信號(hào)分析與處理

前言

　　為了適應(yīng)高等教育大眾化的背景和培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才的需要，編寫一本新的有特色的信號(hào)分析與處理方面的教材是非常必要的。本書的讀者對(duì)象是應(yīng)用型本科院校的電氣工程、自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械電子、微電子、檢測與儀器儀表、醫(yī)學(xué)電子等本科專業(yè)學(xué)生。實(shí)踐證明，上述非電子通信類專業(yè)的學(xué)生應(yīng)當(dāng)具有信號(hào)分析、系統(tǒng)和信號(hào)處理的知識(shí)，否則就會(huì)造成知識(shí)的脫節(jié)，不利于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可以了解一般電系統(tǒng)甚至非電系統(tǒng)信號(hào)分析和信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法，理解信號(hào)在電子系統(tǒng)中傳輸?shù)幕具^程，提高分析實(shí)際問題的能力?！　∽髡咴诰帉懕緯鴷r(shí)所貫徹的教育理念如下：　?。?）內(nèi)容適當(dāng)、突出重點(diǎn)。本書涵蓋了“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”兩門課的主要內(nèi)容。由于學(xué)時(shí)較少，內(nèi)容既不能貪多求全，又不能抽象偏難。我們舍棄了一些偏理論性且不實(shí)用的內(nèi)容，削枝強(qiáng)干，突出重要的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，使學(xué)生掌握基本規(guī)律和思維方法。若內(nèi)容偏多偏難，結(jié)果什么也學(xué)不到，這就是“少則得，多則惑”的道理。這樣做，也保證了本書的教學(xué)適用性?！　。?）簡明易懂，循序漸進(jìn)。本書涉及的數(shù)學(xué)理論較多，除了傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換外，還有針對(duì)離散信號(hào)的DTFT、DFs、DFT、FFT等變換理論。本書對(duì)這些內(nèi)容不是從數(shù)學(xué)角度進(jìn)行純理論的講解，而是突出信號(hào)分析與處理的概念，結(jié)合豐富的例題，深入淺出地介紹這些變換的本質(zhì)和在工程中的應(yīng)用方法。注意把復(fù)雜問題簡單化，先感性后理性、循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)一般理論。正所謂“易則易知，簡則易從”?！　。?）聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)工程素養(yǎng)。本課程具有廣泛的工程應(yīng)用背景。本書所討論的內(nèi)容，均以應(yīng)用為目的，注重理論聯(lián)系實(shí)際，使之具有實(shí)用性和針對(duì)性。書中第6章基于MATLAB的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、提高解決實(shí)際工程問題的能力大有好處。這些內(nèi)容可以由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里自主完成。　?。?）文理滲透、激發(fā)興趣?？茖W(xué)求真、人文導(dǎo)向。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性通常是在科學(xué)與藝術(shù)、科技與人文的滲透中激發(fā)出來的。本書每章之首都寫有哲理性引言，這既可以讓學(xué)生了解該章的特點(diǎn)，又可以引導(dǎo)他們升華思維方法。因?yàn)榇髮W(xué)的職責(zé)是為學(xué)生提供認(rèn)知、理性和思考的環(huán)境，讓年輕人得到思維訓(xùn)練，建立一個(gè)精神故鄉(xiāng)。大學(xué)對(duì)學(xué)生人文素質(zhì)的培養(yǎng)，有助于他們?cè)趯I(yè)領(lǐng)域更具有創(chuàng)造性、更有追求、更有理想、更有洞察力。所以本書潛心嘗試，期有補(bǔ)益。

內(nèi)容概要

　　本書是為應(yīng)用型本科學(xué)生編寫的教材。內(nèi)容包括6章：信號(hào)與系統(tǒng)分析基礎(chǔ)、連續(xù)信號(hào)的頻域分析與處理、連續(xù)信號(hào)的復(fù)頻域分析與處理、離散信號(hào)的分析與處理、數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)分析與處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)。本書概念清晰、簡明易懂、突出應(yīng)用、圖文并茂。書中每章配有小結(jié)、習(xí)題，最后還配有3套自測題，以便學(xué)生期末復(fù)習(xí)之用?！　”緯勺鳛楸究圃盒５碾姎夤こ?、自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)、微電子、機(jī)械電子、檢測與儀器儀表、醫(yī)學(xué)電子等專業(yè)的教材，也可供廣大科技工作人員參考。

作者簡介

　　燕慶明，1944年11月生，山東滕州市人，江南大學(xué)教授。1970年畢業(yè)于西安軍事電訊工程學(xué)院電子對(duì)抗專業(yè)。曾任原江南大學(xué)副校長，教育部高等學(xué)校電工課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，全國高等學(xué)校電路和信號(hào)系統(tǒng)教學(xué)與教材研究會(huì)常務(wù)理事。在國內(nèi)外公開發(fā)表研究論文50余篇。從1980年起，參編國家規(guī)劃教材2部，主編規(guī)劃教材8部，累計(jì)300余萬字。獲省部級(jí)以上優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)5項(xiàng)?！　≈骶幍摹缎盘?hào)與系統(tǒng)》于1995年獲第三屆全國優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)，2008年該書第四版（普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材）被評(píng)為國家精品教材。 　　主編的《電路分析教程》（普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材）2008年被評(píng)為國家精品教材。 　　主編的《信號(hào)與系統(tǒng)教程》于2005年被評(píng)為江蘇省精品教材。

書籍目錄

第1章　信號(hào)與系統(tǒng)分析基礎(chǔ)引言1.1　發(fā)展簡史1.2　應(yīng)用領(lǐng)域1.3　信號(hào)的概念1.3.1　信號(hào)及其分類1.3.2　信號(hào)分析與處理1.3.3　常用的基本信號(hào)1.4　信號(hào)的簡單處理1.5　系統(tǒng)的概念1.5.1　系統(tǒng)及其分類1.5.2　系統(tǒng)分析1.5.3　線性時(shí)不變系統(tǒng)1.6　LTI系統(tǒng)方程及其響應(yīng)1.6.1　系統(tǒng)的微分方程1.6.2　零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)1.6.3　階躍響應(yīng)和沖激響應(yīng)1.7　卷積及其應(yīng)用1.7.1　卷積的概念與性質(zhì)1.7.2　系統(tǒng)的卷積分析法1.7.3　用圖形掃描法計(jì)算卷積1.8　線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程小結(jié)習(xí)題一第2章　連續(xù)信號(hào)的頻域分析與處理引言2.1　周期信號(hào)的頻譜2.1.1　周期信號(hào)的三角級(jí)數(shù)分解2.1.2　周期信號(hào)的復(fù)指數(shù)級(jí)數(shù)分解2.1.3　周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)2.1.4　雙邊頻譜與信號(hào)的帶寬2.2　非周期信號(hào)的頻譜2.2.1　傅里葉變換2.2.2　常用非周期信號(hào)的頻譜2.3　傅里葉變換的性質(zhì)與定理2.4　周期信號(hào)的頻譜函數(shù)2.5　信號(hào)通過線性系統(tǒng)2.5.1　系統(tǒng)函數(shù)H（ω）2.5.2　信號(hào)的無失真?zhèn)鬏敆l件2.5.3　信號(hào)通過理想低通濾波器2.6　采樣信號(hào)與采樣定理2.6.1　采樣信號(hào)2.6.2　采樣定理與信號(hào)的恢復(fù)2.6.3　采樣的實(shí)際問題小結(jié)習(xí)題二第3章　連續(xù)信號(hào)的復(fù)頻域分析與處理引言3.1　拉普拉斯變換3.1.1　拉普拉斯變換的概念3.1.2　常用信號(hào)的拉普拉斯變換3.2　拉普拉斯變換的性質(zhì)與定理3.3　拉普拉斯反變換3.4　系統(tǒng)的s域分析3.4.1　微分方程的拉普拉斯變換解法3.4.2　電路的s域模型3.5　系統(tǒng)函數(shù)日（s）3.5.1　系統(tǒng)函數(shù)的一般概念3.5.2　系統(tǒng)的方框圖表示與模擬3.6　系統(tǒng)函數(shù)的零、極點(diǎn)3.6.1　H（s）的零、極點(diǎn)3.6.2　零、極點(diǎn)分布與時(shí)域特性的關(guān)系3.6.3　零、極點(diǎn)分布與頻率特性的關(guān)系3.7　線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性3.7.1　系統(tǒng)穩(wěn)定的概念3.7.2　穩(wěn)定性判據(jù)3.7.3　開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)3.7.4　系統(tǒng)階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)小結(jié)習(xí)題三第4章　離散信號(hào)的分析與處理引言4.1　離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)4.1.1　離散信號(hào)的概念4.1.2　離散信號(hào)的簡單運(yùn)算4.1.3　離散系統(tǒng)的差分方程4.1.4　離散系統(tǒng)的時(shí)域模擬4.2　零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)4.2.1　系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)4.2.2　卷和與零狀態(tài)響應(yīng)4.3　z變換4.3.1　z變換的定義4.3.2　典型序列的z變換4.4　z反變換4.4.1　長除法4.4.2　部分分式展開法4.5　z變換的主要性質(zhì)與定理4.6　離散系統(tǒng)的z域分析4.6.1　差分方程的z變換解4.6.2　系統(tǒng)函數(shù)H（z）4.6.3　離散系統(tǒng)的z域模擬4.7　系統(tǒng)的零、極點(diǎn)與穩(wěn)定性4.7.1　H（z）的零、極點(diǎn)分布與h（n）的關(guān)系4.7.2　離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性4.7.3　z變換與拉普拉斯變換的關(guān)系小結(jié)習(xí)題四第5章　數(shù)字信號(hào)處理引言5.1　離散時(shí)間信號(hào)的頻譜5.1.1　DTFT的概念5.1.2　離散系統(tǒng)的頻率特性5.2　離散傅里葉變換5.2.1離散傅里葉級(jí)數(shù)（DFS）5.2.2　離散傅里葉變換（DFT）5.3　快速傅里葉變換（FFT）5.3.1　FFT的概念5.3.2　基2時(shí)序分解FFT法5.4　無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器5.4.1　IIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)5.4.2　IIR濾波器的設(shè)計(jì)5.5　有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器5.5.1　FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)5.5.2　FIR濾波器的設(shè)計(jì)小結(jié)習(xí)題五第6章　信號(hào)分析與處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)引言6.1　信號(hào)生成與時(shí)域分析的實(shí)現(xiàn)6.2　連續(xù)信號(hào)的頻域分析實(shí)現(xiàn)6.3　連續(xù)信號(hào)的復(fù)頻域分析實(shí)現(xiàn)6.4　離散信號(hào)分析與處理的實(shí)現(xiàn)6.5　數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)附錄A　自測試題A.1　試題一A.2　試題二A.3　試題三附錄B　常用周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表附錄C　常用非周期信號(hào)的傅里葉變換表附錄D　MATLAB應(yīng)用概要部分習(xí)題答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　由于集成電路具有成本低、尺寸小、可靠性高、電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。從而引起了工業(yè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的革命性發(fā)展，使人類進(jìn)入了信息技術(shù)時(shí)代。　　在廣播、電視與通信方面，近百年的發(fā)展也是驚人的。1912年，阿姆斯特朗組裝了第一臺(tái)超外差接收機(jī)。1916年實(shí)現(xiàn)了人類第一次語言和音樂的無線電廣播。1925年，英國的貝爾德（J.L.Baird）首先發(fā)明了電視。幾乎在同時(shí)，美國無線電公司的工程師若基（v.K.Zworykin）發(fā)明了電視顯像管。1936年黑白電視機(jī)正式問世。1954年，彩色電視信號(hào)試播成功。1982年，美國又研制成功數(shù)字電視。20世紀(jì)50年代微波通信成為電視信號(hào)傳輸?shù)闹鞲删€。1965年，世界上第一顆地球同步通信衛(wèi)星投入使用，廣泛地用于電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)傳輸和電視轉(zhuǎn)播等。而目前，衛(wèi)星通信、光纖通信、激光通信、移動(dòng)通信技術(shù)正在日新月異地發(fā)展著。　　在信號(hào)與系統(tǒng)學(xué)科發(fā)展的歷程中，有兩位奠基人做出了不朽貢獻(xiàn)。一位是法國數(shù)學(xué)家傅里葉（J.B.J.Fourier，1768-1830），他創(chuàng)立了對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分析的理論；另一位是法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯（M.P.s.Laplace，1749-1827），他為系統(tǒng)分析提出了從時(shí)間域到s域的變換分析方法。他們的思想至今還是分析信號(hào)和系統(tǒng)的最重要的基礎(chǔ)。在他們的影響下，1948年創(chuàng)立了三大科學(xué)思想和理論，這就是系統(tǒng)論、信息論和控制論。系統(tǒng)論是美國生物學(xué)家貝塔朗菲提出的，他為確立適用于系統(tǒng)的一般原則做出了重大貢獻(xiàn)。信息論是美同數(shù)學(xué)家香農(nóng)建立的，它是現(xiàn)代通信理論的基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制等方面得到廣泛應(yīng)用?？刂普撌敲绹鴶?shù)學(xué)家維納創(chuàng)立的，它促進(jìn)了通信、電子、人工智能等理論的發(fā)展。圖1-1展示了以上六位科學(xué)家的風(fēng)采。

編輯推薦

　　《信號(hào)分析與處理》深入淺出地介紹了連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)、離散信號(hào)與系統(tǒng)及數(shù)字信號(hào)分析與處理的概念、理論與方法。特別適用于本科電氣工程、自動(dòng)控制、機(jī)電工程、微電子、光電子、計(jì)算機(jī)等非電子、通信類各專業(yè)作為教材?！缎盘?hào)分析與處理》有以下特點(diǎn)：內(nèi)容注重應(yīng)用性、先進(jìn)性和系統(tǒng)性。敘述簡明易懂，循序漸進(jìn)，重點(diǎn)突出。文理滲透，啟迪創(chuàng)新思維。圖文并茂，直觀引人。

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