信號與係統教程及實驗（第2版） pdf epub mobi txt 電子書下載 2025

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☆☆☆☆☆

杜尚豐，趙龍蓮，蘇娟，劉春紅，位耀光著

圖書標籤:

信號與係統
電路分析
模擬信號處理
數字信號處理
通信原理
控製係統
MATLAB
實驗教學
高等教育
電子工程

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你會得到大驚喜!!

齣版社：清華大學齣版社

ISBN：9787302496625

版次：2

商品編碼：12336427

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2018-04-01

用紙：膠版紙

頁數：319

字數：501000

具體描述

內容簡介

本書以全新的編排方式,由淺入深,循循漸進,並吸收現代計算方法介紹信號與係統的基本內容,包括:信號與係統分析的基本概念與方法;連續時間係統與離散時間係統的時域分析;連續信號的傅裏葉變換與係統的頻域分析;連續信號的拉普拉斯變換與係統的S 域分析;離散信號與係統的Z 變換域分析;在上述內容的基礎上介紹瞭係統的狀態空間分析方法。每章配有例題與 MATLAB仿真實驗原程序。本書配有兩個附錄:附錄 A———信號流圖;附錄 B———凱裏-哈爾米頓定理。

本書可作為高等學校工科(理科)的自動化類、電子類、通信類和電氣類學生的教材,也可供相關科研與工程技術人員自學參考。

精彩書摘

第3章連續信號的傅裏葉變換與頻域分析

3.1非周期信號的傅裏葉變換

1. 傅裏葉變換的定義

在高等數學以及電路等課程中已熟悉瞭周期信號的傅裏葉級數：一個周期為T角頻率為ω1=2πT的周期信號f(t)，可展開成指數形式的傅裏葉級數，即

f(t)=∑∞n=-∞Fnejnω1t

（3.1）

其中，Fn=1T∫T2-T2f(t)e-jnω1tdt。

為瞭直觀地錶示齣信號中所含各頻率分量的大小，以各頻率分量（nω1）為橫坐標，以各分量的幅度|Fn|為縱坐標，可畫齣信號的幅度譜。周期信號的頻譜是一條條的離散譜綫，相鄰譜綫之間的間隔是ω1，每條譜綫的幅度是Fn。現在由周期信號的傅裏葉級數推導齣非周期信號的傅裏葉變換。

顯然，當周期信號的周期T→∞時可作為非周期信號來處理。此時，周期信號的頻譜發生如下變化：

（1）相鄰譜綫的間隔ω1=2πT趨近於無窮小，從而周期信號的離散譜密集成為連續譜；

（2）各頻率分量的幅度Fn也趨於無窮小。因此，非周期信號的頻譜不能再用周期信號的頻譜Fn來錶示。

式中，ω1和Fn都趨於無窮小，但兩個無窮小量的比值有望不趨於0，因此2πFnω1有望不趨於0。為瞭描述非周期信號的頻譜特性，引入頻譜密度的概念，令

F(jω)=limT→∞2πFnω1=limT→∞FnT（3.2）

函數F(jω)可以看作是單位頻帶的振幅，類似於物質單位體積的質量是密度，稱F(jω)為頻譜密度函數。

下麵由周期信號的傅裏葉級數推導齣F(jω)的錶達式。

由式（3.1）可得

前言/序言

前言

信號與係統課程是電子類、通信類、自動化類、電氣工程類及計算機類等專業非常重要的專業基礎課。本書寫作貫穿時域與變換域的思想，內容安排循序漸進，概念介紹直觀形象，同時配以大量的圖形解釋、例題和習題，並給齣瞭MATLAB實現的例子，極大地方便瞭教與學。

二十幾年的教學，跨越瞭“九五”“十五”“十一五”“十二五”，見證瞭信號與係統教學內容的演變曆程。在信息處理量龐大的今天，信號與係統的教授內容也必須與時俱進，纔能滿足現代教學的需求。

在教授課程知識時，對專業基礎課、專業課、專業選修課的教學方法是不同的，因此在編製教材時，也應反映這種區彆。

注重信號與係統這門基礎課對後續課程的作用，有針對性地組織內容，避免冗餘，以提高教學效率。如在時域分析中，注重微分、差分方程的解法與捲積（捲積和）的作用；而在變換域分析中，注重三種變換的重要性。在教學實踐中驗證是非常有效的。

注重掌握本書內容的學習方法與手段，傳統依靠手工做題和適量的模擬實驗，在本次修訂時，增加瞭用計算機來求解問題的手段，節約瞭大量時間。我們認為，在信息技術發達的今天，過於傳統會降低我們獲取更多知識的效率。因此，在編寫教材時，注重講解計算機工具在信號與係統分析時的作用，同時也豐富瞭學生的實踐環節。

第1版教材，經過五年的使用，積纍許多經驗，在本次更新教材內容的過程中，注重瞭以下幾個方麵：

第1章，應用領域的範例在拓寬，例如在農業工程領域，強調信號、係統分類和方法描述，指明常用奇異信號的重要性。

第2章，突齣係統的經典解和零輸入、零狀態響應；係統的衝激響應；過渡到在任意信號作用下的響應；修正瞭原版中的符號錯誤等。

第3章，結閤工程數學，淡化數學味道，給齣傅裏葉變換的基本性質與應用，配備大量的例題展示在信號與係統分析中的作用。重點改編傅裏葉變換的應用：分析係統；係統函數與頻率特性；信號的無失真傳輸與濾波器；采樣定理；穩態響應。

第4章，突齣係統函數零、極點的重要性，如對時域特性有何影響；對自由響應、強迫響應、穩態響應、暫態響應特徵的影響；與頻域響應的關係；對穩定性的影響。

第5章，強化係統函數零、極點的重要性，如對時域特性有何影響；對自由響應、強迫響應、穩態響應、暫態響應特徵的影響；與頻域響應的關係；對穩定性的影響。

第6章，修改瞭第1版的符號問題。

第7章，刪除瞭原來第7章，保留的部分變成附錄A——信號流圖；原來的第8章改為第7章。狀態空間模型描述這個章節修改後有：模型意義、建立、轉換；模型的分析方法（時域法與變換域法），每個內容的描述均配以適量的例題給予展示，豐富瞭本章內容。

正文最後增加瞭附錄A——信號流圖，附錄B——哈密頓�部�萊定理。

本書第1章、附錄A、B由杜尚豐改編，第2章由蘇娟改編，第3、4、5章由趙龍蓮改編，第6章由劉春紅改編，第7章由位耀光改編。全書由杜尚豐、趙龍蓮統稿。

本書的編寫基於一些知名的教材與教學中積纍的資料，由於水平有限，因此書中的不足之處在所難免，懇切希望廣大讀者提齣批評與指正，幫助我們不斷修改、完善本書。

杜尚豐

2017年9月5日

《信號與係統》—— 探索信息世界的基石在信息爆炸的時代，理解和處理各種信息流已成為一項基本技能。從通信技術到圖像處理，從音頻分析到控製係統，其背後都離不開一個共同的學科——信號與係統。這門課程如同打開信息世界大門的鑰匙，為我們揭示瞭信息是如何被生成、傳遞、變換和理解的。一、信號的本質：信息的多彩載體信號，顧名思義，是傳遞信息的媒介。它們可以是各種各樣的形式，承載著我們想要錶達或接收的信息。連續時間信號與離散時間信號：連續時間信號是在時間上連續變化的信號，其值在任何一個瞬間都是有定義的。例如，我們說話時的聲波，溫度計上溫度的緩慢變化，以及電壓錶顯示的實時電壓讀數，都是典型的連續時間信號。它們在數學上通常用 $x(t)$ 來錶示，其中 $t$ 代錶時間。離散時間信號則是隻在特定時間點上纔被定義的信號，即信號的取值是離散的。這些離散的時間點可以是均勻間隔的，也可以是不均勻的。例如，我們用數碼相機拍攝的照片，每個像素點都有一個亮度值，這些值是在空間上離散的；又如，我們從一個連續變化的聲波中以每秒44100次的頻率進行采樣，得到的數字音頻數據，就是離散時間信號。它們在數學上通常用 $x[n]$ 來錶示，其中 $n$ 代錶離散的時間索引。采樣與量化：離散時間信號通常是通過對連續時間信號進行采樣（在時間上取離散點）和量化（將連續的幅度值映射到有限的離散值）得到的。理解采樣定理（奈奎斯特定理）對於避免混疊失真至關重要，它告訴我們采樣頻率必須是信號最高頻率的兩倍以上，纔能無損地恢復原始信號。周期信號與非周期信號：周期信號是指其波形在時間上重復齣現的信號。一個信號 $x(t)$ 如果存在一個最小的正數 $T_0$，使得 $x(t+T_0) = x(t)$ 對於所有的 $t$ 都成立，那麼它就是周期信號，且 $T_0$ 稱為周期。例如，正弦波、方波等都是周期信號。非周期信號則不具備這種重復性。例如，一次性的脈衝信號，或者一段隨機噪聲。能量信號與功率信號：能量信號是指其總能量是有限的信號。能量的定義是信號的平方在整個時間軸上的積分（對於連續信號）或求和（對於離散信號）。例如，一個持續時間有限的脈衝信號就是一個能量信號。功率信號是指其平均功率是有限的信號。功率的定義是信號的平方在某個時間間隔上的平均值。周期信號（除瞭直流分量為零的情況）和一些不衰減的隨機信號通常是功率信號。其他重要的信號類型：單位衝激信號（Dirac Delta Function $delta(t)$ 或 $delta[n]$）：這是一個在 $t=0$（或 $n=0$）時值為無窮大，而在其他所有時刻值為零的信號，但其麵積（積分或求和）為1。它在信號處理中扮演著極其重要的角色，是錶示短暫衝擊或脈衝的理想化模型，也是捲積運算的核心。單位階躍信號（Heaviside Step Function $u(t)$ 或 $u[n]$）：這是一個在 $t<0$（或 $n<0$）時值為零，而在 $t ge 0$（或 $n ge 0$）時值為1的信號。它錶示一個開關的打開或一個狀態的開始。指數信號：形如 $Ae^{at}$ 或 $Aalpha^n$ 的信號，它們描述瞭衰減或增長的過程。復指數信號：形如 $Ae^{jomega t}$ 或 $Aalpha^n$ 的信號，它們是理解傅裏葉分析的基礎，與正弦信號有著密切的聯係。二、係統的概念：信號的變換與交互係統，可以理解為一個對輸入信號進行處理，並産生輸齣信號的“黑箱”。它描述瞭輸入和輸齣信號之間的關係，以及信號在經過處理後發生的變化。係統的輸入與輸齣：係統接收一個或多個輸入信號，經過內部的處理機製，産生一個或多個輸齣信號。例如，收音機接收電磁波信號（輸入），經過放大、解調、濾波等處理（係統），最終輸齣聲音信號（輸齣）。係統的分類：綫性係統與非綫性係統：綫性係統必須滿足疊加原理（加法性）和齊次性（比例性）。即，如果輸入為 $x_1(t)$ 産生輸齣 $y_1(t)$，輸入為 $x_2(t)$ 産生輸齣 $y_2(t)$，那麼輸入為 $ax_1(t) + bx_2(t)$ 時，輸齣就一定是 $ay_1(t) + by_2(t)$。滿足綫性原則的係統，可以通過綫性組閤的原理來分析和預測其行為。非綫性係統不滿足疊加原理和齊次性，其行為往往更復雜，分析也更睏難。時不變係統與時變係統：時不變係統的特性不隨時間變化。也就是說，無論何時施加相同的輸入信號，係統都會産生相同的輸齣信號（相對於施加輸入的時間點而言）。例如，一個固定的電阻器就是一個時不變的係統。時變係統的特性會隨時間改變。例如，一個隨著燃料消耗而質量減輕的火箭，其動力學特性就是時變的。因果係統與非因果係統：因果係統的輸齣僅取決於當前和過去的輸入，而與未來的輸入無關。在實際的物理係統中，大多數係統都是因果的。非因果係統的輸齣可能依賴於未來的輸入。在理論分析中，非因果係統也可能齣現。穩定係統與不穩定係統：穩定係統的輸齣有界。即，如果輸入信號是有界的，那麼輸齣信號也必須是有界的（BIBO穩定，Bounded-Input Bounded-Output Stability）。不穩定係統的輸齣可能無界，即使輸入是有界的。係統的錶示：微分方程/差分方程：許多綫性時不變係統可以用微分方程（對於連續時間係統）或差分方程（對於離散時間係統）來描述其輸入輸齣關係。框圖模型：通過圖形化的方式錶示係統的組成部分和它們之間的連接，直觀地展示信號的處理流程。捲積：對於綫性時不變係統，係統的輸齣是輸入信號與係統衝激響應的捲積。衝激響應 $h(t)$（或 $h[n]$）是描述係統特性的一個關鍵函數，它錶示當係統輸入為單位衝激信號 $delta(t)$（或 $delta[n]$）時所産生的輸齣。三、分析信號與係統的工具為瞭深入理解和分析信號與係統，數學工具是不可或缺的。傅裏葉分析（Fourier Analysis）：傅裏葉級數（Fourier Series）：用於將周期信號分解為一係列正弦和餘弦信號（或復指數信號）的疊加。它揭示瞭信號的頻率成分，即信號是由哪些頻率的正弦波組成的，以及每個頻率成分的幅度和相位。傅裏葉變換（Fourier Transform）：將非周期信號分解為連續的頻率成分。它將信號從時域轉換到頻域，使我們能夠分析信號的頻譜特性，瞭解信號在不同頻率上的能量分布。傅裏葉變換的性質：綫性、時移、頻移、捲積定理（時域捲積等於頻域乘積，頻域捲積等於時域乘積）等，都是分析信號和係統的重要工具。應用：傅裏葉分析在通信（調製解調）、音頻處理（均衡器）、圖像處理（濾波）、頻譜分析等領域有著廣泛的應用。拉普拉斯變換（Laplace Transform）：定義：拉普拉斯變換是對信號進行的一種更廣義的積分變換，它將一個信號從時域轉換到一個復頻率域（s域）。優勢：拉普拉斯變換不僅能處理具有指數增長趨勢的信號，還能更方便地分析綫性微分方程，並直接得到係統的零極點信息，從而判斷係統的穩定性和動態特性。應用：在電路分析、控製係統設計、係統穩定性分析等方麵非常重要。 Z變換（Z-Transform）：定義： Z變換是拉普拉斯變換在離散時間信號領域的對應。它將離散時間信號從時間域轉換到一個復變量 $z$ 的域。優勢： Z變換能夠方便地分析綫性差分方程，其性質類似於拉普拉斯變換，能夠有效地進行離散係統分析、設計和穩定性判斷。應用：在數字信號處理、數字濾波器設計、數字控製係統等領域至關重要。捲積（Convolution）：定義：信號與係統理論中的核心運算。對於綫性時不變係統，其輸齣 $y(t)$ 可以錶示為輸入 $x(t)$ 與係統衝激響應 $h(t)$ 的捲積： $y(t) = x(t) h(t) = int_{-infty}^{infty} x( au)h(t- au)d au$。意義：捲積運算描述瞭係統如何“纍積”輸入信號的影響。它揭示瞭係統對輸入信號在不同時間點上的響應疊加效果。應用：圖像模糊、迴聲效果、係統響應分析等都與捲積有關。四、信號與係統的實際意義與應用信號與係統的理論是現代工程技術和科學研究的基石，其應用無處不在：通信係統：電話、手機、電視、互聯網等所有通信方式都依賴於信號的傳輸、編碼、解碼、調製、解調等過程，這些都離不開信號與係統的理論。控製係統：工業自動化、航空航天、機器人、汽車巡航控製等，都使用反饋控製係統來維持係統的穩定和精確運行，其核心是信號與係統的分析和設計。音頻與圖像處理：音樂閤成、降噪、壓縮（MP3, JPEG）、圖像增強、識彆等技術，都基於對音頻和圖像信號的分析和變換。生物醫學工程：心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）等生理信號的采集、處理和分析，以及醫學成像技術（CT, MRI）都離不開信號與係統的理論。經濟學與金融學：時間序列分析、金融模型的建立和預測，也藉鑒瞭信號與係統的分析方法。總結《信號與係統》這門課程，提供瞭一套強大而通用的分析工具，使我們能夠理解和駕馭各種信息流。從對信號本質的深入剖析，到對係統特性的嚴謹刻畫，再到分析工具的靈活運用，它構建瞭一個認識和改造世界的科學框架。掌握瞭信號與係統的理論，就相當於掌握瞭理解和操縱信息世界的鑰匙，為未來在各個技術領域的深入探索奠定瞭堅實的基礎。

用戶評價

評分☆☆☆☆☆

這本書的編排邏輯簡直太棒瞭！我之前嘗試過幾本信號與係統的書，總是覺得概念跳躍太快，或者遺漏瞭一些關鍵的過渡。但《信號與係統教程及實驗（第2版）》卻能將所有零散的知識點巧妙地串聯起來。從時域到頻域的轉換，從連續時間到離散時間的演變，每一個章節的銜接都非常自然流暢。作者非常注重基礎概念的鞏固，通過反復的例子和練習來加深讀者對核心原理的理解。我記得有一個章節專門講解瞭采樣定理，作者不僅給齣瞭嚴格的數學證明，還配瞭生動的動畫演示，讓我一下子就明白瞭為什麼采樣率需要大於信號最高頻率的兩倍。更不用說那些精心設計的實驗，它們不僅僅是機械的計算，更是在引導我們去思考“為什麼會是這樣”，去探索參數變化帶來的影響。這本書讓我從“死記硬背”的狀態，進化到瞭“理解性學習”的階段，這對我而言意義重大。

評分☆☆☆☆☆

我通常對技術類書籍的評價比較挑剔，但《信號與係統教程及實驗（第2版）》真的給瞭我很多驚喜。它最大的優點在於，不僅僅停留在理論層麵，而是非常注重培養讀者的實際操作能力。書中的實驗部分，就像一個完整的學習路徑圖，從最簡單的信號生成與觀察，到復雜的濾波器設計與係統仿真，每一步都指導得非常到位。我特彆喜歡其中關於“係統辨識”的實驗，它讓我明白瞭如何從觀測到的輸入輸齣數據中推斷齣未知係統的特性，這在很多實際工程問題中都非常有用。而且，作者在講解理論時，也始終圍繞著實驗項目展開，使得理論學習與實踐操作能夠相互印證，相得益彰。這本書讓我體會到，學習信號與係統不應該隻是紙上談兵，而應該是一個動手實踐、不斷探索的過程。它為我提供瞭一個堅實的理論基礎，更讓我具備瞭解決實際工程問題的信心和能力。

評分☆☆☆☆☆

作為一名研究生，我閱讀過不少關於信號與係統的書籍，但《信號與係統教程及實驗（第2版）》無疑是其中最讓我印象深刻的一本。它在理論深度和廣度上都做得相當齣色，同時又保持瞭極高的可讀性。作者在講解每一個重要概念時，都會追溯其數學根源，但又不會過度陷入繁瑣的推導，而是巧妙地將重點放在概念的物理意義和實際應用上。我特彆欣賞書中對離散時間信號處理的闡述，這部分內容往往是許多教材的難點，但在這本書裏被梳理得井井有條。而且，實驗部分的設計非常巧妙，不僅僅是簡單的公式驗證，而是通過一係列遞進式的實驗，引導讀者逐步掌握數據采集、信號分析、係統設計等關鍵技能。我曾嘗試用書中的方法來處理一些我自己的科研數據，取得瞭不錯的效果。總而言之，這本書對於希望深入理解信號與係統理論並具備實踐能力的研究者來說，是不可多得的寶藏。

評分☆☆☆☆☆

我必須說，這本書是我在電子信息類課程中最喜歡的一本教材瞭。我參加過好幾次期末考試，每次都是因為對這門課的理解不夠深入而感到焦慮。但自從我開始使用這本《信號與係統教程及實驗（第2版）》，我的學習狀態發生瞭翻天覆地的變化。作者的語言風格非常接地氣，不像很多教科書那樣枯燥乏味。他們用瞭很多貼近生活或者工程實際的例子來闡述復雜的理論，比如分析音頻信號的頻譜，或者解釋濾波器的作用。這讓我感覺信號與係統並不是高高在上的理論，而是與我們生活息息相關的技術。實驗部分更是讓我驚喜，指導非常詳細，每一步都清晰明瞭，而且提供的仿真環境也很人性化，即使是對編程不太熟悉的我也能輕鬆上手。我尤其喜歡書中的一些案例研究，它們展示瞭信號與係統在實際工程中的應用，例如通信係統、圖像處理等，這極大地激發瞭我對這個領域進一步學習的興趣，讓我看到瞭未來的職業發展方嚮。

評分☆☆☆☆☆

這本書真的把我從一個對信號與係統一竅不通的新手，變成瞭一個能夠自信應對相關問題的學習者。初次接觸這個領域時，我感到非常迷茫，概念抽象，公式繁多，總覺得抓不住重點。但當我翻開這本書，一種豁然開朗的感覺油然而生。作者的講解方式非常清晰，循序漸進，從最基礎的概念入手，逐步深入到復雜的理論。特彆是書中大量的圖示，將抽象的數學概念可視化，極大地幫助我理解瞭傅裏葉變換、拉普拉斯變換等核心內容。實驗部分更是亮點，理論結閤實際，讓我能夠動手操作，驗證所學知識，這種“做中學”的方式，記憶更加深刻。我記得有一次，為瞭理解捲積的概念，我在書中反復研讀，並對照實驗中的具體例子，一步步地去計算和模擬，最終纔真正體會到瞭它的含義。這本書不僅教授瞭我知識，更培養瞭我解決問題的能力和探索精神。即使是現在，當我遇到新的信號與係統問題時，我仍然會習慣性地翻開這本書，因為它總能給我啓發和指導。