本書是學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)課程的入門教材,重點介紹了基本信號變換的原理、物理意義、相互差別和聯(lián)系,便于初學(xué)者理解.全書包含11章:信號與系統(tǒng)的基本概念,線性時不變連續(xù)時間系統(tǒng)的時域分析,線性時不變離散時間系統(tǒng)的時域分析,連續(xù)周期信號的傅里葉級數(shù),連續(xù)信號的傅里葉變換,拉普拉斯變換,離散周期信號的傅里葉級數(shù),離散非周期信號的離散時間傅里葉變換,Z變換,離散傅里葉變換和快速傅里葉變換,模擬和數(shù)字濾波器.
本書可作為高等院校本科生和研究生信號與系統(tǒng)課程的教材和教學(xué)參考書.
回想我自己剛開始學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)課程時的情形,學(xué)習(xí)了一個變換又一個變換,但對一些變換的物理意義、它們之間的差別和聯(lián)系、為什么是這樣的計算式等,難以全面深入理解,通過了較長一段時間的反復(fù)學(xué)習(xí)和琢磨后才理出頭緒.例如,剛學(xué)習(xí)完這門課程時,仍舊說不清楚離散時間傅里葉變換(DTFT)和離散傅里葉變換(DFT)概念之間的差別.
我現(xiàn)在從事本科生“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué).當(dāng)初我在學(xué)習(xí)中遇到的問題,現(xiàn)在的初學(xué)者也同樣地遇到.因此,我在教學(xué)中注重了各種信號變換的原理、物理意義和相互關(guān)系的介紹,突出描述了離散信號變換和連續(xù)信號變換的對應(yīng)關(guān)系.在此把這幾年教學(xué)的成果總結(jié)為此教材,期望能給初學(xué)者以幫助.
本書是信號與系統(tǒng)學(xué)習(xí)的入門教材,包含信號與系統(tǒng)分析的最基礎(chǔ)的內(nèi)容,適合安排48或64學(xué)時.
本書編寫過程中參考了鄭君里、應(yīng)啟珩、楊為理三位老師合著的《信號與系統(tǒng)》(高等教育出版社,2000年5月第二版)和姜建國、曹建中、高玉明三位老師合著的《信號與系統(tǒng)分析基礎(chǔ)》(清華大學(xué)出版社,1994年2月第一版).姜建國老師幫助審閱了本書的第1章至第6章.對于以上所得到的各種幫助,在此致以衷心的感謝.
由于編者水平有限,書中一定有錯誤之處,懇請讀者指正.
清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系
劉衛(wèi)東
2008年1月
第1章信號與系統(tǒng)的基本概念
1.1引言
1.2信號的分類
1.2.1連續(xù)時間信號和離散時間信號
1.2.2周期信號和非周期信號
1.2.3能量有限信號和能量無限信號
1.3典型信號
1.3.1典型連續(xù)非奇異信號
1.3.2典型奇異信號
1.3.3典型離散信號
1.4信號的運(yùn)算
1.4.1信號的移位、反褶與尺度變化
1.4.2信號相加和相乘
1.4.3信號的周期延拓
1.4.4信號的抽樣
1.5信號的分解
1.5.1直流分量與交流分量
1.5.2偶分量與奇分量
1.5.3實部分量與虛部分量
1.6系統(tǒng)的分類
1.6.1連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)
1.6.2動態(tài)系統(tǒng)和即時系統(tǒng)
1.6.3線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)
1.6.4時不變系統(tǒng)和時變系統(tǒng)
1.6.5因果系統(tǒng)和非因果系統(tǒng)
習(xí)題
第2章線性時不變連續(xù)時間系統(tǒng)的時域分析
2.1線性時不變系統(tǒng)的微分方程求解
2.1.1線性時不變系統(tǒng)的解的構(gòu)成
2.1.2系統(tǒng)微分方程的求解
2.1.3系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)
2.2卷積求零狀態(tài)響應(yīng)
2.2.1信號的脈沖分量分解
2.2.2卷積的概念
2.2.3卷積的圖解方法
2.2.4卷積的性質(zhì)
習(xí)題
第3章線性時不變離散時間系統(tǒng)的時域分析
3.1離散時間系統(tǒng)的差分方程描述
3.1.1離散時間系統(tǒng)的差分方程
3.1.2線性時不變離散時間系統(tǒng)的框圖表示
3.2線性常系數(shù)差分方程的求解
3.2.1迭代法
3.2.2時域經(jīng)典法
3.2.3單位樣值響應(yīng)
3.3卷積和求零狀態(tài)響應(yīng)
3.3.1卷積和的概念
3.3.2卷積和的計算
3.3.3卷積和的性質(zhì)
習(xí)題
第4章連續(xù)周期信號的傅里葉級數(shù)
4.1信號的正交分解
4.1.1正交向量和向量正交分解
4.1.2正交函數(shù)
4.1.3信號在函數(shù)空間的正交分解
4.2周期信號傅里葉級數(shù)的概念
4.2.1完備正交三角函數(shù)集和完備正交復(fù)指數(shù)函數(shù)集
4.2.2三角函數(shù)形式和復(fù)指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)
4.2.3信號的頻譜特性
習(xí)題
第5章連續(xù)信號的傅里葉變換
5.1非周期信號的傅里葉變換
5.1.1傅里葉變換的概念
5.1.2典型信號的傅里葉變換
5.2傅里葉變換的性質(zhì)
5.3周期信號的傅里葉變換
5.3.1周期信號傅里葉變換的概念
5.3.2延拓周期信號的傅里葉變換
5.4脈沖抽樣信號的傅里葉變換和抽樣定理
5.4.1時域抽樣和頻域抽樣
5.4.2時域抽樣定理和頻域抽樣定理
5.4.3時域信號的恢復(fù)
習(xí)題
第6章拉普拉斯變換
6.1拉普拉斯變換的概念
6.1.1雙邊拉普拉斯變換及其收斂域
6.1.2拉普拉斯變換及其收斂域
6.1.3常用函數(shù)的拉普拉斯變換
6.1.4拉普拉斯變換的零、極點
6.1.5拉普拉斯變換與傅里葉變換的關(guān)系
6.2拉普拉斯變換的性質(zhì)
6.3拉普拉斯逆變換
6.4拉普拉斯變換求解線性時不變系統(tǒng)
6.4.1拉普拉斯變換求解線性常系數(shù)微分方程
6.4.2拉普拉斯變換求解線性時不變電路
6.5系統(tǒng)函數(shù)及其應(yīng)用
6.5.1系統(tǒng)函數(shù)的概念
6.5.2由系統(tǒng)函數(shù)的極點分布分析系統(tǒng)響應(yīng)的特征
6.5.3由系統(tǒng)函數(shù)的極點分布分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性
6.6系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性
6.6.1系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的概念
6.6.2由系統(tǒng)函數(shù)的零、極點分布分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性
習(xí)題
第7章離散周期信號的傅里葉級數(shù)
7.1離散周期信號傅里葉級數(shù)的概念
7.1.1離散信號的正交分解
7.1.2正交離散復(fù)指數(shù)函數(shù)集
7.1.3離散傅里葉級數(shù)
7.2離散和連續(xù)周期信號傅里葉級數(shù)的關(guān)系
7.2.1離散周期信號傅里葉級數(shù)和連續(xù)周期信號傅里葉級數(shù)
7.2.2誤差分析
習(xí)題
第8章離散非周期信號的離散時間傅里葉變換
8.1離散時間傅里葉變換
8.1.1離散時間傅里葉變換的概念
8.1.2離散時間傅里葉變換的性質(zhì)
8.2離散時間傅里葉變換和其他變換的關(guān)系
8.2.1離散時間傅里葉變換和連續(xù)非周期信號傅里葉變換的關(guān)系
8.2.2離散時間傅里葉變換和離散傅里葉級數(shù)的關(guān)系
8.2.3誤差分析
習(xí)題
第9章Z變換
9.1Z變換的概念
9.1.1Z變換及其收斂域
9.1.2序列形式及其Z變換的收斂域
9.1.3常見信號的Z變換
9.1.4Z變換的零、極點
9.2Z變換的性質(zhì)
9.3逆Z變換
9.3.1冪級數(shù)展開法
9.3.2部分分式展開法
9.4Z變換和其他變換的關(guān)系
9.4.1Z變換與離散時間傅里葉變換的關(guān)系
9.4.2連續(xù)信號拉普拉斯變換和其數(shù)值抽樣信號Z變換的關(guān)系
9.5用Z變換求解常系數(shù)線性差分方程
9.6系統(tǒng)函數(shù)和系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性
9.6.1系統(tǒng)函數(shù)
9.6.2系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性
9.6.3離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)的關(guān)系——沖激響應(yīng)不變
9.6.4由系統(tǒng)函數(shù)的極點分布分析系統(tǒng)響應(yīng)的特征
9.6.5由系統(tǒng)函數(shù)的零、極點分析系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性
9.6.6由系統(tǒng)函數(shù)的極點分布分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性
習(xí)題
第10章離散傅里葉變換和快速傅里葉變換
10.1四種形式信號傅里葉分析的比較
10.2離散傅里葉變換
10.2.1離散傅里葉變換的概念
10.2.2離散傅里葉變換的誤差分析
10.3離散傅里葉變換的性質(zhì)
10.4快速傅里葉變換
10.5離散傅里葉變換的應(yīng)用
10.5.1信號的頻譜分析
10.5.2快速卷積
習(xí)題
第11章模擬和數(shù)字濾波器
11.1信號不失真?zhèn)鬏?br />11.2理想模擬濾波器和系統(tǒng)物理可實現(xiàn)條件
11.3模擬濾波器——巴特沃茲低通濾波器
11.3.1巴特沃茲濾波器特性
11.3.2巴特沃茲濾波器逼近
11.4數(shù)字濾波器
11.4.1無限沖激響應(yīng)濾波器
11.4.2有限沖激響應(yīng)濾波器
習(xí)題