信號與係統（第二版）/普通高等教育電子通信類國傢級特色專業係列規劃教材 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

信號與係統（第二版）根據高等工科學校信號與係統課程教學基本要求編寫。信號與係統（第二版）共分7章：信號與係統概論；ＬＴＩ係統的時域分析法；信號與係統的頻域分析；連續信號與係統的復頻域分析；離散信號與係統的狕域分析；狀態變量分析法；信號與係統的ＭAＴＬAＢ輔助分析；並在最後附有每章的部分習題答案。信號與係統（第二版）概念準確，重點突齣，結構清晰，文字精練，例題豐富，圖文並茂，深入淺齣，易教易讀。

內頁插圖

目錄

第1章　信號與係統概論1
1．1　緒言1
1．2　信號的描述及分類2
1．2．1　信號的描述2
1．2．2　信號的分類3
1．3　典型信號6
1．3．1　典型連續信號6
1．3．2　奇異函數8
1．3．3　典型離散信號16
1．4　信號的基本運算21
1．4．1　信號的相加與相乘21
1．4．2　信號的反摺、平移和壓擴21
1．4．3　連續信號的微分和積分24
1．4．4　離散信號的差分和纍加25
1．5　信號的分解26
1．5．1　偶分量與奇分量26
1．5．2　奇諧函數和偶諧函數27
1．5．3　直流分量和交流分量27
1．5．4　脈衝分量28
1．5．5　實部分量和虛部分量28
1．6　係統的描述及其分類29
1．6．1　係統的基本概念29
1．6．2　係統模型29
1．6．3　係統的分類33
1．7　係統的時域模擬38
1．7．1　基本運算器39
1．7．2　連續係統的模擬框圖39
1．7．3　離散係統的模擬框圖40
1．8　信號與係統分析方法及應用
概述41
習題42
第2章　犔犜犐係統的時域分析法47
2．1　ＬＴＩ連續係統的時域經典分析法47
2．1．1　微分方程的經典解47
2．1．2　初始值的確定50
2．1．3　零輸入響應、零狀態響應和全響應51
2．2　ＬＴＩ離散係統的時域經典分析法54
2．2．1　差分方程的經典解54
2．2．2　零輸入響應、零狀態響應和全響應57
2．3　ＬＴＩ連續係統的單位衝激響應60
2．3．1　單位衝激響應和單位階躍響應60
2．3．2　單位衝激響應犺（狋）的求取方法60
2．4　ＬＴＩ離散係統的單位序列響應66
2．4．1　單位序列響應和單位階躍序列響應66
2．4．2　單位序列響應犺（犽）的求取方法66
2．5　捲積積分71
2．5．1　ＬＴＩ連續係統的零狀態響應錶示為捲積積分71
2．5．2　捲積的基本計算方法73
2．5．3　捲積的存在性簡介77
2．5．4　捲積的性質78
2．5．5　利用捲積求零狀態響應84
2．6　捲積和86
2．6．1　ＬＴＩ離散係統的零狀態響應錶示為捲積和86
2．6．2　捲積和的求取方法87
2．6．3　捲積和的性質90
2．6．4　利用捲積和求零狀態響應91
習題93
第3章　信號與係統的頻域分析98
3．1　信號分解為正交函數98
3．1．1　矢量錶示為正交矢量集98
3．1．2　正交函數集99
3．1．3　信號分解為正交函數100
3．2　連續周期信號的傅裏葉級數102
3．2．1　三角函數型傅裏葉級數102
3．2．2　指數型傅裏葉級數104
3．2．3　微分衝激法求取傅裏葉係數105
3．3　連續周期信號的頻譜和功率譜108
3．3．1　周期信號的頻譜108
3．3．2　周期信號的平均功率和功率譜112
3．4　連續非周期信號的頻譜———傅裏葉變換114
3．4．1　從傅裏葉級數到傅裏葉變換114
3．4．2　非周期信號頻譜的物理意義及其特性116
3．4．3　傅裏葉變換的存在性118
3．4．4　能量譜和功率譜118
3．4．5　典型信號的傅裏葉變換121
3．5　傅裏葉變換的性質126
3．5．1　綫性性質126
3．5．2　對稱性126
3．5．3　尺度壓擴性質（反比特性） 127
3．5．4　時移性質128
3．5．5　頻移性質130
3．5．6　捲積定理133
3．5．7　時域微分性質135
3．5．8　時域積分性質135
3．5．9　頻域微分性質138
3．5．10　頻域積分性質138
3．6　ＬＴＩ連續係統的頻域分析140
3．6．1　基本信號激勵下連續係統的頻域分析140
3．6．2　周期信號激勵下連續係統的頻域分析141
3．6．3　非周期信號激勵下連續係統的頻域分析143
3．6．4　微分方程的頻域解144
3．7　ＬＴＩ連續係統的頻率響應犎（ｊω） 145
3．7．1　ＬＴＩ連續係統頻率響應犎（ｊω）的定義145
3．7．2　頻率響應犎（ｊω）的性質簡介146
3．7．3　頻率響應犎（ｊω）的求取147
3．7．4　信號的無失真傳輸和理想低通濾波器的響應（頻域分析法的應用） 149
3．8　取樣定理155
3．8．1　信號的取樣155
3．8．2　取樣定理158
3．9　調製與多路復用162
3．9．1　調製與解調162
3．9．2　多路復用165
3．10　離散信號的頻域分析168
3．10．1　周期序列的離散時間傅裏葉級數（ＤＴＦＳ） 168
3．10．2　非周期序列的離散時間傅裏葉變換（ＤＴＦＴ） 170
3．10．3　離散傅裏葉變換（ＤＦＴ） 172
習題176
第4章　連續信號與係統的復頻域分析186
4．1　拉普拉斯變換186
4．1．1　拉普拉斯變換的定義186
4．1．2　拉普拉斯變換的物理意義189
4．1．3　典型信號的拉普拉斯變換190
4．2　拉普拉斯變換的性質191
4．2．1　綫性性質192
4．2．2　尺度壓擴性質（比例性） 192
4．2．3　時延性質192
4．2．4　復頻移性質194
4．2．5　時域微分性質194
4．2．6　時域積分性質196
4．2．7　復頻域微分性質197
4．2．8　復頻域積分性質198
4．2．9　捲積定理199
4．2．10　初值定理200
4．2．11　終值定理201
4．3　拉普拉斯反變換203
4．3．1　部分分式展開法203
4．3．2　留數法（圍綫積分法） 207
4．4　拉普拉斯變換與傅裏葉變換的關係209
4．5　ＬＴＩ連續係統的復頻域分析法211
4．5．1　基本復指數信號ｅ狊狋激勵下的零狀態響應211
4．5．2　任意信號犳（狋）激勵下的零狀態響應211
4．5．3　微分方程的復頻域解212
4．5．4　電路的復頻域分析215
4．6　ＬＴＩ連續係統的復頻域係統函數犎（狊） 220
4．6．1　係統函數犎（狊）的求法220
4．6．2　係統函數犎（狊）的零點和極點分布對係統特性的影響223
4．7　ＬＴＩ連續係統的穩定性236
4．7．1　關於係統穩定性的概念236
4．7．2　ＬＴＩ因果連續係統穩定性的一般判彆方法237
4．8　ＬＴＩ連續係統復頻域框圖和信號流圖240
4．8．1　ＬＴＩ連續係統復頻域的基本圖示法240
4．8．2　ＬＴＩ連續係統的復頻域模擬242
4．8．3　梅森公式及應用244
習題249
第5章　離散信號與係統的狕域分析258
5．1　犣變換258
5．1．1　從拉普拉斯變換到犣變換258
5．1．2　犣變換258
5．1．3　犣變換的收斂域（ＲＯＣ） 259
5．1．4　典型離散信號的犣變換261
5．2　犣變換的性質263
5．2．1　綫性性質263
5．2．2　時域乘犪犽（狕域尺度變換） 263
5．2．3　移序性質264
5．2．4　捲積和定理265
5．2．5　狕域微分性質（時域乘犽） 266
5．2．6　狕域積分性質（時域除犽） 267
5．2．7　序列部分和的犣變換268
5．2．8　初值定理268
5．2．9　終值定理269
5．3　犣反變換270
5．3．1　冪級數展開法270
5．3．2　部分分式展開法271
5．3．3　圍綫積分法（留數法） 273
5．3．4　單邊犣變換與拉普拉斯變換的關係275
5．3．5　犣變換與ＤＴＦＴ的關係277
5．4　ＬＴＩ離散係統的犣變換分析法278
5．4．1　基本信號狕犽激勵下的零狀態響應278
5．4．2　一般因果序列犳（犽）激勵下的零狀態響應278
5．4．3　差分方程的狕域求解279
5．5　離散係統函數犎（狕）與係統特性283
5．5．1　係統函數犎（狕）及其零極圖283
5．5．2　因果係統犎（狕）的極點分布與單位序列響應犺（犽）模式的關係283
5．5．3　犎（狕）的零極點分布對係統頻率特性犎（ｅｊΩ）的影響285
5．5．4　係統函數犎（狕）與ＬＴＩ因果離散係統的穩定性290
5．6　ＬＴＩ離散係統的狕域模擬框圖和信號流圖292
5．6．1　狕域基本運算器292
5．6．2　ＬＴＩ離散係統的狕域模擬293
習題294
第6章　狀態變量分析法300
6．1　狀態、狀態變量和動態方程300
6．1．1　連續係統的動態方程300
6．1．2　離散係統的動態方程302
6．2　動態方程的建立303
6．2．1　ＬＴＩ連續係統動態方程的建立303
6．2．2　ＬＴＩ離散係統動態方程的建立314
6．3　ＬＴＩ連續係統動態方程的求解315
6．3．1　用拉普拉斯變換法求解動態方程315
6．3．2　用時域分析法求解動態方程318
6．4　ＬＴＩ離散係統動態方程的求解323
6．4．1　用犣變換法求解動態方程324
6．4．2　用時域分析法求解動態方程326
6．5　係統的可控製性和可觀測性329
6．5．1　狀態矢量的綫性變換329
6．5．2　係統的可控製性及一般判定方法331
6．5．3　係統的可觀測性及一般判定方法334
6．5．4　可控製性和可觀測性與係統
函數335
習題338
第7章　信號與係統的犕犃犜犔犃犅輔助分析345
7．1　ＭAＴＬAＢ簡介345
7．1．1　ＭAＴＬAＢ中的數值計算345
7．1．2　ＭAＴＬAＢ中的語言與基本語法349
7．2　信號與係統時域分析的ＭAＴＬAＢ實現351
7．2．1　連續信號的ＭAＴＬAＢ錶示351
7．2．2　離散信號的ＭAＴＬAＢ錶示358
7．2．3　用ＭAＴＬAＢ實現信號的基本運算360
7．2．4　ＬＴＩ係統時域分析的ＭAＴＬAＢ實現366
7．3　信號與係統變換域分析的ＭAＴＬAＢ實現373
7．3．1　連續信號與係統頻域分析的ＭAＴＬAＢ實現373
7．3．2　連續信號與係統狊域分析的ＭAＴＬAＢ實現385
7．3．3　離散信號與係統狕域分析的ＭAＴＬAＢ實現388
7．4　狀態變量分析法的ＭAＴＬAＢ實現393
7．4．1　動態方程的ＭAＴＬAＢ實現393
7．4．2　ＬＴＩ連續係統狀態變量分析的ＭAＴＬAＢ實現393
7．4．3　ＬＴＩ離散係統狀態變量分析的ＭAＴＬAＢ實現395
7．4．4　係統可觀測性和可控製性的ＭAＴＬAＢ實現396
習題397
部分習題答案399
參考文獻419

精彩書摘

第1章　信號與係統概論
本章應用平行相似的手法分彆介紹連續信號與離散信號的描述和分類、連續係統與離散係統的特點和分類，以及係統的時域數學模型和時域框圖模型。
1.1 緒　　言
大韆世界，林林總總。然而，無論自然界和人類社會如何變化多端、奧妙無窮，最終卻總能被人的意識所感知，信號與係統承擔著客觀存在與主觀意識之間的信息傳遞任務，通信就是通過信號與係統來實現這種傳遞的過程。
任何客觀存在都有其自身的物理形態，例如，語言以聲音錶示；圖像以光和色彩錶示；科研工作或曆史事件可用文字記載；經濟形勢用數據列錶，等等。通常，人們將這些具有某種內容的語言文字、聲訊圖像及統計數據等稱為消息，如果這些消息是人們所需要的便叫做信息，信號是攜帶消息的隨時間變化的物理量，它嚮人們傳遞信息。信號是消息的具體錶現形式，它的形態根據其具有物理形態的不同而不同。信號分為電信號、聲信號、光信號等，不同形態的信號之間可以相互轉換，例如，以亮度和色彩變化錶示的光信號可以轉換成以電壓或電流錶示的電信號；反之，電信號也可以轉換成光信號。本書以討論電信號為主。
在通信過程中，信號通過係統來傳輸。著名科學傢錢學森先生說：“係統是由相互製約又相互作用的個體所組成的具有一定功能的整體”。錢先生的話，準確地詮釋瞭係統的概念。例如，電路係統由開關、電阻、電容、電感、導綫和半導體集成電路等元器件所組成，在外加電壓信號或電流信號的激勵下，電路內部各支路的電壓和電流將發生變化，這些變化的電壓和電流稱為電路係統的響應。在某種激勵的作用下電路産生瞭某種響應，便是該電路係統的功能。本課程所研究的對象與先修課程“電路分析”所研究的對象同是電信號與電路係統，但“電路分析”更多地從微觀的角度關注構成係統的電路內各支路電信號的變化；而係統分析則是從宏觀的角度研究由電路構成的係統的輸入激勵與輸齣響應之關係。在某種意義上，電路與係統以及網絡的概念是可以通用的。
信號與係統緊密關聯，是相互依存的整體。信號由係統産生、發送、傳輸與接收，在係統中信號按一定的規律運動和變化；係統則是對信號進行加工、變換、處理和傳輸，沒有信號的係統沒有存在的意義。因此，在實際應用中，信號與係統需相互協調，纔能實現各自的功能，兩者共存共榮，共同發展。信號與係統的這種協調一緻的現象稱為信號與係統的“匹配”。事實上，在我們生活的各個領域，信號與係統的理念隨處可見。例如，語言通過聲音信號在空氣中傳播，聲音和空氣就是最普通的信號與係統。
人類通信的曆史，就是信號與係統的發展史。公元前700年，中國人最先將信號與係統應用於長途通信，我們的先祖用烽火颱來傳遞警報，滾滾狼煙和衝天的火光，是外敵來犯的信號，烽火颱便是古老的通信係統。但是，這樣的通信係統不能傳輸事先沒約定的未知信號，直到18世紀法國人夏普發明瞭在烽火颱上安裝巨大的木製手臂，通過兩端的木闆變化來傳遞各種信號。19世紀，隨著電力學的發展，通信技術發生瞭質的飛躍。1832年41歲的美國畫傢莫爾斯，在迴美國的輪船上碰見有人展示一種叫“電磁鐵”的新器件並講述電磁原理，他萌生瞭發明電報的欲望。1837年，在經過反復的試驗後他研製齣最早的電磁式電報係統，並在1838年創造瞭點劃組閤的莫爾斯電碼信號，使電報通信進入實用階段，揭開瞭人類通信史新的一頁。
1875年6月2日，美國發明傢貝爾在實驗中意外地發現，當電流導通和截止時，螺鏇形綫圈裏會發生輕微的沙沙聲，他因此想到用電流強度的變化來模擬聲波的變化，從而使用電導綫來傳送語音信號，並隨之投身研究。1876年，21歲的貝爾比他人早一個小時嚮專利局申請專利權並獲得瞭成功。這種將聲音信號轉變成電信號並經過電話係統傳輸齣去的發明依然是今天在我們身邊最流行的現代通信手段之一。
20世紀末，隨著高速計算機技術、全球衛星定位技術、數字信號處理技術和以光波為載體，以光縴為傳輸介質的光縴通信係統的發展，推動瞭遠距離大容量信息傳輸技術和復雜信號處理技術的發展，最終推動瞭國際互聯網絡（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，因特網）係統的發展，標誌著信號與係統在通信領域的發展進入瞭嶄新的時代。
但是，無論通信技術如何進步，現代通信係統總是可以用圖1.1所示的框圖模型來錶示。
框圖中，發送端信號源發齣的非光電信號經過變換器轉變為光信號或電信號進入信道傳輸，接
收端的反變換器將信號還原成非光電信號，最後被信宿接收。
不管係統內部對信號做怎樣的轉換，係統對施加的信號總會作齣響應，産生另外的信號。施加於係統的信號叫做輸入信號或激勵（ｅｘｃｉｔｅ），可以用或錶示，係統産生的信號叫做係統的輸齣信號或響應（ｒｅｓｐｏｎｓｅ），可以用或錶示，係統犛（ｓｙｓｔｅｍｓ）的功能體現為什麼樣的激勵産生什麼樣的響應。所以，任何信號與係統的問題都可以在去其內涵以後，抽象地用圖1.2所示的框圖模型來錶示。
1.2　信號的描述及分類
1.2.1　信號的描述

信號可以用一個單變量或多變量的函數來錶示，因變量可以是各種物理量或數量，所以信
號可以代錶不同的物理形態或數值。自變量可以是時間、空間、頻率或其他形式量綱的變量，信號代錶不同物理形態的數學函數或函數的值，也具有不同的量綱。“信號與係統”學科將信號從各種不同的具體物理形態中抽象齣來，視為一般的數學函數，探討其在數學意義上變化的理論與分析方法。因此，“信號”與“函數”兩詞常常可以通用，隻有在接觸到具體應用問題時，纔將信號的物理形態和量綱考慮進去。信號有一維信號（一個自變量）和多維信號（多個自變量），本課程隻討論一維信號。
以時間狋為自變量，信號可以錶示為狋的函數，用函數犳（狋）、狔（狋）等錶徵。信號也可以描繪成隨時間變化的波形圖，信號在某一時刻的大小、信號持續時間的長短及信號變化的快慢等都可以從波形圖上反映齣來，信號的這一特性叫做信號的時間特性。例如，單邊指數衰減信號的函數錶達式為
信號在一定的條件下又可分解為不同頻率的正弦分量之和，正弦分量的振幅和初相位與頻率之間的關係叫做信號的頻率特性，信號的這一特性，可用以頻率犳或角頻率ω為自變量的數學函數來錶徵，例如。
信號的時間特性和頻率特性有著對應關係，但不同的時間特性將導緻不同的頻率特性，而不同形式的信號這兩種特性完全不一樣。
1.2.2　信號的分類
從不同的角度，可以將信號分為不同的類型。
1．確定信號與隨機信號
根據信號能否用確切函數來錶示，可將信號分為確定信號和隨機信號。
如果信號可以寫齣一個確定的時間函數錶達式，對於每一時刻狋都有確定的函數值與其對應，這樣的信號稱為確定信號，如矩形波信號，如圖1.4（A）所示。
隨機信號不能寫齣確定的時間函數錶達式，隻能用概率統計的方法來描述，即隻能預測它在某一個時刻是一個值的概率，而在該時刻的值卻是未知的，如圖1.4（ｂ）所示。
一般地說，凡是能夠用於傳遞信息的信號都是隨機信號。
隨機信號在一定的條件下能近似錶現為某種確定信號，所以本書僅研究確定信號，為後續課程研究隨機信號打下基礎。以下是確定信號的分類。
2．連續信號與離散信號
按照信號的時間自變量取值是否連續，信號可分為連續時間信號和離散時間信號。除瞭有限個間斷點以外，如果一個信號在任意時刻均有定義值，則稱其為連續信號。連續是
指時間自變量狋是連續變化的，而函數值可允許個彆時刻跳變，如圖1��5（A）所示信號
在狋0時刻發生瞭跳變。如果信號在時間狋和函數值犳（狋）皆連續變化，則稱為模擬信號，如
那些隻在一係列離散的瞬間有確切定義而在其他時刻無定義的信號叫做離散時間信號，
簡稱離散信號，用錶示。離散信號可以從連續信號等間隔時間犜取樣
得到，其自變量是離散時間為整數），而不是連續時間狋。在波形上

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