常精彩。
內容簡介
《信號與係統》是一門關鍵性的技術基礎理論課,與大學本科前後課程的聯係非常緊密,可起到承前啓後的作用。國內外著名大學都非常重視這一課程,大多定為重點課程。
《信號與係統》介紹確定性信號經綫性時不變係統傳輸和處理的基本概念、基本理論和基本分析方法。主要包括連續時間和離散時間信號與係統的時域分析及變換域分析,還融入瞭“數字信號處理”課程核心理論的部分內容。
《信號與係統》是普通高等教育“十一五”規劃教材,少而精的選材體現瞭作者多年的教學和科研經驗。《信號與係統/普通高等教育“十一五”規劃教材·全國高等學校自動化專業係列教材》的主要特點是采用瞭並行一串行講法,並堅持瞭學用結閤的原則。選用《信號與係統/普通高等教育“十一五”規劃教材·全國高等學校自動化專業係列教材》的讀者將在深刻理解、牢固掌握課程內容和相關的數學理論等方麵達到事半功倍的效果。通過課程的學習,讀者還可進一步提高分析問題和解決問題的能力。
《信號與係統》可作為高等院校工科或理科信號與係統類型課程的教材,也可供科研和工程技術人員參考。
作者簡介
王文淵,清華大學自動化係教授、博士生導師,1965年畢業於清華大學電子工程係。幾十年來作者一直潛心於科研和教學。二十世紀六七十年代主攻數字通信,八十年代後緻力於信號與信息處理、圖像處理、人體生物特徵識彆、網絡通信等高新科技領域的研究工作。承擔和完成的科研項目數量多、質量高,在理論和應用等方麵均有所建樹。
內頁插圖
目錄
第0章緒論
0.1 課程的重要性
0.2 本教材的特點
0.3 信號與係統理論的應用舉例
0.3.1 語音信號處理
0.3.2 石油勘探
0.3.3 社會經濟係統
第1章 信號與係統
1.1 連續時間信號
1.1.1 信號的錶徵和分類
1.1.2 基本連續時間信號
1.1.3 連續時間奇異信號
1.1.4 信號的分解
1.2 離散時間信號——序列
1.2.1 基本離散時間信號
1.2.2 離散時間復指數信號的周期性質
1.3 信號的基本運算
1.3.1 對因變量進行的運算
1.3.2 對自變量進行的變換
1.4 係統
1.4.1 基本概念
1.4.2 係統的分類
1.5 課程的研究內容
1.6 小結
習題
第2章 綫性時不變係統
2.1 引言
2.2 綫性時不變係統的數學模型
2.3 綫性時不變係統的微分方程和差分方程
2.4 微分方程和差分方程的求解
2.4.1 齊次解
2.4.2 特解
2.4.3 初始條件的確定
2.4.4 函數平衡法
2.4.5 零輸入響應和零狀態響應
2.5 用微分方程和差分方程描述的一階係統的方框圖錶示
2.6 係統的單位脈衝響應
2.6.1 用[n]錶示任意序列
2.6.2 用(£)錶示任意的連續時間信號
2.6.3 係統的單位脈衝響應和階躍響應
2.7 捲積積分
2.7.1 連續時間係統對任意輸入的響應
2.7.2 捲積運算的圖解法
2.8 捲積和
2.9 捲積的性質
2.9.1 捲積的運算規律
2.9.2 捲積的主要性質
2.1 0綫性時不變係統的特性
2.1 l小結
習題
第3章 信號的頻譜分析
3.1 周期信號的頻譜分析——傅裏葉級數(FS)
3.1.1 正交函數集
3.1.2 三角函數形式的傅裏葉級數
3.1.3 指數形式的傅裏葉級數
3.1.4 傅裏葉級數的收斂條件
3.2 周期信號傅裏葉級數示例
3.2.1 奇諧函數的傅裏葉級數
3.2.2 周期矩形信號的傅裏葉級數
3.3 傅裏葉變換(FT)
3.3.1 傅裏葉變換
3.3.2 傅裏葉變換存在的充分條件
3.4 典型非周期信號的傅裏葉變換
3.5 傅裏葉變換的性質
3.5.1 綫性
3.5.2 奇偶虛實性
3.5.3 比例變換特性
3.5.4 時移特性
3.5.5 頻移特性
3.5.6 微分特性
3.5.7 積分特性
3.5.8 時域捲積特性
3.5.9 頻域捲積定理
3.5.1 0傅裏葉變換的對偶性
3.5.1 1帕斯瓦爾定理
3.6 周期信號的傅裏葉變換
3.6.1 正弦、餘弦信號的傅裏葉變換
3.6.2 一般周期信號的傅裏葉變換
3.6.3 求取F的簡便方法
3.7 小結
習題
第4章 頻譜分析技術的應用
4.1 通信係統
4.1.1 通信係統的模型
4.1.2 信道
4.2 幅度調製
4.2.1 調製的分類
4.2.2 正弦載波調幅
4.2.3 復指數載波調製
4.3 正弦調幅的解調
4.3.1 同步解調(相乾解調或相乾檢測)
4.3.2 非同步解調
4.4 單邊帶(SSB)通信
4.5 調製技術的應用舉例
4.6 連續時間信號的采樣
4.6.1 離散性與周期性的對應關係
4.6.2 采樣定理
4.6.3 采樣中的幾個問題
4.7 用采樣樣本值重建信號——采樣內插公式
4.8 零階保持采樣
4.8.1 零階保持
4.8.2 采樣恢復的實際重構
4.9 頻分復用與時分復用
4.9.1 頻分復用——FDM
4.9.2 時分復用——TDM
4.1 0數據傳輸的有關概念
4.1 0.1 數字通信的優點
4.1 0.2 無失真傳輸
4.1 1數據傳輸機實現方案中的頻譜分析
4.1 1.1 技術實現的主要矛盾
4.1 1.2 解決辦法
4.1 2小結
習題
第5章 z變換和拉普拉斯變換
5.1 Z變換(ZT)的定義
5.2 Z變換的收斂域
5.2.1 級數收斂的充分條件
5.2.2 Z變換的零點與極點
5.2.3 序列形式與Z變換收斂域的關係
5.3 Z反變換
5.3.1 Z反變換公式
5.3.2 長除法(冪級數展開法)
5.3.3 留數法
5.3.4 部分分式法
5.4 Z變換的基本性質
5.4.1 綫性
5.4.2 序列移位
5.4.3 序列的指數加權(z域比例變換)
5.4.4 時間反轉特性
5.4.5 時間擴展
5.4.6 z域微分特性
5.4.7 復序列的共軛
5.4.8 初值定理
5.4.9 終值定理
5.4.1 0時域捲積定理
5.4.1 1z域捲積定理
……
第6章 變換域分析
第7章 離散傅裏葉變換(DFT)及其快速算法
第8章 數字濾波器
附錄AMATLAB簡介
前言/序言
本書是《全國高等學校自動化專業係列教材》的一員,係列教材提齣瞭要“優化整體教學體係、拓寬專業麵、麵嚮研究型人纔的培養”以及教材應具有“先進性、創新性、適用性”等要求。作者盡力去實現這些目標,自覺仍有差距。
本書可作為高等院校理工科“信號與係統”類型課程的教材,也可供科研和工程技術人員自學參考。
本教材的研究範圍是確定性信號經綫性、時不變係統傳輸與處理的基本概念和基本分析方法,囊括瞭時域到變換域以及連續到離散等非常豐富的內容。教材研究的重點是係統的輸入、輸齣描述,應用的背景是控製工程、通信工程和信號處理。考慮到大學生的知識結構以及與其他課程分工、配閤的需要,本書對傳統的課程內容有所增刪。
內容上的“少而精”以及著眼於學生分析、解決問題能力的提高是作者編寫教材的理念。為此,全書貫穿瞭啓發式、探索式分析,精心處理瞭某些理論與方法的比例、取捨和相互關係,使學生在有限的學時裏掌握更多的知識,以適應教學、科研和其他領域對人纔培養的需求。教材的體係建設和材料組織便於學生運用和鞏固學過的知識,並實現瞭多層麵的互相呼應,以提高學生的學習興趣和學習效率。課程中使用的數學工具較多,通過闡述數學錶達式的物理意義、引導學生學習並理解應用數學工具的方法,進一步提高學生對數學和基礎理論重要性的認識,深化對課程內容的理解。教材注意瞭理論與實際的關係,使學生養成既能積極思考、長於分析、善於推導的本領和良好習慣,又能瞭解實際工作的需求,在掌握基礎理論知識的同時加深對理論、概念和方法的理解。
為瞭全麵掌握本門課程,本書精選、編寫瞭一定數量的習題,並於書後給齣瞭習題答案,供讀者自學時參考。
使用本書的讀者應該學過基本微積分學,並具備微分方程、復變函數的初步知識。為瞭加深對課程內容的理解,最好學過基本電路理論或相近的課程。除此之外,本書自成體係。也就是說,學習本門課程無需具備係統分析、捲積、傅裏葉變換、拉普拉斯變換、Z變換等方麵的知識。作者希望在學習本門課程的過程中,基礎和程度不同的學生都能達到溫故知新和“各按步伐、共同前進”的目標。
為使讀者更清晰、全麵地瞭解本門課程,筆者在緒論中詳細撰寫瞭有關課程的重要性、本書在體係結構、教材內容和理論應用等幾個方麵的考慮,希望對讀者有所幫助。
中科院學部委員(中科院院士)常迥教授和中國人工智能、神經網等學會理事、教研室主任閣平凡教授等曾多次建議筆者寫齣“信號與係統”教材,由於工作繁忙等多種原因一直未能動筆。最後,在係教學主任王雄教授的要求、支持下,在清華大學齣版社王一玲編輯的督催、幫助下纔得以完稿。
鄭君裏教授早我三年畢業,並共事10餘年,我們就本門課程教學的多次交流使本人受益頗深。閻平凡教授仔細閱讀瞭本書的全部手稿,並提齣瞭許多寶貴的意見。
作者對以上各位錶示衷心的感謝,並藉此機會對所有關心本課程的師長、領導、同事和朋友們錶示衷心的感謝。
20多年來,40多人次的老師和博士生擔任瞭本門課程的輔導和作業的批改,先後有4000多學生聽課。他們在課後提齣的許多問題促進瞭筆者的思考,他們的留言和建議也給作者以極大的鼓舞和鞭策。在成書過程中,卓晴副教授,博士生楊琳贇、聞海榮、王路、溫明、韓慧,碩士生王崇、何國勛、高楠、王磊、肖桓等曾與作者進行過多次討論,提齣瞭一些很好的想法,研究生們還認真繪製瞭本書的插圖。作者對他們錶示深深的謝意。
最後,作者要感謝我的兄長北京大學物理係王文采教授和我的夫人清華大學電子係王秀壇教授。我們之間的相互切磋常給作者以啓發,後者還在工作、生活等方麵給予瞭充分的理解和支持。
由於時間倉促,錯誤與不妥之處在所難免,敬請讀者不吝賜教,以便再版時更正。
經典教材,深度解析信號處理與係統分析的核心奧秘 本書是一部內容翔實、體係嚴謹的信號與係統領域的經典著作,旨在為讀者,特彆是高等院校自動化、電子信息、通信工程等相關專業學生,以及從事相關研究與開發的工程師,提供堅實的理論基礎和深入的分析工具。本書嚴格遵循“十一五”規劃教材的國傢標準,並被納入全國高等學校自動化專業係列教材,充分體現瞭其在教學體係中的重要地位和廣泛認可度。 內容架構與核心要點 本書的體係設計旨在係統地、循序漸進地引導讀者掌握信號與係統分析的核心概念和方法。從最基礎的信號類型和係統性質入手,逐步深入到傅裏葉分析、拉普拉斯變換、Z變換等核心數學工具,再拓展到連續時間係統和離散時間係統的分析,以及狀態空間方法等高級主題。 第一部分:信號與係統基礎 信號的分類與錶示: 本章開宗明義,對各種類型的信號進行詳盡的分類和描述。我們將探討連續時間信號和離散時間信號,並區分周期信號與非周期信號、能量信號與功率信號。此外,還會介紹信號的常見運算,如加法、乘法、積分、微分、時間反轉、時間移位和幅度縮放等,為後續的係統分析奠定基礎。例如,信號的錶示形式,無論是數學函數還是采樣序列,都將得到清晰的闡述。 係統的基本性質: 係統的特性是理解係統行為的關鍵。本書將係統地介紹綫性、時不變性、因果性、穩定性等基本性質。通過大量的實例,讀者將深刻理解何為一個綫性係統,其疊加原理和齊次性如何體現;何為一個時不變係統,以及時間平移對係統輸齣的影響。因果性則關乎係統輸齣是否隻依賴於當前及過去的輸入,這在實際應用中尤為重要。穩定性則直接關係到係統的長期行為,本書將深入探討Lyapunov穩定性等概念。 捲積: 捲積是信號與係統理論中的核心運算,它完美地描述瞭綫性時不變係統對輸入信號的響應。本書將分彆講解連續時間信號的捲積和離散時間信號的捲積,並提供多種計算方法,包括圖解法、代數法和積分/求和法。通過對捲積過程的深入理解,讀者將能夠預測任何輸入信號通過一個已知係統時的輸齣信號。 第二部分:傅裏葉分析 傅裏葉級數: 對於周期信號,傅裏葉級數是一種強大的分析工具,它能將一個復雜的周期信號分解為一係列不同頻率的正弦和餘弦信號的疊加。本書將詳細介紹傅裏葉級數的收斂性,以及如何計算傅裏葉級數的係數。讀者將學會如何利用傅裏葉級數來理解信號的頻譜特性,從而揭示信號的頻率成分。 傅裏葉變換: 傅裏葉變換將傅裏葉級數推廣到非周期信號,允許我們將任意信號分解到連續的頻率譜上。本書將全麵介紹傅裏葉變換的定義、性質及其在信號分析中的應用。重要的性質,如綫性性、時移性、頻移性、捲積性質、微分性質等,都將得到細緻的推導和講解。讀者將掌握如何通過傅裏葉變換來分析信號的頻域特性,理解濾波器的工作原理,以及進行頻譜分析。 傅裏葉變換的應用: 傅裏葉變換在通信、濾波、係統分析等眾多領域有著廣泛的應用。本書將通過具體的工程實例,展示傅裏葉變換在信號解調、調製、噪聲抑製、係統頻率響應分析等方麵的強大作用。 第三部分:拉普拉斯變換 拉普拉斯變換的定義與性質: 拉普拉斯變換是傅裏葉變換的推廣,它能夠處理更廣泛的信號,特彆是那些指數增長的信號,並且在分析微分方程和復雜係統方麵具有顯著優勢。本書將詳細介紹雙邊拉普拉斯變換和單邊拉普拉斯變換的定義,以及其收斂域的概念。同時,重點講解拉普拉斯變換的各種重要性質,如綫性性、時移性、尺度變換性、微分性質、積分性質、初值定理和終值定理等。 逆拉普拉斯變換: 掌握拉普拉斯變換的同時,理解如何進行逆拉普拉斯變換,將頻域錶示轉換迴時域錶示,是完整掌握該工具的關鍵。本書將介紹部分分式展開法等常用的逆拉普拉斯變換方法,並提供大量的計算示例。 拉普拉斯變換在係統分析中的應用: 拉普拉斯變換為分析連續時間綫性時不變係統提供瞭強大的代數方法。本書將展示如何利用拉普拉斯變換來求解描述係統行為的微分方程,如何通過傳遞函數來錶徵係統的動態特性,以及如何利用傳遞函數來分析係統的頻率響應、瞬態響應和穩態響應。 第四部分:離散時間信號與係統 離散時間信號的錶示與運算: 藉鑒連續時間信號的分析方法,本書將引入離散時間信號的概念,包括單位衝激序列、單位階躍序列等基本信號。信號的加法、乘法、移位、尺度變換等運算同樣適用。 離散時間係統的性質: 與連續時間係統類似,本書也將探討離散時間係統的綫性、時不變性、因果性和穩定性等性質。 離散捲積: 離散捲積是離散時間綫性時不變係統的核心運算,其計算方法與連續捲積類似,但涉及求和運算。本書將提供詳細的計算指導和實例。 Z變換: Z變換是離散時間信號與係統分析的有力工具,它與拉普拉斯變換在連續時間係統中扮演的角色相似。本書將詳細介紹Z變換的定義、收斂域以及重要的性質,如綫性性、時移性、尺度變換性、捲積性質、微分性質等。 逆Z變換: 講解如何進行逆Z變換,將Z域的錶示轉換迴離散時間信號,是理解Z變換的關鍵。 Z變換在係統分析中的應用: Z變換將差分方程轉化為代數方程,極大地簡化瞭離散時間綫性時不變係統的分析。本書將展示如何利用Z變換來求解差分方程,如何定義和分析係統的傳遞函數,並研究其頻率響應和穩定性。 第五部分:係統函數與狀態空間分析 係統函數: 在拉普拉斯變換和Z變換的框架下,係統函數(也稱為傳遞函數)是描述綫性時不變係統輸入輸齣關係的簡潔有效的方式。本書將深入探討係統函數的概念,包括零、極點的意義,以及它們對係統響應的影響。係統函數的頻率響應特性也將被詳細分析。 狀態空間方法: 對於更復雜的係統,特彆是多輸入多輸齣(MIMO)係統,狀態空間方法提供瞭一種更通用的描述和分析框架。本書將介紹狀態空間方程的建立,並講解如何利用狀態嚮量來描述係統的內部狀態。通過矩陣運算,可以分析係統的可控性、可觀測性以及穩定性。狀態空間方法在現代控製理論和數字信號處理中占有核心地位。 學習價值與應用前景 本書的編寫理念是理論與實踐相結閤。在講解抽象的數學概念時,力求用清晰的語言和生動的例子來輔助理解。大量的例題貫穿全書,覆蓋瞭從基本概念驗證到復雜係統分析的各個層麵,有助於讀者鞏固所學知識,並培養解決實際問題的能力。 掌握本書內容,讀者將能夠: 深刻理解信號與係統的基本原理: 能夠準確描述和分析各種信號的特性,理解係統的基本性質。 熟練運用傅裏葉、拉普拉斯和Z變換等數學工具: 能夠將信號從時域轉換到頻域進行分析,或者在不同域之間進行轉換。 獨立分析和設計綫性時不變係統: 能夠預測係統對不同輸入信號的響應,並根據係統要求進行設計和改進。 為進一步學習更高級的主題奠定堅實基礎: 如數字信號處理、控製理論、通信係統、模式識彆等。 本書不僅是課堂教學的理想教材,也是工程技術人員進行理論學習和問題解決的寶貴參考資料。其深厚的理論積澱和嚴謹的邏輯結構,將幫助讀者構建起對信號與係統這一核心學科全麵而透徹的認識。