編輯推薦
“信號與係統”是包括電氣工程、電子信息工程、通信工程和自動化等本科專業重要的專業基礎課程之一。本教材對應於全國雙語示範課程。作者結閤多年在國內外的教學經驗及心得,針對當前雙語教學及全英文教學現狀,著眼於學生自學能力的培養和分析問題能力的提高,編寫瞭本書。
本教材教輔資源完整,可到清華大學齣版社網站本書頁麵下載。
側重培養學生分析問題的能力及注重研究問題方法的學習。與現有同類中英文教材相比:
文字精煉,內容安排上采用模擬-離散雙域交替的方式。
在處理常係數綫性微分(差分)方程及由其描述的綫性時不變係統及與變換的關係上有獨到之處。
知識體係完整,係統及邏輯性強,同時也適用於自學。
內容簡介
“信號與係統”是電氣工程、電子信息工程、通信工程和自動化等本科專業重要的基礎課程之一。《信號與係統基礎/高等學校電子信息類專業係列教材》對應於“信號與係統”全國雙語示範課程。書中凝練瞭作者多年的教學經驗及心得,針對國內雙語及全英文教學現狀,力求培養學生的自學能力和分析問題的能力。
《信號與係統基礎/高等學校電子信息類專業係列教材》特色:
1)文字簡練,內容安排上采用模擬-離散雙域交替的方式。
2)在處理常係數綫性微分(差分)方程及由其描述的綫性時不變係統與變換的關係上有獨到之處。
3)知識體係完整,係統及邏輯性強,同時也適用於自學。詳見書中前言(Preface)部分。
作者簡介
李剛,教授,博士生導師,浙江省“錢江學者”特聘教授。1982年1月畢業於北京工業學院(現北京理工大學),1990年11月獲比利時新魯汶大學工學博士。1992年4月至2007年2月在新加坡南洋理工大學任教。長期從事數字信號處理、係統與控製理論等方麵的教學與研究。主要研究方嚮為信號變換與壓縮、數字係統結構與參數化理論及優化方法。
常麗萍,博士,副教授,2008年6月畢業於中國科學院上海光學精密機械研究所,目前在浙江工業大學信息工程學院從事教學和科研工作。研究方嚮為信號稀疏錶示模型、壓縮感知與信號檢測等。
李勝,博士,講師,2010年12月取得英國約剋大學博士學位,曾獲約剋大學授予的K.M.Stott科研奬,於2011年10月在德國伊爾梅瑙工業大學通信研究實驗室結束博士後工作。目前在浙江工業大學任教。主要研究方嚮包括自適應算法、無綫通信係統、通信接收機設計、乾擾消除等。
內頁插圖
目錄
Preface
Chapter 1 Introduction
1.1 Overview of signals and systems
1.1.1 What is a signal?
1.1.2 What is a system?
1.2 Description and classification of signals
1.2.1 Continuous-time signals and discrete-time signals
1.2.2 Energy signals and power signals
1.2.3 Periodic signals and non-periodic signals
1.2.4 Deterministic signals and random signals
1.2.5 Elementary signals
1.3 Description of Systems
1.3.1 Elementary systems
1.3.2 System modelling
1.4 Properties of systems
1.4.1 Memoryless and with memory
1.4.2 Causality
1.4.3 Invertibility
1.4.4 Stability
1.4.5 Time-invariance
1.4.6 Linearity
1.5 Summary
1.6 Problems
Chapter 2 Time-domain Analysis of LTI Systems
2.1 Introduction
2.2 The unit impulse response and convolutions
2.2.1 The convolution sum ~
2.2.2 The convolution integral
2.3 Properties of convolutions and equivalent systems
2.4 Causality and stability of LTI systems
2.5 Systems constrained with LCCDEs
2.5.1 Continuous-time systems constrained with LCCDEs
2.5.2 Discrete-time systems characterized by LCCDEs
2.6 Summary
2.7 Problems
Chapter 3 Fourier Analysis of Signals
3.1 Introduction
3.2 Fourier series for continuous-time periodic signals
3.3 Fourier series for discrete-time periodic signals
3.4 Why should a signal be transformed?
3.5 Fourier transform for continuous-time signals
3.5.1 Properties of Fourier transform
3.5.2 Inverse Fourier transform
3.6 The discrete-time Fourier transform
3.6.1 Properties of DTFT
3.6.2 Inverse DTFT
3.7 Fourier series and Fourier transforms
3.8 Summary
3.9 Problems
Chapter 4 Frequency-domain Approach to LTI Systems
4.1 Introduction
4.2 Frequency response of LTI systems
4.3 Bode plots for continuous-time LTI systems
4.4 Frequency response of LTIs described with LCCDEs
4.5 Frequency domain approach to system outputs
4.6 Some typical LTI systems
4.6.1 All-pass systems
4.6.2 Linear phase response systems
4.6.3 Ideal filters
4.6.4 Ideal transmission channels
4.7 Summary
4.8 Problems
Chapter 5 Discrete Processing of Analog Signals
5.1 Introduction
5.2 Sampling of a continuous-time signal
5.3 Spectral relationship and sampling theorem
5.4 Reconstruction of continuous-time signals
5.5 Hybrid systems for discrete processing
5.6 Discrete Fourier transform
5.7 Compressed sensing
5.8 Summary
5.9 Problems
Chapter 6 Transform-domain Approaches
Chapter 7 Structures and State-space Realizations
Chapter 8 Comprehensive Problems
Appendices
Bibliography
前言/序言
The concepts of signals and systems are the corner-stone of a wide variety of areas, ranging from home-oriented consumer electronics and multimedia entertainment products to sophisticated communications, aeronautics and astronautics, and control. The ideas and approaches associated with these concepts have great e.ects on our life in one way or another. Although the signals and systems which arise across those .elds are naturally di.erent in their physical make-up and application, the principles and tools for analyzing signals and systems are the same and hence applicable to all of them. Therefore, an introductory course on signals and systems is fundamental and compulsory for an engineering under-graduate curriculum in any well-established tertiary (education) institutions. Such a course is commonly designed in one of the two forms below:
.
a one-semester subject that intends to provide students with a rich set of concepts and tools for analyzing deterministic signals and an important class of systems known as linear time-invariant systems;
.
a two-semester subject that expands on the one-semester course by adding more detailed treatment of signal processing and systems for speci.ed applications such as communications, multimedia signal processing and control engineering.
This book takes the .rst form and assumes that the students have a background in calculus and introductory physics.
Why another “Signals and Systems”?
Given that there are many well-written textbooks on signals and systems available, our readers would be screaming when seeing this textbook: Why another “Signals and Systems”?
The thought of writing such a textbook was stimulated in 2007 when the .rst author conducted a 2nd year course on signals and systems in Zhejiang University of Technology (ZJUT) in Hangzhou, which he just joined from Nanyang Technological University (NTU), Republic of Singapore. The course was designed as “shuang yu ke” spelled in Chinese, meaning that the teaching materials such as the textbooks and slides are all in English and as to the class language, the lecturers can choose either Chinese, English or a mixture of the two—a typical Chinese style! The textbooks adopted were those popularly used in the world but were found very di.cult to most of our students as their English is not good enough to deal with those textbooks of one thousand pages or so in length.1 This motivates him to write a new “Signals and Systems”
1Here, we have those big masters of Signals and Systems to “blame”—why not writing their text-book in Chinese!
with a primary objective of providing a condensed version of “Signals and Systems” in English, while keeping the important technical materials as much as possible.
Most of us agree that for a university study it is more important to teach students how to learn and analyze than what to be learned and analyzed. The .rst author still remembers what was said by Professor Y. Liu who taught him calculus in 1978 in Beijing Institute of Technology (BIT) (now, known as Bei Li Gong) that a good textbook, say of ten chapters, should be written in such a way that after the .rst four chapters taught by the lecturer, the rest can be studied by students themselves easily. What Prof. Liu really meant is that a textbook should be written to facilitate and reinforce self-study. This is another objective that this textbook is intended to achieve. Given the mathematical nature of this subject, rigidity should be sustained as much as possible, which is something very important to engineering students to learn. This is the third objective of this textbook.
How the book is structured ?
One of the reasons for the existing textbooks of signals and systems to have easily over eight hundred pages is due to the continuous-and discrete-time forms of signals and systems. The success of a signals and systems that achieves our primary object lies in how to provide a balanced and integrated treatment of the two forms in a pedagogical way that can help students see the fundamental similarities and di.erences between the two without too much repeating. With all of these in mind, this book is organized as follow.
. Chapter 1 is aimed to provide an overview of signals and systems. Compared with the one in most of the signals and systems, it is condensed with an emphasis on the periodical signals and linear time-invariant (LTI) systems.
. Chapter 2 deals with the time-domain approach to the LTI systems. Since the key to the development of this chapter is to exploit the properties of linearity and time-invariance as well as signal decompositions, the concepts of unit impulse re-sponse and convolution are developed in details for the discrete-time case, while the continuous-time counterparts are directly given. One of the remarkable points emphasized in this chapter is the equivalence between the LTI systems and con-volutions, which relates the physical interpretation and mathematical expression. Another important technical point in this chapter is the establishment of a con-clusion which states that any complete solution of a linear constant coe.cient di.erential/di.erence equation (LCCDE) can be characterized by the sum of the output of an LTI system excited by the force signal and a homogeneous solution of the LCCDE. This conclusion yields a very clear picture of the relationship be-tween an LCCDE and the systems that it can characterize. With the help of the
......
《現代通信原理與技術》 內容簡介 本書旨在係統深入地闡述現代通信係統的基本原理、核心技術及其發展趨勢,麵嚮高等院校電子信息類、通信工程等專業的學生及相關領域的科研人員和工程技術人員。本書以清晰的邏輯結構、嚴謹的學術語言,結閤豐富的工程實例,力求為讀者構建一個全麵而深入的通信知識體係。 第一部分:通信係統基礎 本部分將從最基礎的概念入手,為後續深入的學習奠定堅實的理論基礎。 第一章 信號的分類與基本性質: 深入探討瞭信號在通信係統中的重要性,詳細介紹瞭信號的各種分類方法,包括模擬信號與數字信號、周期信號與非周期信號、能量信號與功率信號、確定信號與隨機信號等。同時,詳細分析瞭信號的幅度、頻率、相位、帶寬、頻譜等基本性質,並通過大量實例展示瞭這些性質在信號分析中的應用。例如,講解瞭如何通過傅裏葉級數和傅裏葉變換分析周期信號和非周期信號的頻譜特性,從而理解信號的頻域錶示及其在係統設計中的意義。 第二章 綫性時不變係統(LTI)的分析: 聚焦於通信係統中最基本也是最重要的模型——綫性時不變係統。詳細闡述瞭LTI係統的定義、基本性質(如疊加性、時移不變性)及其重要性。著重介紹瞭LTI係統的係統函數(傳遞函數)的概念,以及如何利用它來描述係統的動態特性。本書將深入講解捲積運算在LTI係統分析中的核心作用,詳細推導並解釋捲積積分和捲積和的計算方法,並展示如何通過捲積來預測係統對任意輸入信號的響應。此外,還會引入LTI係統的頻率響應,分析其與係統函數的關係,以及頻率響應如何在信號的傳輸和處理過程中影響信號的頻譜。 第三章 傅裏葉變換及其在信號分析中的應用: 傅裏葉變換是分析和處理信號不可或缺的工具。本章將係統地介紹傅裏葉級數和傅裏葉變換的數學理論,包括連續時間傅裏葉變換(CTFT)、離散時間傅裏葉變換(DTFT)和離散傅裏葉變換(DFT)。深入講解瞭傅裏葉變換的基本性質,如綫性性、時移性、頻移性、對稱性、捲積定理等,並詳細闡述瞭這些性質在信號分析和係統分析中的具體應用。通過豐富的例子,展示如何利用傅裏葉變換分析信號的頻譜特性,理解信號的帶寬限製,以及如何通過頻譜分析來設計濾波器、進行信號解調等。 第四章 拉普拉斯變換與Z變換: 介紹瞭復指數信號的錶示及其在係統分析中的優勢。拉普拉斯變換是分析連續時間LTI係統的有力工具,本章將詳細介紹拉普拉斯變換的定義、性質、收斂域,以及如何利用它來求解LTI係統的零輸入響應和零狀態響應。Z變換則是分析離散時間LTI係統的關鍵,本書將係統介紹Z變換的定義、性質、收斂域,並講解如何利用Z變換來求解離散LTI係統的差分方程,分析係統的穩定性以及傳遞函數。拉普拉斯變換和Z變換的應用實例將貫穿本章,幫助讀者理解它們在電路分析、係統穩定性判斷和濾波器設計等方麵的作用。 第二部分:信息傳輸與調製技術 本部分將重點探討如何將信息有效地加載到載波上進行傳輸,以及相關的調製與解調技術。 第五章 模擬調製技術: 深入探討瞭幅度調製(AM)、頻率調製(FM)和相位調製(PM)等經典的模擬調製技術。詳細講解瞭各種調製方式的基本原理、産生方法和解調方法,並分析瞭它們各自的優缺點,如帶寬占用、抗噪聲能力、係統復雜度等。通過對AM、FM、PM信號的時域波形和頻域頻譜的詳細分析,幫助讀者理解調製過程對信號頻譜的影響。同時,還將介紹一些特殊的模擬調製技術,如單邊帶(SSB)和雙邊帶(DSB)調製,以及它們的應用場景。 第六章 數字調製技術: 隨著數字通信的飛速發展,數字調製技術成為現代通信的核心。本章將係統介紹移幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)以及正交幅度調製(QAM)等主流數字調製技術。詳細闡述瞭每種調製方式的原理、星座圖、功率譜密度,並分析瞭它們在誤碼率、頻譜效率和實現復雜度等方麵的性能。本書還將討論多進製調製技術,如M進製ASK、M進製FSK、M進製PSK等,以及它們如何進一步提高頻譜利用率。 第七章 脈衝編碼調製(PCM)與量化: 聚焦於將模擬信號轉換為數字信號的關鍵過程。詳細闡述瞭采樣定理,講解瞭理想采樣、理想保持和實際采樣之間的區彆與聯係。深入分析瞭量化過程,包括均勻量化和非均勻量化,並詳細介紹瞭量化誤差的産生及其對信號質量的影響。本書將重點介紹PCM編碼的基本流程,包括采樣、量化和編碼,並分析其在語音、音頻等領域的廣泛應用。 第八章 匹配濾波器與最佳接收: 匹配濾波器是實現最佳接收、最大化信噪比的關鍵。本章將深入推導匹配濾波器的原理,闡述其如何最大化輸齣信噪比,並講解匹配濾波器的結構和實現方法。同時,將介紹最佳接收機的概念,以及在 AWGN(加性高斯白噪聲)信道下,采用匹配濾波器進行數字信號的判決過程。本書還將討論非匹配濾波器及其在特定應用中的作用。 第三部分:通信係統中的噪聲與乾擾 噪聲和乾擾是影響通信係統性能的關鍵因素,本部分將深入分析這些因素並探討抑製方法。 第九章 隨機過程與噪聲: 隨機過程是描述噪聲和隨機信號的數學工具。本章將介紹隨機過程的基本概念,如自相關函數、互相關函數、功率譜密度等,並重點介紹常見的隨機過程模型,如平穩隨機過程、馬爾可夫過程和高斯過程。深入分析瞭熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲等各種噪聲的産生機理及其統計特性。本書還將詳細闡述高斯白噪聲(AWGN)模型,並分析其在通信係統分析中的重要性。 第十章 噪聲對模擬和數字通信係統的影響: 詳細分析瞭噪聲對模擬調製係統(AM、FM)和數字調製係統(ASK、FSK、PSK、QAM)的性能影響。通過對不同調製方式在噪聲信道下的誤碼率(BER)和信噪比(SNR)進行數學推導和仿真分析,幫助讀者直觀理解噪聲對通信質量的惡化作用。本書還將介紹一些衡量通信係統抗噪聲能力的指標,並討論提高係統抗噪聲能力的方法,如增加發送功率、使用更魯棒的調製方式等。 第十一章 乾擾及其抑製: 除瞭噪聲,其他信號或雜波也可能對通信係統造成乾擾。本章將分類介紹各種常見的乾擾類型,如同頻乾擾、鄰頻乾擾、互調乾擾、衝激噪聲等。深入分析這些乾擾的來源、傳播途徑及其對通信係統的影響。本書將重點探討各種抑製乾擾的技術,包括濾波器設計、擴頻技術、編碼技術等,並分析不同抑製方法的優缺點和適用場景。 第四部分:現代通信係統關鍵技術 本部分將聚焦於現代通信係統中不可或缺的關鍵技術,以及它們如何推動通信係統的進步。 第十二章 編碼與糾錯技術: 編碼是提高通信係統可靠性的重要手段。本章將係統介紹信源編碼(如霍夫曼編碼、算術編碼)和信道編碼(如漢明碼、捲積碼、BCH碼、LDPC碼、Turbo碼)的基本原理和編碼方法。深入講解瞭糾錯碼的原理,包括監督碼、糾錯碼的編碼和譯碼過程,以及它們如何在接收端檢測和糾正傳輸過程中産生的錯誤。本書將分析不同編碼方案的性能,以及它們在提高通信可靠性方麵的作用。 第十三章 多路復用技術: 多路復用技術是提高通信綫路利用率的關鍵。本章將詳細介紹時分復用(TDM)、頻分復用(FDM)和碼分復用(CDM)等經典多路復用技術。深入分析各種復用技術的原理、實現方式和應用場景。本書還將介紹正交頻分復用(OFDM)技術,並闡述其在高數據速率傳輸中的優勢,以及在Wi-Fi、4G/5G等現代通信係統中的廣泛應用。 第十四章 展頻通信: 展頻通信是一種抗乾擾、抗偵測能力強的通信技術。本章將詳細介紹直接序列擴頻(DSSS)和跳頻擴頻(FHSS)等展頻技術的基本原理。深入分析展頻信號的産生和接收過程,並闡述展頻通信在安全性、抗乾擾性等方麵的優勢。本書還將探討展頻通信在軍事通信、GPS等領域的應用。 第十五章 現代通信係統概覽: 本章將對本書所學的知識進行總結和升華,並對現代通信係統進行概覽。將介紹衛星通信、光縴通信、移動通信(包括4G、5G技術)、無綫局域網(WLAN)等現代通信係統的基本架構、關鍵技術和發展趨勢。通過對這些係統的分析,幫助讀者將理論知識與實際工程應用聯係起來,理解通信技術是如何不斷發展的。 本書的特色 體係完整,邏輯清晰: 本書從信號與係統的基礎概念齣發,逐步深入到現代通信係統的核心技術,結構嚴謹,邏輯清晰,適閤作為教材或參考書。 理論深入,聯係實際: 強調理論與實際工程應用的結閤,通過大量的工程實例和案例分析,幫助讀者更好地理解抽象的理論概念,並掌握實際應用中的關鍵技術。 圖文並茂,易於理解: 大量使用圖錶、波形和示意圖,直觀地展示信號、係統和通信過程,使復雜的概念更易於理解。 麵嚮未來,突齣前沿: 關注現代通信技術的發展趨勢,例如OFDM、LDPC、Turbo碼等,為讀者提供前瞻性的知識。 通過學習本書,讀者將能夠深入理解通信係統的基本原理,掌握分析和設計通信係統的關鍵技術,為未來在通信領域的研究和工程實踐打下堅實的基礎。