編輯推薦
本書強化概念理解,梳理知識脈絡,幫助讀者建立分析方法,簡化分析思路。書中的“知識MAP”、“問題解析”、“深層分析”“解題訣竅”等讓讀者對信號與係統有一個更深入、更簡潔的認識。
“引言”對本章內容進行導引,“結語”對本章知識進行梳理。
“知識脈絡”和“公式”作為課程內容的歸納與總結。其中,“知識脈絡”是本章內容的知識點,通過MAP圖將知識點繪成圖形。將公式全部列成錶格,便於學習和查閱使用。
“問題解析”是對一些抽象的理論、重要的知識點、難以理解的問題以及分析方法進行深層次的、詳細透徹的分析,盡量從物理概念的角度進行剖析,通過精編例題解析問題,並加深和擴寬知識點。
編寫瞭“大量習題”,根據知識點進行分類,並進行分析和解答,通過“題前分析”幫助讀者找到解題的齣發點,而“題後解析”對相關問題進一步分析、總結、說明。
對於一些難以演算的問題或者有著某種規律的問題,給齣瞭解題“訣竅”,形成對一些問題的“傻瓜解法”,既簡單又有效,達到事半功倍的學習效果。
最後附瞭一些重點院校的研究生入學考題,並給齣瞭解題過程和答案,用於參考和自測。
內容簡介
本書是“信號與係統”的學習輔導教材,也是研究生入學考試課程“信號與係統”的復習參考用書。本書與現行的“信號與係統”教材的內容體係大體相當,但在深度和廣度上有所增強,以滿足對這門課程的深入學習以及研究生入學考試的需要。
全書共10章,包括信號與係統的一般概念,連續時間信號與係統的時域分析、頻域分析、s域分析,連續時間信號的采樣,離散時間信號與係統的時域分析、z域分析、頻域分析,以及係統的狀態空間分析。最後附瞭一些重點院校的研究生入學考題及參考答案。
每章內容大體包括引言、知識脈絡、重點和難點問題的解析、習題分析及解答、問題思考等。全書突齣信號與係統概念的理解、分析方法的掌握以及解題訣竅,通過大量的精編例題、習題以及問題思考來解析概念、建立分析方法、強化分析思路。
作者簡介
許淑芳,北京信息科技大學教師。長期從事信號與係統的教學研究工作,對信號與係統有著較深的理解。曾獨立開發信號與係統的網絡教學平颱,製作信號與係統的多媒體課件,齣版瞭“信號與係統”的教材(唯一作者,一種全新的敘述模式),閤作翻譯過網絡安全方麵的書籍。參加過學校首屆教學、實驗基本功比賽,分獲一等奬、二等奬及*佳教案奬,發錶過有關信號處理方麵的論文,參加過國傢重大專項和自然基金項目。
內頁插圖
目錄
第1章信號與係統的一般概念
1.1問題思考
1.2知識脈絡
1.3公式
1.4問題解析
1.5習題分析及解答
1.6本章重點
第2章連續時間信號與係統的時域分析
2.1引言
2.2知識脈絡
2.3公式
2.4問題解析
2.5習題分析及解答
2.5.1信號的描述及運算規則
2.5.2單位衝激信號
2.5.3信號的奇偶分量
2.5.4係統的特性
2.5.5係統的單位衝激響應
2.5.6捲積
2.5.7係統的響應
2.6思考題
第3章連續時間信號的頻域分析
3.1引言
3.2知識脈絡
3.3公式
3.4問題解析
3.5習題分析及解答
3.5.1周期信號的傅裏葉級數
3.5.2非周期信號的傅裏葉變換
3.5.3周期信號的傅裏葉變換
3.5.4雜題
第4章連續時間係統的頻域分析
4.1本章重點
4.2知識脈絡
4.3公式
4.4問題解析
4.5習題分析及解答
4.5.1係統的頻率響應的求解
4.5.2係統的失真分析
4.5.3在頻域求解係統的響應——濾波
4.5.4希爾伯特變換和係統的調製
第5章連續時間信號與係統的復頻域分析
5.1引言
5.2知識脈絡
5.3公式
5.4問題解析
5.5習題分析及解答
5.5.1拉普拉斯變換
5.5.2初值定理和終值定理
5.5.3用拉普拉斯變換求解微分方程的響應
5.5.4用拉普拉斯變換分析電路
5.5.5用拉普拉斯變換求係統的單位衝激響應
5.5.6係統函數及零極點分析
5.5.7雙邊拉普拉斯變換
第6章連續時間信號的抽樣
6.1引言
6.2知識脈絡
6.3問題解析
6.4習題分析及解答
第7章離散時間信號與係統的時域分析
7.1引言
7.2知識脈絡
7.3公式
7.4問題解析
7.5習題分析及解答
7.5.1序列
7.5.2離散時間係統的特性分析
7.5.3差分方程
7.5.4係統的單位抽樣響應
7.5.5捲積
第8章離散時間信號與係統的z域分析
8.1引言
8.2知識脈絡
8.3公式
8.4問題解析
8.5習題分析及解答
8.5.1序列的z變換
8.5.2用z變換求解差分方程的響應
8.5.3離散時間係統的z域分析
第9章離散時間信號與係統的頻域分析
9.1引言
9.2知識脈絡
9.3公式
9.4問題解析
9.5習題分析及解答
9.5.1序列的DTFT
9.5.2離散時間係統的頻率響應
9.5.3離散全通和最小相位係統
第10章係統的狀態空間分析
10.1引言
10.2知識脈絡
10.3公式
10.4問題解析
10.5習題分析及解答
10.5.1畫齣係統的流圖
10.5.2連續時間係統狀態方程的建立和求解
10.5.3離散時間係統狀態方程的建立和求解
10.5.4由Masson公式求流圖的係統函數
10.5.5係統的可控性和可觀性
10.5.6端口分析和狀態變量分析綜閤題
附錄A常用的三角函數公式
附錄B等比級數求和公式
附錄C碩士研究生入學考試試題及參考答案
清華大學碩士研究生入學考試試題(2005年,2006年,2008年,2010年)
北京理工大學碩士研究生入學考試試題(2009—2012年)
北京郵電大學碩士研究生入學考試試題(2009—2012年)
碩士研究生入學考試試題參考答案
參考文獻
探索信息世界的奧秘:從信號的本質到係統的精妙 在浩瀚的信息時代,我們每天都被各種各樣的信號所包圍:電視屏幕上流動的畫麵、手機中傳遞的聲音、網絡上傳輸的數據,甚至是我們身體內部的生理信號。這些信號並非雜亂無章,而是遵循著深刻的規律,它們與各種係統相互作用,構成瞭我們賴以生存和發展的信息世界。深入理解信號與係統的基本原理,不僅是掌握現代電子信息技術的核心鑰匙,更是洞察萬物運行機製的窗口。 本書旨在帶領讀者踏上一段探索信號與係統奧秘的旅程,從最基礎的概念齣發,逐步深入到復雜而精妙的理論體係。我們不僅僅是學習枯燥的公式和定理,更是要理解它們背後的物理意義和實際應用,掌握運用這些工具解決實際問題的能力。這是一門跨越多個學科的基石課程,無論你是對通信、控製、圖像處理、語音識彆,還是人工智能等領域充滿興趣,信號與係統的知識都將是你不可或缺的強大支撐。 第一章:信號的語言——初識信息載體 本章我們將一同走進信號的奇妙世界,學習如何描述和分類這些信息的基本單位。 信號的定義與分類: 什麼是信號?它們是如何産生的?我們將從最樸素的定義齣發,理解信號是攜帶信息的物理量,可以是電壓、電流、聲波、光波等等。接著,我們會按照不同的維度對信號進行分類: 按時間性質: 連續時間信號(如聲波、模擬電壓)與離散時間信號(如數字音頻、采樣後的數據)。理解兩者的區彆及其在實際中的意義,為後續的分析打下基礎。 按幅度性質: 連續幅度信號(模擬信號)與離散幅度信號(數字信號)。探討數字信號如何從模擬信號演變而來,以及數字化的優勢。 按周期性: 周期信號、非周期信號。理解周期性在信號分析中的重要性,以及傅裏葉級數如何揭示周期信號的內在結構。 按能量和功率: 能量信號與功率信號。區分這兩類信號的定義和判斷方法,以及它們在信號能量和功率計算中的作用。 信號的基本運算: 信號並非孤立存在,它們可以進行各種運算,從而産生新的信號。本章將介紹幾種重要的信號基本運算: 時移、尺度變換、翻轉: 理解這些運算如何改變信號在時間上的位置、寬度和方嚮,以及它們在信號處理中的應用,例如延時、壓縮、迴放等。 加法、乘法: 學習如何將兩個信號疊加或相乘,以及這些運算在信號混閤、調製等方麵的意義。 捲積: 這是信號與係統理論中最為核心的概念之一。我們將初步認識捲積的定義和幾何意義,為後續深入理解係統響應打下基礎。 一些重要的基本信號: 為瞭更好地分析復雜信號,我們需要掌握一些基本信號作為構建模塊: 指數信號: 復指數信號、實指數信號。理解它們的衰減、增長和振蕩特性。 正弦信號: 頻率、幅度、相位等參數的含義,以及正弦信號在描述周期性現象中的普遍性。 單位階躍信號、單位衝激信號(狄拉剋衝激): 它們是描述信號開始和瞬間變化的理想模型,在理論分析和係統脈衝響應分析中至關重要。我們將深入理解衝激信號的奇異特性和它在信號抽樣中的作用。 矩形信號、三角形信號: 這些是實際中常見的信號波形,我們將學習如何用基本信號組閤來錶示它們。 第二章:係統的本質——理解信息處理的機器 信號的意義在於其被處理和轉換,而執行這一過程的就是係統。本章我們將深入探究係統的定義、分類和基本性質。 係統的定義與錶示: 什麼是係統?它如何接收輸入信號並産生輸齣信號?我們將從輸入-輸齣的角度來理解係統,並學習如何用數學模型來描述係統,例如微分方程、差分方程、傳遞函數等。 係統的分類: 瞭解係統的不同分類有助於我們理解其行為特點和分析方法: 綫性係統與非綫性係統: 綫性係統滿足疊加原理和齊次原理,是信號與係統理論分析的基石。我們將通過實例來區分綫性與非綫性係統。 時不變係統與時變係統: 時不變係統意味著係統的特性不隨時間而改變。理解時不變性對於簡化分析至關重要。 因果係統與非因果係統: 因果係統要求係統的輸齣隻取決於當前和過去的輸入,而非未來。在實際係統中,因果性是一個基本的要求。 穩定係統與不穩定係統: 穩定係統是指當輸入有界時,輸齣也一定有界。係統的穩定性直接關係到係統的可靠性和安全性。 記憶係統與無記憶係統: 記憶係統當前的輸齣不僅依賴於當前的輸入,還依賴於過去的輸入。 係統的基本性質: 除瞭上述分類,還有一些係統性質對理解係統行為至關重要: 疊加原理(綫性): 如果輸入$x_1(t)$産生輸齣$y_1(t)$,輸入$x_2(t)$産生輸齣$y_2(t)$,那麼輸入$a x_1(t) + b x_2(t)$將産生輸齣$a y_1(t) + b y_2(t)$。 衝激響應: 衝激響應是描述一個綫性時不變係統最關鍵的函數。它反映瞭係統對一個瞬時輸入的反應。我們將深入理解如何通過衝激響應來完全刻畫一個LTI係統。 階躍響應: 階躍響應是係統對單位階躍信號的響應。它提供瞭關於係統瞬態響應和穩態響應的重要信息。 第三章:時域分析——信號與係統的基礎視角 時域分析是我們理解信號與係統行為最直觀的方式。本章將重點介紹基於時域的分析方法。 捲積在時域中的應用: 再次強調捲積的核心地位。對於綫性時不變(LTI)係統,係統的輸齣是輸入信號與係統衝激響應的捲積。我們將深入理解捲積的計算方法,包括圖解法和解析法,並分析捲積如何描述係統對輸入信號的“記憶”和“平均”作用。 LTI係統的零輸入響應和零狀態響應: 任何LTI係統的全響應可以分解為零輸入響應(由初始狀態引起)和零狀態響應(由輸入信號引起)。我們將學習如何分彆求解這兩種響應,並理解它們在係統行為分析中的作用。 微分方程和差分方程的求解: 許多LTI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。本章將介紹如何利用這些方程,結閤初始條件和輸入信號,求解係統的零輸入響應和零狀態響應。我們將涉及幾種經典的求解方法。 係統的零極點分析(初步): 雖然零極點分析在頻域中更為重要,但其根源在於描述係統的微分或差分方程。本章將為後續的頻域分析做鋪墊,介紹零極點與係統特性的初步聯係。 第四章:頻域分析——揭示信號的頻率成分 將信號和係統從時域轉換到頻域,能夠更深刻地揭示其內在的頻率特性,以及係統對不同頻率成分的處理方式。 傅裏葉級數: 對於周期信號,傅裏葉級數可以將信號分解為一係列不同頻率的正弦(或復指數)信號的疊加。我們將學習如何計算傅裏葉級數係數,理解信號的頻譜,以及它在信號的周期性分析中的作用。 傅裏葉變換: 對於非周期信號,傅裏葉變換將其錶示為連續的頻譜。我們將學習傅裏葉變換的定義、性質,以及如何通過傅裏葉變換來分析信號的頻率內容。理解傅裏葉變換的收斂性條件。 傅裏葉變換的性質: 綫性性、時移、頻移、尺度變換、捲積定理、微分/積分性質等,這些性質大大簡化瞭頻域分析過程,並揭示瞭時域和頻域之間的深刻聯係。 帕塞瓦爾定理: 理解能量在時域和頻域之間的守恒關係。 係統函數(傳遞函數): 對於LTI係統,其頻率響應(輸齣信號頻譜與輸入信號頻譜之比)是描述係統頻率特性的重要工具。我們將學習如何定義係統的頻率響應,以及如何利用頻率響應來分析係統的濾波特性、幅度響應和相位響應。 拉普拉斯變換: 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,尤其適用於分析有界或指數增長的信號。我們將學習拉普拉斯變換的定義、收斂域(ROC),以及它在求解微分方程和分析係統穩定性方麵的強大能力。 拉普拉斯變換的性質和應用: 類似於傅裏葉變換,拉普拉斯變換也具有一係列重要的性質,如綫性性、時移、積分、微分、捲積等。我們將重點關注如何利用拉普拉斯變換來求解LTI係統的零輸入響應和零狀態響應,以及如何通過極點位置判斷係統的穩定性。 係統函數與零極點: 在拉普拉斯域中,係統的特性由其傳遞函數(有理函數)的零點和極點決定。我們將深入探討零極點在頻域分析中的幾何意義,以及它們如何直觀地反映係統的動態行為和穩定性。 第五章:離散時間信號與係統——數字世界的基石 隨著數字技術的飛速發展,離散時間信號與係統在現代電子信息領域扮演著越來越重要的角色。 離散時間信號: 重新審視離散時間信號的定義、分類和基本運算,與連續時間信號進行對比。 離散時間係統: 介紹離散時間係統的定義、分類(綫性、時不變、因果、穩定等),以及如何用差分方程來描述。 Z變換: Z變換是離散時間信號與係統分析的有力工具,它類似於拉普拉斯變換在連續時間係統中的作用。我們將學習Z變換的定義、收斂域(ROC),以及它在求解差分方程、分析係統穩定性和頻率響應中的應用。 Z變換的性質: 綫性性、時移、尺度變換、捲積定理、微分、積分等性質。 離散時間係統的頻率響應: 理解離散時間係統的頻率響應,以及如何通過Z變換的單位圓來分析係統的頻率特性。 離散捲積: 學習離散捲積的計算方法,以及它在離散時間LTI係統分析中的作用。 FIR濾波器與IIR濾波器: 介紹兩種重要的數字濾波器類型,理解它們的結構、特性和設計原理。 第六章:應用與擴展——信號與係統的實踐力量 理論的學習最終是為瞭解決實際問題。本章將結閤一些典型應用,展示信號與係統理論的強大生命力。 濾波器的設計與應用: 深入探討低通、高通、帶通、帶阻等濾波器的原理和設計方法,理解它們在信號去噪、信號分離等方麵的作用。 采樣定理(奈奎斯特-香農采樣定理): 理解為什麼需要采樣,以及采樣率與信號帶寬之間的關係。這是數字信號處理的核心定理。 模/數(A/D)和數/模(D/A)轉換: 簡要介紹信號的數字化過程,以及數模轉換器在將數字信號還原為模擬信號中的作用。 通信係統中的應用: 簡要介紹調製解調、信道編碼等通信技術中的信號與係統原理。 控製係統中的應用: 介紹反饋控製係統的基本原理,以及信號與係統分析在控製器設計中的作用。 圖像處理與語音信號處理中的應用: 簡要介紹傅裏葉變換、捲積等在圖像增強、特徵提取、語音識彆等領域的應用。 解題指導:掌握分析問題的關鍵思路 在學習理論知識的同時,掌握解決問題的能力同樣重要。本書特彆注重解題方法的指導: 分析問題的核心: 強調在解題前,要準確理解題目所描述的信號類型、係統性質以及要求求解的目標。 選擇閤適的工具: 根據信號和係統的特點,選擇最適閤的分析域(時域、頻域、s域、z域)和分析工具(傅裏葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、捲積等)。 步步為營,邏輯清晰: 鼓勵讀者將復雜的解題過程分解為若乾個小步驟,每一步都遵循明確的數學邏輯和物理意義。 圖形化思維: 強調利用圖形(如波形圖、頻譜圖、零極點圖、收斂域)來輔助理解問題和驗證結果。 單位和量綱的檢查: 培養嚴謹的數學習慣,在計算過程中時刻注意單位和量綱的正確性。 特例驗證與反嚮推導: 對於抽象的理論或復雜的計算結果,可以通過代入簡單的特例或進行反嚮推導來驗證其正確性。 典型例題的解析: 本書將提供大量精選的例題,從基礎到進階,逐一剖析解題思路、步驟和技巧,幫助讀者舉一反三,掌握各類題型的解法。 易錯點提示與陷阱規避: 針對學習過程中常見的難點和易錯點,本書將進行重點提示,幫助讀者避免重復犯錯。 通過理論學習與解題實踐的結閤,本書將幫助您構建紮實的信號與係統知識體係,培養嚴謹的科學思維和解決實際問題的能力。願您在探索信息世界的旅途中,收獲滿滿,邁嚮更加廣闊的電子信息領域。