測試信號處理技術(shù)

前言

　　本書第1版自2004年出版以來，經(jīng)過了5年5屆學(xué)生的教學(xué)實踐；同時，將它直接作為教材使用的本科專業(yè)學(xué)生，已從原來面向自動化專業(yè)自動測試與控制方向的本科生，擴展到測控技術(shù)與儀器、信息工程以及探測制導(dǎo)與控制3個本科專業(yè)的本科生。專業(yè)面向的進一步擴大，特別是學(xué)科建設(shè)的快速發(fā)展，對這一課程的內(nèi)容提出了一些新的要求；另外，考慮到信號分析與處理的理論、原理、方法、技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的高速拓展和發(fā)展，有必要在保證課程基礎(chǔ)理論、原理相對穩(wěn)定的同時，融入體現(xiàn)時代氣息的新內(nèi)容，這也是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。本書第1版有幸被評為北京市高等教育精品教材，在此基礎(chǔ)上，我們又借其作為“十一五”國家級規(guī)劃教材推出的契機，在原書基本框架保持不變的前提下，對全書內(nèi)容作了較大幅度的更新和修訂，主要包括：　　①刪掉了“實時信號處理及其系統(tǒng)概述”與“非平穩(wěn)狀態(tài)的系統(tǒng)分析”兩節(jié)?！　、谝肓硕S傅里葉變換、分數(shù)傅里葉變換、希爾伯特變換（包括希爾伯特一黃變換）、沃爾什變換、分形變換、主成分分析法以及粒子濾波等基本概念，其中分數(shù)傅里葉變換、希爾伯特一黃變換、分形變換、主成分分析和粒子濾波這些新的內(nèi)容，無論是理論本身還是其應(yīng)用，都還在研究和發(fā)展中，將其反映到教材中，無疑是一種嘗試。這些內(nèi)容不一定都需要在課程中講述（某些內(nèi)容根據(jù)具體情況也是可以選用的），但對于開拓學(xué)生視野，學(xué)習(xí)其他相關(guān)課程，幫助學(xué)生的課外科技實踐以及繼續(xù)深造或者畢業(yè)后從事相關(guān)的技術(shù)工作，這些內(nèi)容是有益的和必需的。由于這些內(nèi)容涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識對于本科學(xué)生來說不一定都學(xué)習(xí)過，所以在編寫教材時，作了相應(yīng)的補充，力求本科生能夠自學(xué)，看得懂，能正確理解，需要時可以用得上?！　、墼黾恿艘恍┨厣珒?nèi)容，例如“相關(guān)檢測在硅諧振式微傳感器動力學(xué)特性檢測中的應(yīng)用”一節(jié)，是相關(guān)檢測技術(shù)在科研課題中的實際應(yīng)用，根據(jù)我們的體會，對于從事測控系統(tǒng)和測試專業(yè)學(xué)習(xí)和工作的學(xué)生以及技術(shù)人員來說，深刻理解、掌握相關(guān)檢測及類似的鎖相技術(shù)是有必要的；同時通過這方面的深入實際的介紹，希望能對讀者起到聯(lián)想和啟發(fā)的作用。

內(nèi)容概要

　　《測試信號處理技術(shù)（第2版）》基本內(nèi)容仍為信號分析與處理的理論基礎(chǔ)知識，主要包括連續(xù)和離散時間信號的頻譜分析，模擬和數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和方法，同時介紹了隨機信號分析、現(xiàn)代信號處理技術(shù)的基本概念和基本分析方法?！稖y試信號處理技術(shù)（第2版）》以連續(xù)時間信號的分析處理為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為重點，不要求以“信號與系統(tǒng)”為先修課程?！　　稖y試信號處理技術(shù)（第2版）》共分8章，包括概論，信號分析和處理基礎(chǔ)，離散時間序列及其z變換，離散時間信號分析，數(shù)字濾波基礎(chǔ)，數(shù)字濾波器，隨機信號分析基礎(chǔ)，現(xiàn)代信號處理技術(shù).?！　　稖y試信號處理技術(shù)（第2版）》是“十一五”國家級規(guī)劃教材，可作為測控技術(shù)與儀器、信息工程、探測制導(dǎo)與控制、自動化、精密儀器、電器工程和機電工程等大學(xué)本科專業(yè)的教科書，也可作為相關(guān)專業(yè)工程碩士的教材以及從事相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)信號分析與處理技術(shù)的參考書。

書籍目錄

第1章 概論1.1 信息、消息和信號1.2 信號分析和信號處理1.3 基本的連續(xù)信號1.4 連續(xù)時間信號的運算思考與練習(xí)題第2章 信號分析和處理基礎(chǔ)2.1 系統(tǒng)分析與信號2.1.1 連續(xù)時間系統(tǒng)的線性非移變特性2.1.2 連續(xù)信號的時域分解2.1.3 卷積法求系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)與卷積的性質(zhì)2.2 周期信號的頻譜分析——傅里葉級數(shù)2.2.1 正交函數(shù)2.2.2 三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù)2.2.3 指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)2.2.4 信號的重構(gòu)和吉伯斯現(xiàn)象2.2.5 周期信號的功率譜2.3 非周期信號頻譜分析——傅里葉變換2.3.1 傅里葉變換2.3.2 典型非周期信號的頻譜2.3.3 傅里葉變換的性質(zhì)2.4 周期信號的傅里葉變換2.4.1 復(fù)指數(shù)及正弦、余弦信號的傅里葉變換2.4.2 一般周期信號的傅里葉變換2.4.3 周期信號與單周期脈沖信號頻譜間的關(guān)系2.5 能量譜2.6 抽樣信號的傅里葉變換2.6.1 時域抽樣2.6.2 頻域抽樣2.6.3 抽樣定理2.7 拉普拉斯變換2.7.1 拉普拉斯變換的定義2.7.2 常用信號的拉普拉斯變換與拉普拉斯變換的性質(zhì)思考與練習(xí)題第3章 離散時間序列及其z變換3.1 離散時間信號——序列3.1.1 序列3.1.2 基本序列3.1.3 序列的運算3.2 序列的z變換3.2.1 z變換的定義3.2.2 z變換的收斂域3.2.3 典型離散時間信號（序列）的z變換3.3 z變換的性質(zhì)3.4 z反變換3.4.1 圍線積分法3.4.2 冪級數(shù)展開法3.4.3 部分分式展開法思考與練習(xí)題第4章 離散時間信號分析4.1 序列的傅里葉變換4.2 信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換與z變換的關(guān)系4.3 離散傅里葉級數(shù)（DFS）4.3.1 傅里葉變換在時域和頻域中的對偶規(guī)律4.3.2 離散傅里葉級數(shù)DFS4.4 離散傅里葉變換（DFT）4.4.1 離散傅里葉變換DFT定義式4.4.2 離散傅里葉變換DFT與序列傅里葉變換的關(guān)系4.5 離散傅里葉變換的性質(zhì)4.6 快速傅里葉變換（FFT）4.6.1 DFT直接運算的問題和改進思路4.6.2 基2按時間抽取的FFT算法（時析型）4.7 IDFT的快速算法（IFFT）4.8 FFT的軟件實現(xiàn)4.9 離散傅里葉變換的應(yīng)用4.9.1 用FFT實現(xiàn)快速卷積4.9.2 連續(xù)時間信號的數(shù)字譜分析4.9.3 FFT在動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用4.9.4 FFT在時變信號三維譜圖分析中的應(yīng)用4.10 二維與分數(shù)傅里葉變換4.10.1 二維傅里葉變換4.10.2 分數(shù)（階）傅里葉變換思考與練習(xí)題第5章 數(shù)字濾波基礎(chǔ)5.1 線性非移變離散系統(tǒng)時域分析5.1.1 線性非移變離散系統(tǒng)5.1.2 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型——差分方程的建立5.1.3 離散系統(tǒng)時域分析5.2 離散系統(tǒng)的z域分析5.2.1 差分方程的z變換解法5.2.2 離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)5.2.3 離散系統(tǒng)的頻率響應(yīng)5.3 逆卷積5.3.1 時域逆卷積5.3.2 基于同態(tài)系統(tǒng)的逆卷積5.3.3 信號的倒譜分析5.4 模擬濾波器的基本概念及其設(shè)計方法5.4.1 基本概念5.4.2 信號通過線性系統(tǒng)無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件5.4.3 濾波器的理想特性與實際特性5.4.4 模擬濾波器的一般設(shè)計方法5.5 模擬濾波器的設(shè)計5.5.1 巴特沃思濾波器5.5.2 切比雪夫濾波器5.5.3 頻率變換思考與練習(xí)題第6章 數(shù)字濾波器6.1 數(shù)字濾波器的基本原理6.2 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計6.2.1 沖激響應(yīng)不變法6.2.2 雙線性變換法6.2.3 其他類型（高通、帶通、帶阻）IIR數(shù)字濾波器設(shè)計6.2.4 IIR濾波器優(yōu)化設(shè)計6.3 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計6.3.1 F1R數(shù)字濾波器的基本特征6.3.2 窗口法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器6.3.3 頻率抽樣法6.3.4 等波紋濾波器設(shè)計6.4 濾波器設(shè)計和分析工具FDATool6.5 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)6.5.1 軟件實現(xiàn)與硬件實現(xiàn)6.5.2 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)6.5.3 有限字長對數(shù)字濾波器實現(xiàn)的影響6.5.4 數(shù)字濾波器類型選擇原則思考與練習(xí)題第7章 隨機信號分析基礎(chǔ)7.1 隨機信號及其在時域的數(shù)字特征7.1.1 隨機信號7.1.2 連續(xù)隨機信號的數(shù)字特征7.1.3 各態(tài)歷經(jīng)連續(xù)隨機信號的數(shù)字特征及其估計7.1.4 離散隨機信號的數(shù)字特征7.1.5 各態(tài)歷經(jīng)離散隨機信號的數(shù)字特征的估計7.2 隨機信號的頻域描述7.2.1 連續(xù)時間隨機信號的功率譜分析7.2.2 隨機序列的功率譜分析7.2.3 功率譜估計7.3 平穩(wěn)隨機信號通過線性系統(tǒng)的響應(yīng)分析7.3.1 連續(xù)平穩(wěn)隨機信號通過線性非時變連續(xù)系統(tǒng)7.3.2 平穩(wěn)隨機序列通過線性離散系統(tǒng)7.3.3 相干檢測7.3.4 相關(guān)辨識7.4 確定性信號的相關(guān)分析與檢測7.4.1 確定性信號的相關(guān)函數(shù)7.4.2 信號的相關(guān)檢測技術(shù)7.4.3 相關(guān)檢測在硅諧振式微傳感器動力學(xué)特性檢測中的應(yīng)用思考與練習(xí)題第8章 現(xiàn)代信號處理技術(shù)8.1 幾種重要的信號變換技術(shù)8.1.1 短時傅里葉變換及時一頻域分析8.1.2 小波變換基礎(chǔ)及小波分析8.1.3 分形理論簡介8.1.4 分形概述8.1.5 分形在信號分析及處理中的應(yīng)用8.1.6 沃爾什變換8.1.7 希爾伯特變換8.1.8 主成分分析法8.2 現(xiàn)代濾波技術(shù)簡介8.2.1 維納濾波8.2.2 卡爾曼濾波8.2.3 自適應(yīng)濾波8.2.4 粒子濾波器思考與練習(xí)題附錄 4.9.4小節(jié)中的參考源程序練習(xí)題參考答案參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章 概論　　1.1 信息、消息和信號　　愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E＝mc2，表示了宇宙間存在物質(zhì)和能量及其相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系，但宇宙中除了物質(zhì)和能量以外，還存在信息。有一種理論表明：宇宙是二次大爆炸的產(chǎn)物，爆炸產(chǎn)生了物質(zhì)、能量，同時也產(chǎn)生了信息，因此，信息存在的歷史與物質(zhì)、能量一樣久遠，差不多有150億年。但歷史上相當(dāng)長的時間中，人們對信息的認識遠不如對物質(zhì)與能量的認識。現(xiàn)在，人們已將物質(zhì)、能量和信息稱為客觀世界的三要素，世界由物質(zhì)組成，能量是一切物質(zhì)運動的動力，信息是人類了解自然及人類社會的依據(jù)。人類正逐漸進入信息社會，獲取、傳輸、交換和利用信息成為人類基本的社會活動。什么是“信息”，如何獲取并進行信息的傳輸、交換和利用，就成為人們必須研究和特別重視的重大課題?！　?.信息、消息和信號　　在信息技術(shù)領(lǐng)域，信息（information）、消息（message）和信號（signal）是密切相關(guān)，但是卻不同的三個重要概念?！　⌒畔?，中文的譯名有時也用“訊息”或“資訊”。人們對于信息的了解比對物質(zhì)和能量晚了許多。信息到底是什么？有人做過初步統(tǒng)計，目前國內(nèi)外已有超過100種信息的定義，如果用關(guān)鍵詞information definition在Google中進行搜索，會有遠超過100種信息定義的查詢結(jié)果。但這從一個角度也反映出，到目前為止，還沒有一個統(tǒng)一的為人們普遍認同的定義。因此有人干脆認為：信息至今沒有定義。

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