信號與線性系統(tǒng)分析

前言

“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息、自動控制、通信工程、電氣工程等電類專業(yè)的主干課程，也是這些學(xué)科研究生入學(xué)考試的一門重要課程。該課程是一門理論性與應(yīng)用性并重的課程，它以“高等數(shù)學(xué)”、“工程數(shù)學(xué)”、“電路分析基礎(chǔ)”等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)“數(shù)字信號處理”、“通信原理”、“自動控制原理”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的重要作用。因此，如何有效地提高“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，讓學(xué)生具備扎實(shí)的信號與系統(tǒng)分析的基本方法和理論，為后續(xù)專業(yè)課程培養(yǎng)數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念相互結(jié)合的學(xué)習(xí)方法和思維方法，是一項(xiàng)具有重要意義的工作。但是長期以來，由于“信號與系統(tǒng)”課程本身的特點(diǎn)，該課程主要依靠傳統(tǒng)黑板式的單一教學(xué)方式來進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生僅依靠做習(xí)題來鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，一定程度上影響和制約了該課程的教學(xué)效果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）該課程強(qiáng)調(diào)對數(shù)學(xué)概念、物理概念及工程概念的理解和統(tǒng)一，對數(shù)學(xué)要求較高，理論分析結(jié)果往往來源于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算及推導(dǎo)，這就可能導(dǎo)致學(xué)生將大量的時(shí)間用于手工數(shù)學(xué)運(yùn)算，過度關(guān)注信號與系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)過程，而忽視了分析結(jié)果在信號處理中的實(shí)際應(yīng)用。因此學(xué)生迫切需要一種工具軟件來輔助完成課程中的數(shù)值計(jì)算與分析。（2）由于黑板式的單一教學(xué)模式，課程中大量二維、三維的信號與系統(tǒng)分析過程和結(jié)果缺乏可視化的準(zhǔn)確表現(xiàn)，一定程度上影響了學(xué)生對所學(xué)知識的深入理解和掌握。（3）由于缺乏交互式的仿真實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在一定的被動性，特別是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)雜的手工數(shù)學(xué)計(jì)算后，往往不能直觀地得到系統(tǒng)的可視化測試結(jié)果，一定程度制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。因此，該課程迫切需要進(jìn)行教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，即改革傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，將計(jì)算機(jī)仿真引入到“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)中來，實(shí)現(xiàn)在交互式的可視化實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，以計(jì)算機(jī)為輔助教學(xué)手段，用信號分析軟件幫助學(xué)生完成數(shù)值計(jì)算、信號與系統(tǒng)分析的可視化建模及仿真，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

本書是高等學(xué)校電子信息、自動控制、通信工程、電氣工程等電類專業(yè) “信號與系統(tǒng)”課程的配套教材，為“信號與系統(tǒng)”計(jì)算機(jī)仿真實(shí)踐專用教材。    本書針對“信號與系統(tǒng)”課程，應(yīng)用MATLAB具體形象地演繹“信號與系統(tǒng)”課程中的基本概念和理論方法，在介紹MATLAB使用方法的同時(shí)，通過大量應(yīng)用實(shí)例，全面系統(tǒng)地介紹利用MATLAB進(jìn)行信號與系統(tǒng)分析的基本原理、方法與實(shí)現(xiàn)過程。    本書的第1章至第6章，系統(tǒng)介紹MATLAB的基本操作、常用命令與函數(shù)、基本功能(數(shù)值計(jì)算、符號運(yùn)算、圖形處理)及使用方法、圖形用戶界面設(shè)計(jì)以及MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法，為運(yùn)用MATLAB進(jìn)行信號與系統(tǒng)分析打下基礎(chǔ)。本書的第7章至第13章，通過大量的應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)介紹運(yùn)用MATLAB進(jìn)行信號與系統(tǒng)分析及計(jì)算機(jī)仿真的基本原理、方法與實(shí)現(xiàn)過程，重點(diǎn)介紹基于MA TLAB的信號與系統(tǒng)時(shí)域、頻域、復(fù)頻域及z域分析方法與實(shí)現(xiàn)。    本書7-13章附有上機(jī)習(xí)題，讀者可通過這些上機(jī)習(xí)題掌握和實(shí)踐應(yīng)用MATLA B進(jìn)行信號與系統(tǒng)分析的方法和過程。為方便讀者學(xué)習(xí)和實(shí)踐，本書中的所有應(yīng)用實(shí)例源代碼將以隨書光盤形式提供給讀者。    本書構(gòu)思新穎，內(nèi)容豐富、翔實(shí)，可操作性強(qiáng)，是學(xué)生上機(jī)實(shí)踐的良好指導(dǎo)書，是教師備課制作電子教案有價(jià)值的參考資料。本書可供高等學(xué)校電子類專業(yè)的教師、本科生及研究生使用，也可供從事信號與系統(tǒng)分析、信號處理的科研人員以及對利用MATLAB進(jìn)行信號與系統(tǒng)分析與實(shí)現(xiàn)感興趣的讀者參考。

書籍目錄

第1章 MATLAB入門與操作　1.1 MATLAB概述　1.2 安裝MATLAB　1.3 啟動與退出MATLAB　　1.3.1 啟動MATLAB　　1.3.2 退出MATLAB　1.4 MATLAB的操作桌面（Desktop）　1.5 MATLAB命令窗口的基本操作　　1.5.1 命令行操作　　1.5.2 變量、數(shù)值與表達(dá)式　　1.5.3 MATLAB的命令格式　1.6 MATLAB的常用命令與操作　　1.6.1 工作空間（Workspacc）及操作　　1.6.2 常用操作命令　　1.6.3 MATLAB的命令行編輯　1.7 MATLAB的幫助系統(tǒng)　　1.7.1 聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng)　　1.7.2 獲取文本幫助信息　　1.7.3 MATLAB的聯(lián)機(jī)演示系統(tǒng)（Dcmo）第2章 MATLAB的數(shù)值計(jì)算　2.1 矩陣、數(shù)組與函數(shù)　2.2 矩陣的創(chuàng)建、編輯與保存　　2.2.1 創(chuàng)建矩陣　　2.2.2 編輯矩陣　　2.2.3 保存矩陣　2.3 向量的生成　2.4 矩陣元素的引用與賦值　2.5 利用子矩陣生成大矩陣　2.6 矩陣變換　2.7 MATLAB的基本運(yùn)算　　2.7.1 數(shù)組運(yùn)算與矩陣運(yùn)算　　2.7.2 關(guān)系運(yùn)算　　2.7.3 邏輯運(yùn)算　2.8 常用矩陣運(yùn)算函數(shù)　2.9 常用數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)　2.10 多項(xiàng)式及其運(yùn)算　　2.10.1 多項(xiàng)式的表達(dá)與創(chuàng)建　　2.10.2 多項(xiàng)式運(yùn)算第3章 MATLAB的符號運(yùn)算　3.1 符號對象　　3.1.1 符號運(yùn)算入門　　3.1.2 定義符號變量　　3.1.3 定義符號表達(dá)式和符號方程　　3.1.4 定義抽象函數(shù)和符號數(shù)學(xué)函數(shù)　3.2 符號算術(shù)運(yùn)算　　3.2.1 定義符號矩陣　　3.2.2 符號矩陣的加、減運(yùn)算　　3.2.3 符號矩陣的乘、除運(yùn)算　　3.2.4 符號變量替換　3.3 符號微積分運(yùn)算　　3.3.1 符號表達(dá)式中變量的確定　　3.3.2 符號微分運(yùn)算　　3.3.3 符號積分運(yùn)算　　3.3.4 符號微分和積分運(yùn)算綜合示例　3.4 符號函數(shù)的可視化　　3.4.1 繪制二維符號函數(shù)曲線　　3.4.2 繪制三維符號函數(shù)曲線第4章 MATLAB程序設(shè)計(jì)語言　4.1 MATLAB語言簡介　4.2 M文件　　4.2.1 M腳本文件　　4.2.2 M函數(shù)文件　4.3 M文件的創(chuàng)建、保存與編輯　　4.3.1 啟動M文件編輯器　　4.3.2 創(chuàng)建新M文件　　4.3.3 編輯M文件　　4.3.4 保存M文件　　4.3.5 運(yùn)行M文件　　4.3.6 MATLAB的搜索路徑　4.4 變量的作用域　4.5 M文件的程序流程控制　　4.5.1 for循環(huán)結(jié)構(gòu)　　4.5.2 while循環(huán)結(jié)構(gòu)　　4.5.3 if分支結(jié)構(gòu)　　4.5.4 switch-case結(jié)構(gòu)　　4.5.5 其他程序流控制命令第5章 MATLAB的數(shù)據(jù)圖形可視化　5.1 二維圖形的繪制　　5.1.1 繪制二維曲線　　5.1.2 繪制離散序列圖　　5.1.3 二維圖形的修飾　5.2 三維圖形的繪制　　5.2.1 三維折線及曲線的基本繪圖命令　　5.2.2 繪制三維網(wǎng)格曲面　　5.2.3 繪制三維陰影曲面　　5.2.4 三維圖形的視角變換　5.3 圖形窗口的控制與表現(xiàn)　　5.3.1 創(chuàng)建或打開圖形窗口　　5.3.2 圖形重疊　　5.3.3 圖形窗口分割　5.4 圖形對象及其屬性設(shè)置　　5.4.1 MATLAB的圖形對象　　5.4.2 句柄——圖形對象的標(biāo)識　　5.4.3 圖形對象屬性的獲取與設(shè)定　　5.4.4 圖形對象常用屬性　　5.4.5 MATLAB的圖形可視編輯工具第6章 圖形用戶界面（GU0）設(shè)計(jì)　6.1 MATLAB的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE）　6.2 利用CUIDE創(chuàng)建、設(shè)計(jì)和保存CUI　6.3 編程控制GUI第7章 信號的可視化及時(shí)域運(yùn)算與變換　7.1 信號的可視化　　7.1.1 連續(xù)時(shí)間信號　　7.1.2 離散時(shí)間信號　7.2 基本時(shí)間信號的圖形可視化　　7.2.1 基本連續(xù)信號的可視化　　7.2.2 基本離散序列的可視化　7.3 用MATLAB生成標(biāo)準(zhǔn)信號波形　7.4 信號的時(shí)域運(yùn)算和變換與MATLAB實(shí)現(xiàn)　　7.4.1 信號的時(shí)域運(yùn)算　　7.4.2 連續(xù)信號的時(shí)域變換　　7.4.3 離散序列的時(shí)域變換　上機(jī)習(xí)題第8章 基于MATLAB的LTI系統(tǒng)時(shí)域分析與實(shí)現(xiàn)　8.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)　　8.1.1 LTI連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　　8.1.2 用MATLAB求LTI連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的響應(yīng)　　8.1.3 LTI連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)沖激響應(yīng)與MATLAB實(shí)現(xiàn)　　8.1.4 LTI連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)階躍響應(yīng)與MATLAB實(shí)現(xiàn)　8.2 離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)　　8.2.1 LTI離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型　　8.2.2 用MATLAB求LTI離散時(shí)間系統(tǒng)的響應(yīng)　　8.2.3 用MATLAB求LTI離散時(shí)間系統(tǒng)的單位序列響應(yīng)　8.3 離散時(shí)間序列卷積和與MATLAB實(shí)現(xiàn)　　8.3.1 卷積和　　8.3.2 卷積和的MATLAB實(shí)現(xiàn)　8.4 卷積積分與MATLAB實(shí)現(xiàn)　　8.4.1 卷積積分　　8.4.2 卷積積分的MATLAB實(shí)現(xiàn)　上機(jī)習(xí)題第9章 周期信號的傅里葉級數(shù)分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)　9.1 周期信號的傅里葉級數(shù)　　9.1.1 三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù)　　9.1.2 指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)　　9.1.3 三角函數(shù)形式和指數(shù)形式傅里葉級數(shù)之間的關(guān)系　　9.1.4 利用MATuB實(shí)現(xiàn)周期信號的分解與合成　9.2 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)周期信號的頻譜分析　　9.2.1 周期信號的頻譜　　9.2.2 利用MATLAB觀察和分析周期信號的頻譜　9.3 典型周期信號的頻譜分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)　　9.3.1 周期方波信號　　9.3.2 周期鋸齒脈沖信號　　9.3.3 周期三角脈沖信號　上機(jī)習(xí)題第10章 連續(xù)信號與系統(tǒng)的頻域分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)　10.1 連續(xù)時(shí)間信號的頻域分析　　10.1.1 傅里葉變換及MATLAB實(shí)現(xiàn)　　10.1.2 非周期信號的頻譜　10.2 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)典型非周期信號的頻譜分析　　10.2.1 門信號　　10.2.2 沖激信號　　10.2.3 直流信號　　10.2.4 階躍信號　10.3 連續(xù)時(shí)間信號傅里葉變換的數(shù)值近似　10.4 傅里葉變換的性質(zhì)　　10.4.1 對稱性　　10.4.2 尺度變換　　10.4.3 時(shí)移特性　　10.4.4 頻移特性　　10.4.5 時(shí)域卷積定理　　10.4.6 頻域卷積定理　10.5 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的頻域分析　　10.5.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的頻率響應(yīng)H（jw）　　10.5.2 利用MATLAB分析連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的頻域特性　上機(jī)習(xí)題第11章 連續(xù)時(shí)間信號的采樣與重構(gòu)　11.1 采樣定理及MATLAB實(shí)現(xiàn)　11.2 由樣本重構(gòu)信號　上機(jī)習(xí)題第12章 連續(xù)信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)　12.1 拉普拉斯變換及MATLAB實(shí)現(xiàn)　　12.1.1 拉普拉斯變換　　12.1.2 利用MATLAB符號運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)拉普拉斯變換　　12.1.3 拉普拉斯逆變換的MATLAB實(shí)現(xiàn)　12.2 拉普拉斯變換曲面圖及其可視化　　12.2.1 拉普拉斯變換曲面圖　　12.2.2 拉普拉斯變換曲面圖的MATLAB實(shí)現(xiàn)　12.3 通過曲面圖觀察和分析拉普拉斯變換的性質(zhì)　　12.3.1 尺度變換特性　　12.3.2 復(fù)頻移特性　　12.3.3 時(shí)移特性　12.4 由拉普拉斯曲面圖觀察分析頻域與復(fù)頻域的關(guān)系　12.5 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零、極點(diǎn)分析與MATLAB實(shí)現(xiàn)　　12.5.1 系統(tǒng)函數(shù)及其零、極點(diǎn)　　12.5.2 利用MATAB繪制連續(xù)系統(tǒng)零、極點(diǎn)分布圖　　12.5.3 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的零、極點(diǎn)分析　上機(jī)習(xí)題第13章 離散系統(tǒng)的Z域分析與MATLAB實(shí)現(xiàn)　13.1 z變換及其MATLAB實(shí)現(xiàn)　　13.1.1 z變換　　13.1.2 利用MATLAB的符號運(yùn)算實(shí)現(xiàn)z變換　　13.1.3 逆z變換的MATLAB實(shí)現(xiàn)　13.2 離散時(shí)間系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)及其零、極點(diǎn)　　13.2.1 系統(tǒng)函數(shù)　　13.2.2 系統(tǒng)函數(shù)的零、極點(diǎn)　　13.2.3 用MAYLAB實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)模型與零、極點(diǎn)增益模型的轉(zhuǎn)換　13.3 利用MATLAB繪制離散系統(tǒng)零、極點(diǎn)分布圖　13.4 用MATLAB實(shí)現(xiàn)離散系統(tǒng)零、極點(diǎn)分析　　13.4.1 零、極點(diǎn)分布與系統(tǒng)時(shí)域特性　　13.4.2 零、極點(diǎn)分布與系統(tǒng)穩(wěn)定性　13.5 離散系統(tǒng)的頻率特性分析與MATLAB實(shí)現(xiàn)　　13.5.1 離散系統(tǒng)的頻率響應(yīng)　　13.5.2 用MATLAB實(shí)現(xiàn)離散系統(tǒng)頻率特性分析　　13.5.3 使用MATLAB的離散系統(tǒng)特性分析工具　上機(jī)習(xí)題附錄 MATLAB常用函數(shù)表

章節(jié)摘錄

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