信號分析與處理

前言

　　自動化學科有著光榮的歷史和重要的地位，20世紀50年代我國政府就十分重視自動化學科的發(fā)展和自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)。五十多年來，自動化科學技術(shù)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，如航空、航天等，“兩彈一星”的偉大工程就包含了許多自動化科學技術(shù)的成果。自動化科學技術(shù)也改變了我國工業(yè)整體的面貌，不論是石油化工、電力、鋼鐵，還是輕工、建材、醫(yī)藥等領(lǐng)域都要用到自動化手段，在國防工業(yè)中自動化的作用更是巨大的。現(xiàn)在，世界上有很多非?；钴S的領(lǐng)域都離不開自動化技術(shù)，比如機器人、月球車等。另外，自動化學科對一些交叉學科的發(fā)展同樣起到了積極的促進作用，例如網(wǎng)絡控制、量子控制、流媒體控制、生物信息學、系統(tǒng)生物學等學科就是在系統(tǒng)論、控制論、信息論的影響下得到不斷的發(fā)展。在整個世界已經(jīng)進入信息時代的背景下，中國要完成工業(yè)化的任務還很重，或者說我們正處在后工業(yè)化的階段。因此，國家提出走新型工業(yè)化的道路和“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化”的科學發(fā)展觀，這對自動化科學技術(shù)的發(fā)展是一個前所未有的戰(zhàn)略機遇。　　機遇難得，人才更難得。要發(fā)展自動化學科，人才是基礎(chǔ)、是關(guān)鍵。高等學校是人才培養(yǎng)的基地，或者說人才培養(yǎng)是高等學校的根本。作為高等學校的領(lǐng)導和教師始終要把人才培養(yǎng)放在第一位，具體對自動化系或自動化學院的領(lǐng)導和教師來說，要時刻想著為國家關(guān)鍵行業(yè)和戰(zhàn)線培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的自動化技術(shù)人才?！　∮绊懭瞬排囵B(yǎng)的因素很多，涉及教學改革的方方面面，包括如何拓寬專業(yè)口徑、優(yōu)化教學計劃、增強教學柔性、強化通識教育、提高知識起點、降低專業(yè)重心、加強基礎(chǔ)知識、強調(diào)專業(yè)實踐等，其中構(gòu)建融會貫通、緊密配合、有機聯(lián)系的課程體系，編寫有利于促進學生個性發(fā)展、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教材尤為重要。清華大學吳澄院士領(lǐng)導的《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會，根據(jù)自動化學科對自動化技術(shù)人才素質(zhì)與能力的需求，充分吸取國外自動化教材的優(yōu)勢與特點，在全國范圍內(nèi)，以招標方式，組織編寫了這套自動化專業(yè)系　　列教材，這對推動高等學校自動化專業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)具有重要的意義。這套系列教材的建設有新思路、新機制，適應了高等學校教學改革與發(fā)展的新形勢，立足創(chuàng)建精品教材，重視實踐性環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)中的作用，采用了競爭機制，以激勵和推動教材建設。在此，我謹向參與本系列教材規(guī)劃、組織、編寫的老師致以誠摯的感謝，并希望該系列教材在全國高等學校自動化專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮應有的作用。　　教授　　2005年10月于教育部　　信號分析與處理（第2版）　　序　　《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會在對國內(nèi)外部分大學有關(guān)自動化專業(yè)的教材做深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，廣泛聽取了各方面的意見，以招標方式，組織編寫了一套面向全國本科生（兼顧研究生）、體現(xiàn)自動化專業(yè)教材整體規(guī)劃和課程體系、強調(diào)專業(yè)基礎(chǔ)和理論聯(lián)系實際的系列教材，自2006年起將陸續(xù)面世。全套系列教材共50多本，涵蓋了自動化學科的主要知識領(lǐng)域，大部分教材都配置了包括電子教案、多媒體課件、習題輔導、課程實驗指示書等立體化教材配件。此外，為強調(diào)落實“加強實踐教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才”的教學改革思想，還特別規(guī)劃的一組專業(yè)實驗教程，包括《自動控制原理實驗教程》、《運動控制實驗教程》、《過程控制實驗教程》、《檢測技術(shù)實驗教程》和《計算機控制系統(tǒng)實驗教程》等?！　∽詣踊茖W技術(shù)是一門應用性很強的學科，面對的是各種各樣錯綜復雜的系統(tǒng)，控制對象可能是確定性的、也可能是隨機性的，控制方法可能是常規(guī)控制、也可能需要優(yōu)化控制。這樣的學科專業(yè)人才應該具有什么樣的知識結(jié)構(gòu)，又應該如何通過專業(yè)教材來體現(xiàn)，這正是“系列教材編審委員會”規(guī)劃系列教材時所面臨的問題。為此，設立了《自動化專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)研究》專項研究課題，成立了由清華大學蕭德云教授負責，包括清華大學、上海交通大學、西安交通大學和東北大學等多所院校參與的聯(lián)合研究小組，對自動化專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)進行深入的研究，提出了按“控制理論與工程、控制系統(tǒng)與技術(shù)、系統(tǒng)理論與工程、信息處理與分析、計算機與網(wǎng)絡、軟件基礎(chǔ)與工程、專業(yè)課程實驗”等知識板塊構(gòu)建的課程體系結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ)，組織規(guī)劃了一套涵蓋幾十門自動化專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的系列教材。從基礎(chǔ)理論到控制技術(shù)、從系統(tǒng)理論到工程實踐、從計算機技術(shù)到信號處理、從設計分析到課程實驗，涉及的知識單元多達數(shù)百個、知識點幾千個，介入的學校50多所、參與的教授120多人，是一項龐大的系統(tǒng)工程。從編制招標要求、公布招標公告，到組織投標和評審，最后商定教材大綱，凝聚著全國百余名教授的心血，為的是編寫出版一套具有一定規(guī)模、富有特色的、既考慮研究型大學又考慮應用型大學的自動化專業(yè)創(chuàng)新型系列教材。　　然而，如何進一步構(gòu)建完善的自動化專業(yè)教材體系結(jié)構(gòu)？如何建設基礎(chǔ)知識與最新知識有機融合的教材？如何充分利用現(xiàn)代技術(shù)，適應現(xiàn)代大學生的接受習慣，改變教材單一形態(tài)，建設數(shù)字化、電子化、網(wǎng)絡化等多元形態(tài)、開放性的“廣義教材”？等等，這些都還有待我們進行更深入的研究。　　本套系列教材的出版，對更新自動化專業(yè)的知識體系、改善教學條件、創(chuàng)造個性化的教學環(huán)境，一定會起到積極的作用。但是由于受各方面條件所限，本套教材從整體結(jié)構(gòu)到每本書的知識組成都可能存在許多不當甚至謬誤之處，還望使用本套教材的廣大教師、學生及各界人士不吝批評指正?！　≡菏俊　?005年10月于清華大學　　信號分析與處理（第2版）　　序　　當今是信息時代，在科學研究、生產(chǎn)建設和工程實踐中，信號處理技術(shù)，特別是數(shù)字信號處理技術(shù)應用日益廣泛，正在發(fā)揮著越來越重要的作用。根據(jù)我國的具體情況，“以信息化帶動工業(yè)化”成為發(fā)展工業(yè)的一種策略，這極大地拓寬了自動化專業(yè)的發(fā)展空間，也對自動化人才培養(yǎng)提出了以信息技術(shù)為主要特點的新要求。自動化專業(yè)是以信息為基礎(chǔ)，以控制為核心，立足于系統(tǒng)。而信號是信息的表現(xiàn)形式，各種信號分析與處理的方法有助于信息的提取和利用。在生產(chǎn)過程中，各種被測和被控量都含有噪聲，同時又隱藏著一些信息，通過分析和處理，可以濾除測量噪聲，為控制提供更為準確和有效的信息。在系統(tǒng)的實現(xiàn)方面，隨著實時性和控制算法復雜度的提高，部分單片機正在被數(shù)字信號處理器（DSP）所取代，而信號分析與處理方面的知識正是這種器件的理論基礎(chǔ)。為此，我們根據(jù)應用型大學自動化專業(yè)課程體系的要求，考慮到總學時數(shù)的減少，將“信號與系統(tǒng)”中的信號部分內(nèi)容以及“數(shù)字信號處理”中的部分內(nèi)容融合，形成“信號分析與處理”這本教材。本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，是作者在多年從事數(shù)字信號處理教學和科學研究的基礎(chǔ)上編寫的。本書重視理論聯(lián)系實際，注重介紹信號處理的典型應用實例，介紹基于MATLAB語言的信號處理方法的計算機實現(xiàn)。考慮到學生的自主學習和教材內(nèi)容的完整性，在離散信號分析中簡要介紹了拉普拉斯變換和　　z變換。為了滿足學生研究性學習的需要，在有些章節(jié)增加了思考題和上機練習題。本書的最后一章是總結(jié)和應用實例?！　【w論包括信號的定義和分類、信號采集與處理系統(tǒng)簡介、信號分析與處理的目的和內(nèi)容、信號分析與處理的發(fā)展和應用，以及MATLAB簡介?！　〉?章介紹連續(xù)信號時域分析中信號的描述、基本運算、分解和卷積；頻域分析中周期信號的傅里葉級數(shù)、非周期信號的傅里葉變換；復頻域分析中拉普拉斯變換的基本概念、性質(zhì)以及分析方法；連續(xù)時間信號的相關(guān)分析。　　第2章介紹離散時間信號分析的基本理論：離散時間信號——序列的表示、常用序列和序列的運算；采樣定理與實現(xiàn)；序列的z變換及逆z變換、z變換的基本性質(zhì)；離散系統(tǒng)描述與分析；離散時間信號的相關(guān)分析?！　〉?章討論序列的傅里葉變換（DTFT）；離散傅里葉變換（DFT）產(chǎn)生及其物理意義，離散傅里葉變換的一些性質(zhì)；DFT在實際應用中存在的問題和解決的辦法；快速傅里葉變換（FFT）的原理、實現(xiàn)及應用?！　〉?章介紹濾波器的定義、基本原理，以及濾波器的分類與技術(shù)指標；巴特沃斯和切比雪夫Ⅰ型模擬低通濾波器的設計方法，以及由低通到高通、帶通及帶阻濾波器的頻率變換方法；無限沖激響應數(shù)字濾波器和有限沖激響應數(shù)字濾波器的設計方法；利用窗口法和切比雪夫逼近法設計出具有線性相位的FIR數(shù)字濾波器；濾波器設計中的實際問題?！　〉?章討論隨機信號的相關(guān)函數(shù)分析及其應用；隨機信號功率譜估計，包括功率譜密度的定義、性質(zhì)、與自相關(guān)函數(shù)的關(guān)系、估計方法和應用；互譜分析；譜估計中的幾個重要問題，包括預處理、頻譜泄漏與窗函數(shù)之間的關(guān)系、譜估計的基本步驟以及頻譜校正方法；隨機信號通過線性移不變系統(tǒng)的行為。　　信號分析與處理（第2版）　　前言　　第6章首先采用流程圖的方式，對前面幾章的內(nèi)容進行概括性的梳理和總結(jié)，以便讀者從宏觀上把握本書的主要內(nèi)容；然后，介紹用信號分析與處理方法準確提取出頻率、幅值和相位差信息的應用實例，以便讀者熟悉信號處理方法的應用過程?！　”緯牡?版作為《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》之一于2006年出版。清華大學胡廣書教授擔任主審。胡廣書教授仔細審閱了書稿，在全書的體系結(jié)構(gòu)和具體的細節(jié)敘述方面都提出了許多指導性的意見。本書的第1版出版后，被國內(nèi)一些高校選作教材，使用效果良好。為了讓讀者更好地掌握信號分析與處理的理論知識和提高實際動手能力，我們對第1版進行修訂，在2.2節(jié)“采樣定理及實現(xiàn)”中充實了等效時間采樣方面的內(nèi)容。在第4章“濾波器設計”中增加4.5節(jié)“濾波器設計中的實際問題”。考慮到第6章“自適應濾波器”一般不講授，所以，改成“總結(jié)和應用”，先對全書的內(nèi)容進行提綱挈領(lǐng)的總結(jié)，以便讀者對信號分析與處理有較為完整的把握；再從處理信號頻率、幅值和相位差的角度，介紹數(shù)字信號處理技術(shù)在自動化領(lǐng)域中的應用實例?！　”窘滩牡木w論，1.5節(jié)，2.2節(jié)、2.3節(jié)、2.5節(jié)和2.6節(jié)，第5章和第6章由徐科軍編寫；2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.7節(jié)，第3章和4.1節(jié)、4.2節(jié)、4.3節(jié)、4.4節(jié)和　　4.6節(jié)由黃云志編寫；1.1節(jié)至1.4節(jié)和1.6節(jié)由林逸榕編寫；　　4.5節(jié)由陳強編寫；全書由徐科軍統(tǒng)稿。此外，黃云志、陳強和甘敏對第1版中出現(xiàn)的印刷和書寫錯誤進行了更正?！　∮捎诰幷咚接邢?，書中可能存在不妥之處，歡迎讀者批評指正。　　……

內(nèi)容概要

　　《信號分析與處理（第2版）》主要介紹信號分析與處理的基本原理、方法和應用。全書共分為6章，內(nèi)容包括： 信號的基本知識、連續(xù)時間信號分析、離散時間信號分析、離散傅里葉變換和快速傅里葉變換、模擬濾波器簡介和數(shù)字濾波器設計、隨機信號分析，以及總結(jié)和應用。《信號分析與處理（第2版）》大部分章節(jié)附有習題和上機練習題，并附有部分習題的答案和提示，有助于讀者加深對《信號分析與處理（第2版）》的理解。　　《信號分析與處理（第2版）》可作為自動化專業(yè)、電氣工程及自動化專業(yè)等工科專業(yè)的本科生教材或教學參考書，也可供有關(guān)教師和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

緒論 0.1信號的定義及分類 0.1.1連續(xù)時間信號與離散時間信號 0.1.2能量信號與功率信號 0.1.3確定性信號與隨機信號 0.2信號分析與處理系統(tǒng)簡介 0.3信號分析與處理的目的和內(nèi)容 0.4信號分析與處理的發(fā)展和應用 0.5MATLAB簡介 第1章連續(xù)時間信號分析 1.1連續(xù)時間信號的時域分析 1.1.1連續(xù)信號的時域描述 1.1.2連續(xù)信號的基本運算 1.1.3連續(xù)信號的時域分解 1.1.4連續(xù)信號的卷積 1.2周期信號的頻率分解 1.2.1周期信號的描述 1.2.2傅里葉級數(shù) 1.2.3周期信號的頻域分析 1.2.4傅里葉級數(shù)的性質(zhì) 1.3非周期信號的頻譜 1.3.1從傅里葉級數(shù)到傅里葉變換 1.3.2傅里葉變換的性質(zhì) 1.4連續(xù)時間信號的復頻域分析 1.4.1拉普拉斯變換 1.4.2拉普拉斯變換的性質(zhì) 1.4.3系統(tǒng)函數(shù) 1.5連續(xù)信號的相關(guān)分析 1.5.1相關(guān)函數(shù)的定義 1.5.2相關(guān)與卷積的關(guān)系 1.5.3相關(guān)定理 1.6與本章內(nèi)容有關(guān)的MATLAB函數(shù) 小結(jié) 習題和上機練習 參考文獻 第2章離散時間信號分析 2.1離散時間信號 2.1.1序列的表示 2.1.2序列的運算 2.2采樣定理及其實現(xiàn) 2.2.1采樣過程 2.2.2采樣定理 2.2.3頻率混疊 2.2.4采樣方式 2.3離散時間信號的相關(guān)分析 2.3.1離散時間信號的相關(guān)分析 2.3.2離散時間信號的互相關(guān)函數(shù) 2.4離散時間信號的z域分析 2.4.1z變換及其收斂域 2.4.2z反變換 2.4.3z變換的性質(zhì) 2.5離散系統(tǒng)描述與分析 2.5.1離散系統(tǒng)的數(shù)學模型 2.5.2差分方程的描述 2.5.3離散卷積的描述 2.6物理可實現(xiàn)系統(tǒng) 2.6.1因果系統(tǒng) 2.6.2穩(wěn)定系統(tǒng) 2.6.3物理可實現(xiàn)系統(tǒng)的定義 2.7與本章內(nèi)容有關(guān)的MATLAB函數(shù) 小結(jié) 習題和上機練習 參考文獻 第3章離散傅里葉變換和快速傅里葉變換 3.1連續(xù)時間信號的傅里葉變換 3.1.1時間連續(xù)頻率離散的傅里葉變換 3.1.2時間連續(xù)頻率連續(xù)的傅里葉變換 3.2離散傅里葉變換及性質(zhì) 3.2.1序列的傅里葉變換 3.2.2離散傅里葉變換 3.2.3離散傅里葉變換的性質(zhì) 3.2.4離散傅里葉變換在應用中的問題 3.3快速傅里葉變換 3.3.1FFT的基本思想 3.3.2時間抽取基—2FFT算法 3.3.3頻率抽取基—2FFT算法 3.3.4快速傅里葉逆變換 3.3.5快速傅里葉變換的應用 3.4與本章內(nèi)容有關(guān)的MATLAB函數(shù) 小結(jié) 習題和上機練習 參考文獻 第4章數(shù)字濾波器的設計 4.1濾波器概述 4.1.1基本原理 4.1.2濾波器的分類 4.1.3濾波器的技術(shù)要求 4.2典型模擬濾波器的設計 4.2.1巴特沃斯低通濾波器 4.2.2切比雪夫低通濾波器 4.2.3模擬濾波器的頻率變換 4.3IIR數(shù)字濾波器的設計 4.3.1IIR濾波器設計的基本條件 4.3.2雙線性變換法 4.3.3用頻率變換法設計其他類型的數(shù)字濾波器 4.4FIR數(shù)字濾波器的設計 4.4.1FIR濾波器的特性 4.4.2FIR濾波器設計的窗口法 4.4.3FIR濾波器設計的切比雪夫逼近法 4.5濾波器設計中的實際問題 4.5.1模擬濾波器與數(shù)字濾波器 4.5.2簡單形式的濾波器 4.5.3FIR與IIR濾波器 4.6與本章內(nèi)容有關(guān)的MATLAB函數(shù) 4.6.1與IIR數(shù)字濾波器設計相關(guān)的MATLAB函數(shù) 4.6.2與FIR數(shù)字濾波器設計相關(guān)的MATLAB函數(shù) 小結(jié) 習題和上機練習 參考文獻 第5章隨機信號分析 5.1隨機信號簡介 5.1.1平穩(wěn)隨機過程 5.1.2各態(tài)遍歷隨機過程 5.1.3非平穩(wěn)隨機過程 5.2隨機信號的相關(guān)分析 5.2.1隨機信號的自相關(guān)函數(shù)及其應用 5.2.2隨機信號的互相關(guān)函數(shù)及其應用 5.3隨機信號的功率譜估計 5.3.1隨機信號的功率譜密度 5.3.2功率譜密度的性質(zhì) 5.3.3功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)的關(guān)系 5.3.4功率譜估計的方法 5.3.5功率譜估計的應用 5.3.6互譜密度及其估計 5.4譜估計中的幾個問題 5.4.1數(shù)據(jù)預處理 5.4.2頻譜泄漏與窗函數(shù) 5.4.3譜估計的基本步驟 5.4.4頻譜校正方法 5.5平穩(wěn)隨機信號通過線性系統(tǒng) 5.6與本章內(nèi)容有關(guān)的MATLAB函數(shù) 小結(jié) 習題和上機練習 參考文獻 第6章總結(jié)和應用 6.1總結(jié) 6.1.1主要內(nèi)容 6.1.2信號分類 6.1.3數(shù)據(jù)采集 6.1.4傅里葉變換 6.1.5頻域分析 6.1.6時域分析 6.1.7數(shù)字濾波器設計 6.2應用 6.2.1頻率測量 6.2.2幅值測量 6.2.3相位差測量 小結(jié) 參考文獻 部分習題答案和提示 附錄A常用信號的傅里葉變換 附錄B常用信號的拉普拉斯變換 附錄C常用序列的z變換 附錄Dz變換的主要性質(zhì)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   由于復指數(shù)信號est的指數(shù)因子s＝σ＋jΩ為復數(shù)（其中s為復頻率，式中σ為復指數(shù)信號est包絡的增長或衰減的系數(shù)），則由歐拉公式得 est＝e（σ＋jΩ）t＝eσtcos（Ωt）＋jeσtsin（Ωt） 可見，復指數(shù)信號est的波形隨復頻率s的不同取值而變化。 當s＝0，即σ＝Ω＝0時，est＝1，則信號為直流信號；當s＝σ，即σ≠0且Ω＝0時，est＝eσt就成為一個單調(diào)增長（σ〉0）或單調(diào)衰減（σ〈0）的實指數(shù)信號，如圖1.1.9（a）所示；當s＝jΩ，即σ＝0且Ω≠0時，est＝ejΩt＝cos（Ωt）＋jsin（Ωt），其實部是一個等幅余弦信號，虛部是一個等幅正弦信號，其實部波形如圖1.1.9（b）所示。在σ≠0且Ω≠0的一般情況下，est的實部是一個增幅（σ〉0）或減幅（σ〈0）的余弦信號，虛部是一個增幅（σ〉0）或減幅（σ〈0）的正弦信號，兩種不同σ的實部波形如圖1.1.9（c）和（d）所示。

編輯推薦

《普通高等教育"十一五"國家級規(guī)劃教材?全國高等學校自動化專業(yè)系列教材:信號分析與處理(第2版)》是由清華大學出版社出版發(fā)行的，主要介紹了信號分析與處理的基本原理、方法和應用，可作為自動化專業(yè)、電氣工程及自動化專業(yè)等工科專業(yè)的本科生教材或教學參考書，也可供有關(guān)教師和工程技術(shù)人員參考。

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