基本信息
书名：信号与系统
定价：42.00元
作者：赵仕良,陈冰洁,周晓林
出版社：科学出版社
出版日期：2014-11-01
ISBN：9787030411471
字数：420000
页码：287
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
《信号与系统》可作为电子信息、通信、自动控制、电气工程、计算机等专业'信号与系统'课程的本科教材,也可供从事相关领域工作的教师、科技工作者自学参考使用,并可作为相关专业'信号与系统'课程的研究生入学考试参考书。
内容提要
《信号与系统》共分七章来讲解：章信号和系统的基本概念,第二章信号和系统的时域分析法,第三章连续周期信号的傅里叶级数分析法第四章连续信号和系统的傅里叶变换分析法第五章连续信号和系统的复频域分析法第六章离散信号和系统的ZT分析法第七章离散信号和系统的FZT分析法。
目录
作者介绍
文摘
序言
现代通信与信号处理的基石：深入探索信号与系统 在当今信息爆炸的时代，信号与系统作为连接现实世界与数字世界的桥梁，其重要性不言而喻。无论是广播电视的信号传输，还是手机通信的语音数据传递，亦或是医学影像的分析处理，都离不开对信号的精确捕捉、分析与理解，以及对复杂系统的巧妙设计与优化。本书旨在为读者提供一个全面而深入的信号与系统理论框架，从基本概念出发，逐步引导读者掌握分析和处理各种信号与系统的强大工具和方法，为他们在通信、控制、电子工程、计算机科学乃至更广泛的交叉学科领域打下坚实的基础。 本书的编写，力求在严谨的数学理论基础上，结合生动形象的工程实例，使抽象的概念具象化，理论与实践紧密结合。我们相信，只有深入理解了信号与系统的本质，才能更好地驾驭日益复杂的现代科技。 第一章：信号与系统概述 本章将作为全书的引子，为读者勾勒出信号与系统的宏观图景。我们将从最基础的定义入手，探讨信号的种类繁多，包括连续时间信号与离散时间信号，周期信号与非周期信号，偶信号与奇信号，能量信号与功率信号等等。通过对这些基本信号类型的介绍，读者将初步认识到信号的多样性及其内在的数学描述。 同时，我们也将引入“系统”的概念。系统是处理信号、改变信号或根据信号做出响应的实体。我们将探讨系统的基本性质，如线性、时不变性、因果性以及稳定性。这些性质是判断一个系统行为的关键，也是后续分析和设计的基础。例如，一个线性系统能够满足叠加原理，这意味着输入信号的线性组合会产生对应输出信号的线性组合，这极大地简化了系统的分析。时不变性则意味着系统的特性不随时间变化，这使得我们可以使用固定的方法来分析系统的响应。因果性保证了系统的输出只取决于当前及过去的输入，这在许多实际系统中是必不可少的。稳定性则确保了系统在有限输入下不会产生无限大的输出，避免了系统崩溃。 此外，本章还将简要介绍信号与系统在工程领域中的广泛应用，例如在音频处理、图像识别、通信调制解调、自动控制等方面的作用，激发读者对后续学习的兴趣。 第二章：连续时间信号的分析 深入理解信号的特性，是进行系统分析的前提。本章将聚焦于连续时间信号，展开对其数学描述和分析方法的探讨。我们将详细介绍傅里叶级数和傅里叶变换，这是分析周期和非周期连续时间信号频谱特性的核心工具。傅里叶级数可以将周期信号分解为一系列不同频率的正弦和余弦分量的叠加，而傅里叶变换则将非周期信号扩展到连续的频率域，揭示信号在不同频率上的能量分布。通过傅里叶分析，我们可以直观地理解信号的频率成分，从而为滤波、调制等信号处理技术提供理论依据。 我们将学习如何计算各种基本信号（如冲激信号、阶跃信号、指数信号、正弦信号）的傅里叶变换，以及傅里叶变换的性质，如线性、时移、频移、卷积性质等。特别地，卷积定理将是贯穿全书的重要概念，它揭示了时域中的卷积运算对应于频域中的乘积运算，这为系统分析和设计带来了极大的便利。 此外，本章还将介绍拉普拉斯变换，它是傅里叶变换的推广，能够处理更广泛的信号，特别是那些傅里叶变换不存在的信号。拉普拉斯变换在分析线性时不变（LTI）系统的瞬态响应和稳定性方面具有不可替代的作用。我们将学习拉普拉斯变换的定义、性质以及如何利用它来求解微分方程，从而获得系统的零输入响应和零状态响应。 第三章：离散时间信号的分析 随着数字技术的飞速发展，离散时间信号在现代工程领域中的地位日益凸显。本章将转向对离散时间信号的深入分析。我们将介绍离散时间傅里叶级数（DTFS）和离散时间傅里叶变换（DTFT），它们分别对应于连续时间信号的傅里叶级数和傅里叶变换，用于分析周期和非周期离散时间信号的频谱特性。 与连续时间信号类似，离散时间信号的分析也离不开卷积定理。我们将探讨离散卷积的计算方法以及其在系统分析中的应用。 在此基础上，本章将引入Z变换。Z变换是离散时间信号和系统的核心分析工具，它能够方便地处理离散时间LTI系统的频率响应、稳定性以及因果性。我们将详细介绍Z变换的定义、性质，并展示如何利用Z变换来求解差分方程，从而获得系统的响应。Z变换与拉普拉斯变换在概念上有诸多相似之处，但其应用领域和处理对象不同，对于数字信号处理和数字控制系统至关重要。 第四章：连续时间线性时不变（LTI）系统的分析 在掌握了连续时间信号的分析方法后，本章将聚焦于一类最重要的系统——连续时间线性时不变（LTI）系统。LTI系统因其优良的数学性质和广泛的工程应用而成为信号与系统理论的核心。 我们将深入探讨LTI系统的冲激响应，它是表征LTI系统行为的关键。通过冲激响应，我们可以利用卷积运算来计算系统对任意输入信号的输出。本章将详细阐述时域卷积的计算方法，并强调卷积定理在频域（傅里叶变换域）中的应用，即时域卷积等于频域乘积。 我们还将学习如何利用拉普拉斯变换来分析LTI系统。通过将LTI系统表示为其传递函数，我们可以方便地分析系统的频率响应、稳定性以及理解系统对不同频率输入的反应。传递函数将是设计和分析滤波器、控制器等LTI系统的核心概念。本章将深入讲解如何通过传递函数的极点和零点来判断系统的稳定性，以及其对系统频率响应的影响。 第五章：离散时间线性时不变（LTI）系统的分析 本章将类比于上一章，将分析的重点转移到离散时间LTI系统。离散时间LTI系统是数字信号处理和数字控制系统的基础。 我们将引入离散时间LTI系统的单位脉冲响应，它是描述系统对单位脉冲（离散冲激信号）响应的关键。通过单位脉冲响应，我们可以利用离散卷积来计算系统对任意离散输入信号的输出。本章将详细阐述离散卷积的计算方法，并强调其在频域（离散时间傅里叶变换域）的应用。 我们还将学习如何利用Z变换来分析离散时间LTI系统。通过将离散时间LTI系统表示为其传递函数（在Z域），我们可以方便地分析系统的频率响应、稳定性以及理解系统对不同频率输入的反应。与连续时间系统类似，传递函数的极点和零点在Z域中同样扮演着决定系统行为的关键角色。本章将深入讲解如何通过Z域传递函数的极点和零点来判断离散时间LTI系统的稳定性，以及其对系统频率响应的影响。 第六章：状态空间分析方法 为了处理更复杂的系统，特别是那些不能简单用传递函数来描述的多输入多输出（MIMO）系统，本章将引入更为强大的状态空间分析方法。状态空间方法提供了一种更为全面的系统描述方式，它通过一组一组的一阶微分方程（或差分方程）来刻画系统的内部状态。 我们将介绍连续时间LTI系统和离散时间LTI系统的状态空间表示。对于连续时间系统，我们将使用向量微分方程来描述系统的状态演变和输出；对于离散时间系统，我们将使用向量差分方程。本章将重点研究状态向量的动态演变，并探讨如何从状态空间表示推导出系统的传递函数，以及如何从传递函数得到状态空间表示。 状态空间方法在分析系统的可控性、可观测性等方面具有独特优势，这些概念对于设计控制器和估计系统状态至关重要。我们将深入探讨这些概念，并展示它们在系统设计和分析中的应用。 第七章：傅里叶分析在系统分析中的应用 本章将回归傅里叶分析，更深入地探讨其在LTI系统分析中的强大应用。我们将重点关注系统的频率响应。频率响应描述了LTI系统对不同频率正弦信号的增益和相位变化。通过频率响应，我们可以理解系统是如何选择性地放大或衰减特定频率分量的，这在滤波器设计中至关重要。 我们将学习如何从系统的传递函数中直接获得频率响应，并解释幅频特性和相频特性的含义。例如，一个低通滤波器会衰减高频信号，其幅频特性会随着频率的升高而下降。 本章还将介绍一些重要的傅里叶分析概念，如卷积的频域解释，以及它如何简化对复杂信号经过系统后的输出的预测。我们将通过实例展示如何利用傅里叶变换来分析通信系统中信号的调制解调过程，以及在音频信号处理中如何利用傅里叶分析来实现均衡和降噪。 第八章：采样理论与离散化 现实世界中的许多信号是连续的，但我们的数字系统只能处理离散的信号。本章将深入探讨连接连续世界和离散世界的关键桥梁——采样理论。 我们将详细介绍奈奎斯特-香农采样定理，它给出了将连续时间信号转换为离散时间信号而不丢失信息所必须满足的最低采样频率。我们将解释欠采样和过采样的后果，以及如何利用抗混叠滤波器来避免采样过程中引入的混叠失真。 在此基础上，本章还将探讨离散化技术，即将连续时间系统转换为等效的离散时间系统。我们将介绍零阶保持器（ZOH）等常用离散化方法，并解释如何利用它们来设计数字控制器，以控制连续时间物理过程。这些技术在数字控制、嵌入式系统等领域具有广泛应用。 第九章：滤波器设计 滤波器是信号处理中最基本也是最重要的组成部分之一。本章将系统地介绍滤波器的基本概念和设计方法。我们将区分模拟滤波器和数字滤波器，并探讨它们的特点和应用。 我们将介绍不同类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。对于每种类型的滤波器，我们将探讨其理想幅频特性，并分析如何设计实际滤波器来实现近似的幅频特性。 本章将重点介绍几种常用的滤波器设计方法，包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器，分析它们各自的优缺点。同时，我们将介绍数字滤波器设计中的几种关键技术，如脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器，并探讨它们在设计中的权衡。通过本章的学习，读者将能够理解如何根据具体的应用需求，设计出满足要求的滤波器。 第十章：系统稳定性与稳定性判据 系统的稳定性是评价一个系统是否可靠运行的关键指标。本章将深入探讨系统的稳定性概念，并介绍几种常用的稳定性判据。 我们将区分线性系统和非线性系统的稳定性。对于线性系统，我们将基于其传递函数的极点位置来判断系统的稳定性。特别是，对于连续时间系统，极点必须位于复平面的左半平面；对于离散时间系统，极点必须位于单位圆内。 本章还将介绍几种经典的稳定性判据，如Routh-Hurwitz判据（用于连续时间系统）和Jury判据（用于离散时间系统）。这些判据提供了一种不求解特征方程即可判断系统稳定性代数方法。 此外，我们还将探讨稳定性与系统响应之间的关系，例如，不稳定系统可能产生随时间发散的输出，而在工程实践中是不可接受的。 结论 信号与系统理论是现代工程技术领域不可或缺的基石。通过对本系列内容的学习，读者将建立起坚实的理论基础，掌握分析和处理各种信号与系统的有力工具。从理解信号的基本特性，到深入分析线性时不变系统的行为，再到探索状态空间表示和滤波器设计，本书将带领读者一步步迈向信号与系统理论的精髓。我们相信，这些知识和技能将极大地拓展读者在各自专业领域内的视野和能力，为他们解决复杂工程问题、创新技术提供强大的支持。
我对于《信号与系统》这本书的印象可以用“严谨而不失灵活”来概括。作者在遵循学科规范、保证理论准确性的同时，也展现出了相当的教学智慧。他们并没有将所有内容都摆在桌面上，而是巧妙地引导读者一步步深入。比如，在介绍离散时间信号和系统时，作者就非常注重将连续信号的概念类比过去，让读者能够快速建立起联系，减少学习障碍。我尤其欣赏的是书中对于系统稳定性、因果性等特性的讨论，不仅给出了严格的数学定义，还通过反例和具体情境来阐释，使得这些抽象的判断标准变得触手可及。更难得的是，这本书的语言风格非常专业，但又不至于让非专业人士感到畏惧，可以说是恰到好处地把握了学术深度与可读性之间的平衡。每当遇到比较难理解的部分，翻阅后面的习题，往往能发现一些与课文呼应的思路，帮助巩固和加深理解。总而言之，这是一本需要静下心来细细品味的教材，它会在你沉浸其中时，逐渐展现出其深厚的底蕴。