信号与系统基础（MATLAB版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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石辛民，程晓东，郝整清 著

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• 信号与系统
• MATLAB
• 电路分析
• 通信原理
• 控制系统
• 数学建模
• 高等工程数学
• 电子工程
• 信息处理
• 仿真
• 本科教材

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302437314

版次：1

商品编码：11941046

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-05-01

用纸：胶版纸

页数：305

字数：478000

内容简介

　　本书共分为8章，分别介绍了信号与系统的基本概念，连续时间系统的时域分析，傅里叶分析，连续时间信号与系统的S域分析，离散时间信号与系统的时域分析，离散时间信号和系统的Z域分析，数字信号处理基础以及系统的状态变量分析。本书可作为电子信息工程、通信工程、自动化、电子科学与技术、计算机技术以及生物医学工程等电气信息类专业本科生的“信号与系统”课程教材，也可供工程技术人员自学参考。

内页插图

目录

第1章信号与系统的基本概念
1.1信号与系统
1.2信号的分类及基本信号示例
1.2.1信号的分类
1.2.2常用基本信号示例
1.3信号的运算
1.3.1信号的移位、反褶
1.3.2信号的尺度变换（信号的伸展、压缩）
1.3.3信号的微分和积分
1.3.4两信号相加或相乘
1.4单位阶跃信号与冲激信号
1.4.1单位斜变信号
1.4.2单位阶跃信号
1.4.3单位冲激信号
1.5信号的分解
1.5.1直流分量与交流分量
1.5.2偶分量与奇分量
1.5.3脉冲分量
1.5.4实部分量与虚部分量
1.6系统的概念及分析方法
1.6.1系统模型概念
1.6.2系统的分类
1.6.3线性时不变系统（LTIS）
1.6.4系统分析方法
本章小结
课后思考讨论题
习题1
第2章连续时间系统的时域分析
2.1线性时不变系统微分方程的建立
2.1.1物理系统的微分方程描述
2.1.2电路系统的微分方程描述
2.2求解微分方程的经典法(系统全响应)
2.2.1求解的基本原理
2.2.2零输入响应与零状态响应
2.3冲激响应和阶跃响应
2.3.1冲激响应
2.3.2阶跃响应
2.4应用MATLAB求解微分方程
2.4.1求解析解的符号法
2.4.2求数值解的方法
2.5卷积
2.5.1卷积的定义
2.5.2卷积的图形法和公式法计算
2.5.3卷积的性质
2.5.4利用卷积求零状态响应
本章小结
课后思考讨论题
习题2
第3章傅里叶分析
3.1周期信号的傅里叶级数分析
3.1.1周期信号的三角级数表示
3.1.2周期信号的指数函数表示
3.1.3典型周期函数的频谱
3.2非周期信号的频谱分析
3.2.1傅里叶变换
3.2.2傅里叶变换的性质
3.2.3周期信号的傅里叶变换
3.2.4时域取样和取样定理
3.3傅里叶分析用于通信系统
3.3.1利用系统函数H(ω)求系统的响应
3.3.2调制与解调
3.3.3信号无失真传输
3.3.4理想低通滤波器
本章小结
课后思考讨论题
习题3
第4章连续时间信号与系统的S域分析
4.1拉普拉斯变换及其逆变换
4.1.1拉氏变换的定义
4.1.2拉氏变换的MATLAB实现
4.1.3典型函数的拉氏变换
4.2拉氏变换的基本性质
4.3拉氏逆变换的计算方法
4.3.1包含不同实数极点
4.3.2包含共轭复数极点
4.3.3存在重根极点
4.4拉氏变换法求解微分方程
4.4.1用拉氏变换法求解微分方程
4.4.2电路的S域模型
4.5系统函数H(s)及其应用
4.5.1系统函数H(s)的概念
4.5.2系统函数的零极点分布与时域特性的关系
4.5.3系统函数的零极点分布与频域特性的关系
4.5.4线性系统的稳定性
本章小结
课后思考讨论题
习题4
第5章离散时间信号与系统的时域分析
5.1离散时间信号与系统
5.1.1离散时间信号
5.1.2离散时间系统
5.2常系数线性差分方程的求解
5.2.1迭代法
5.2.2时域经典法
5.2.3双零法
5.2.4MATLAB求解
5.3离散时间系统的单位样值响应
5.4卷积和
5.4.1图形法
5.4.2对位相乘求和法
5.4.3列表法
5.4.4MATLAB软件法
本章小结
课后思考讨论题
习题5
第6章离散时间信号与系统的Z域分析
6.1Z变换
6.1.1Z变换的定义
6.1.2典型序列的Z变换
6.1.3Z变换的收敛域
6.2Z逆变换
6.2.1部分分式展开法
6.2.2应用MATLAB进行部分分式展开
6.2.3幂级数展开法（长除法）
6.2.4留数法（围线积分法）
6.3Z变换的基本性质
6.3.1线性特性
6.3.2位移特性（时移特性）
6.3.3序列线性加权（Z域微分）
6.3.4序列指数加权（Z域尺度变换）
6.3.5初值与终值定理
6.3.6卷积定理
6.4离散系统的系统函数H(z)及应用
6.4.1单位样值响应与系统函数
6.4.2系统函数的零极点分布对系统特性的影响
6.4.3离散时间系统的频率响应特性
6.4.4应用MATLAB进行H(z)的零极点与系统特性计算
本章小结
课后思考讨论题
习题6
第7章数字信号处理基础
7.1离散傅里叶变换
7.1.1傅里叶变换的几种形式
7.1.2离散傅里叶级数(DFS)
7.1.3离散傅里叶变换(DFT)
7.1.4离散傅里叶变换的性质
7.1.5离散傅里叶变换的应用
7.2快速傅里叶变换(FFT)
7.2.1直接计算DFT的问题及改进途径
7.2.2FFT算法
7.2.3快速傅里叶变换的应用
7.3模拟滤波器的设计
7.3.1模拟滤波器的逼近
7.3.2巴特沃斯低通滤波器的设计
7.3.3切比雪夫Ⅰ型滤波器的设计
7.4数字滤波器的设计
7.4.1IIR数字滤波器的设计
7.4.2FIR数字滤波器的设计
本章小结
课后思考讨论题
习题7
第8章系统的状态变量分析
8.1系统的状态变量和动态方程
8.1.1信号通过系统的动态方程
8.1.2动态方程的建立
8.1.3描述系统的模型及其相互转换
8.2动态方程的求解
8.2.1动态方程的数值解
8.2.2连续动态方程的拉氏变换法求解
8.2.3离散动态方程的Z变换法求解
8.2.4动态方程的迭代法求解
8.3系统的可控制性和可观测性
8.3.1系统的可控制性
8.3.2系统的可观测性
本章小结
课后思考讨论题
习题8
部分习题参考答案
参考文献

前言/序言

《信号与系统基础（MATLAB版）》是一本深入探讨信号与系统核心概念，并辅以强大实用工具MATLAB进行案例分析和实现的著作。本书旨在为读者构建坚实的理论基础，同时培养运用现代工程计算语言解决实际问题的能力。 本书结构与核心内容概览： 全书围绕信号与系统的基本理论展开，层层递进，涵盖了从信号的分类、特性到系统的基本概念、分类，再到分析工具和应用等多个方面。MATLAB作为贯穿始终的实践工具，使得抽象的理论知识得以可视化、可操作化，极大地增强了学习的直观性和有效性。 第一部分：信号基础 信号的引入与分类： 本章将首先介绍信号的概念，解释其在工程、科学以及日常生活中的广泛意义。我们将从基本信号类型入手，如连续时间信号与离散时间信号，周期信号与非周期信号，能量信号与功率信号，奇信号与偶信号等。通过清晰的定义和丰富的实例，让读者对不同信号的特性有初步的认识。例如，我们将探讨如何用数学表达式描述一个声音信号，或者如何表示一个图像的亮度变化。 基本信号单元： 深入分析构成复杂信号的基石——基本信号单元。这包括了单位冲激信号（Delta函数）、单位阶跃信号、指数信号、正弦/余弦信号等。本书将详细推导它们的数学定义，并探讨它们之间的相互关系。例如，理解单位冲激信号作为“脉冲”的特性，以及它在描述系统响应中的关键作用。 信号的基本运算： 学习对信号进行各种数学运算，如加法、减法、乘法、标量乘法、翻转、时移、尺度变换等。这些运算不仅是理解信号特性的基础，也是后续系统分析的重要前置知识。我们会通过图像来直观展示这些运算的效果，并提供MATLAB代码来验证这些操作。例如，如何通过时移将一个信号“向前”或“向后”移动，以及尺度变换如何“压缩”或“拉伸”一个信号。 信号的能量与功率： 掌握计算信号能量和功率的方法，这对于区分能量信号和功率信号至关重要，也为后续的系统分析提供量化依据。我们将介绍相关的积分和求和公式，并演示如何使用MATLAB进行数值计算。 傅里叶级数与傅里叶变换： 这是信号分析的核心内容之一。本书将从周期信号的傅里叶级数展开开始，逐步引入非周期信号的傅里叶变换。我们将详细阐述傅里叶变换的定义、性质，以及它在频域分析中的重要作用。读者将学习如何将时域信号分解为不同频率分量的叠加，从而理解信号的频谱特性。MATLAB的FFT（快速傅里叶变换）函数将成为实践这一理论的有力工具，使我们能够直观地看到信号的频率成分。 拉普拉斯变换： 引入复频率概念，将傅里叶变换推广到更广泛的系统分析。拉普拉斯变换在分析不稳定系统、包含指数衰减/增长信号的系统以及求解微分方程等方面具有无可比拟的优势。本书将详细介绍拉普拉斯变换的定义、收敛域（ROC）以及重要的性质，并演示如何利用MATLAB求解复杂的拉普拉斯变换问题，例如求解系统响应。 Z变换： 针对离散时间信号和系统，Z变换扮演着与拉普拉斯变换相似的角色。本书将深入探讨Z变换的定义、收敛域以及关键性质，并重点讲解它在离散时间系统分析、滤波器设计等领域的应用。MATLAB的`ztrans`和`iztrans`函数将帮助读者在离散域进行变换和逆变换。 第二部分：系统基础 系统的定义与分类： 本章将从抽象的角度定义“系统”，解释系统是如何接收输入信号并产生输出信号的。我们将介绍系统的各种分类方法，如线性系统与非线性系统，时不变系统与时变系统，因果系统与非因果系统，稳定系统与不稳定系统等。通过具体的例子，如一个简单的电阻-电容（RC）电路，来形象地说明这些分类的意义。 线性时不变（LTI）系统： LTI系统是信号与系统理论中的核心。本书将着重分析LTI系统的特性，包括其可加性和齐次性，以及它们如何决定了系统的行为。 卷积： 卷积是描述LTI系统输入-输出关系的数学运算。我们将详细推导连续时间LTI系统和离散时间LTI系统的卷积积分和卷积和的计算方法。理解卷积是理解LTI系统瞬态响应和稳态响应的关键。MATLAB的`conv`函数将提供一个便捷的工具来计算卷积。 系统的时域响应： 学习如何通过系统函数（冲激响应）来预测LTI系统在任意输入信号作用下的输出。我们将分析不同输入信号（如单位阶跃、冲激、指数等）作用下的系统响应，包括瞬态响应和稳态响应。 系统的频域响应： 探讨LTI系统在不同频率下对信号的放大/衰减作用，以及相位变化。我们将介绍系统的频率响应函数，并演示如何通过傅里叶变换来分析系统的频域特性，这对于滤波器设计等应用至关重要。MATLAB的频域分析工具将直观地展示这一过程。 系统的s域（复频域）与z域响应： 结合拉普拉斯变换和Z变换，分析LTI系统在复频域和z域的特性。我们将介绍传递函数（Transfer Function）的概念，以及如何利用传递函数的极点和零点来分析系统的稳定性、频率响应和瞬态响应。MATLAB的符号计算工具箱可以方便地进行传递函数的表示和分析。 稳定性分析： 深入探讨系统稳定性的概念，特别是对于LTI系统，我们将分析其稳定性与传递函数的极点位置之间的关系。了解系统稳定性对于避免灾难性后果至关重要。 状态空间分析： 引入更通用的系统描述方法——状态空间表示。本书将介绍状态方程和输出方程，并演示如何利用状态空间方法来分析更复杂的系统，特别是多输入多输出（MIMO）系统。MATLAB的控制系统工具箱提供了强大的状态空间分析工具。 第三部分：MATLAB实践与应用 MATLAB在信号分析中的应用： 这一部分将系统地介绍如何使用MATLAB来生成、处理和分析各种信号。包括： 信号生成： 使用MATLAB的各种函数（如`sin`, `cos`, `exp`, `randn`等）生成各种类型的信号，并利用`plot`函数进行可视化。 信号运算： 演示如何使用MATLAB实现信号的加减乘除、时移、翻转、尺度变换等操作。 傅里叶分析： 利用`fft`, `ifft`, `fftshift`, `fftfreq`等函数进行傅里叶变换和逆变换，观察和分析信号的频谱。 滤波： 介绍不同类型的滤波器（低通、高通、带通、带阻）及其设计方法，并利用MATLAB的滤波函数（如`filter`, `designfilt`）来实现和验证。 其他信号处理函数： 介绍MATLAB中用于信号分析的其他常用函数，如求解信号能量、功率，求解自相关函数等。 MATLAB在系统分析中的应用： LTI系统表示与分析： 如何在MATLAB中表示LTI系统，如使用冲激响应（`impz`）、传递函数（`tf`）或状态空间模型（`ss`）。 卷积运算： 利用MATLAB的`conv`函数计算系统输出。 系统响应分析： 使用MATLAB的`step`, `impulse`, `lsim`等函数来模拟系统对不同输入的响应。 频域分析： 利用MATLAB绘制系统的频率响应图（伯德图、奈奎斯特图、幅相图），并分析系统的增益和相位特性。 稳定性判断： 利用MATLAB的`isstable`函数快速判断系统稳定性。 状态空间分析： 利用MATLAB的控制系统工具箱进行状态空间模型的创建、分析和设计。 典型应用案例： 本书将结合实际工程问题，通过MATLAB进行详细的案例分析。这些案例可能涵盖： 通信系统： 信号调制与解调、噪声滤除。 控制系统： 飞行控制、机器人控制、过程控制。 音频信号处理： 音频滤波、均衡器设计。 图像处理： 图像滤波、边缘检测。 电路分析： 瞬态响应和稳态响应的分析。 本书的特色与优势： 理论与实践的完美结合： 本书的核心在于将抽象的信号与系统理论与MATLAB这一强大的工程计算工具紧密结合。读者在学习理论的同时，能够立即通过MATLAB进行验证和实践，从而加深理解，提升解决实际问题的能力。 循序渐进的教学体系： 内容安排上，从基础概念到复杂理论，再到具体的工程应用，层次分明，逻辑清晰，确保不同基础的读者都能有效学习。 丰富的MATLAB示例： 本书提供了大量精心设计的MATLAB代码示例，这些代码不仅能够帮助读者理解理论，而且可以直接作为学习和开发的起点。代码清晰、注释详细，易于读者阅读和修改。 直观的可视化： MATLAB强大的图形化能力使得信号和系统的行为能够以直观的图像形式展现，极大地克服了纯文本描述的抽象性，帮助读者建立感性认识。 面向工程应用： 本书的重点在于培养读者应用信号与系统理论解决实际工程问题的能力，因此在内容选择和案例设计上，都紧密贴合工程实际需求。 适用读者： 本书适用于高等院校电子工程、通信工程、自动化、计算机科学、电气工程等相关专业本科生、研究生，以及从事相关领域研究和工程开发的专业技术人员。对于希望系统学习信号与系统理论并掌握MATLAB实践技能的自学者，本书也是一本理想的教材。 通过本书的学习，读者将不仅能够深刻理解信号与系统的基本原理，更能熟练运用MATLAB这一强大工具，将理论知识转化为解决实际工程挑战的有效手段。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版设计真的让我眼前一亮，非常现代化，而且考虑到实际使用中的便利性。封面的色彩搭配和字体选择都显得专业而不失亲和力，第一眼就能感受到它是一本精心打磨的作品。打开扉页，纸张的触感也相当不错，不是那种廉价的滑腻感，而是带有微微的阻尼，翻页时有一种扎实的感觉，长时间阅读也不会觉得疲惫。书本的整体装帧牢固，即使经常翻阅，也不用担心散架的问题。更值得称赞的是，书中大量使用了高质量的插图和图表，清晰度极高，色彩还原度也很好，这对于理解抽象的信号与系统概念至关重要。很多公式推导和系统框图都用图文并茂的方式呈现，大大降低了学习的门槛。页边距的设计也很合理，既留出了足够的空白方便读者做笔记，也不会显得过于空泛。而且，全书的印刷质量非常稳定，没有出现模糊不清或者颜色偏差的情况，字体大小适中，阅读起来非常舒适。整体而言，这本书在视觉体验和实体质感上都做到了很高的水准，让人从拿到书的那一刻起就充满了学习的欲望。

评分☆☆☆☆☆

我非常欣赏这本书在逻辑组织和内容结构上的严谨性。它就像一个精心设计的迷宫，每一步都引领着你走向下一个知识点，而且每一步都充满了惊喜。从最基础的信号表示，到复杂的系统分析，再到各种变换的深入探讨，整个流程非常顺畅，没有突兀感。作者对每个章节的主题都进行了清晰的界定，并且在章节开头用简短的引言概括了本章的学习目标，这让我对即将学习的内容有一个整体的把握。更重要的是，书中对不同概念之间的关联性进行了细致的梳理。例如，它会明确指出傅里叶变换与拉普拉斯变换的联系与区别，以及它们各自在分析不同类型系统时的优势，让你能够建立起一个完整的知识体系，而不是零散的知识点。书中的一些类比和比喻虽然简单，却能触及本质，帮助我们理解抽象的数学工具是如何被应用于工程实践中的，这种“触类旁通”的感觉是我在其他教材中很少体验到的。

评分☆☆☆☆☆

这本书在概念的阐述上，真的做到了“化繁为简”，并且提供了一个非常独特的视角。作者并非只是简单地罗列定义和定理，而是深入浅出地挖掘了这些概念背后的物理意义和工程应用。比如，在讲到Z变换的时候，它不仅仅介绍了Z变换的数学推导，还详细解释了它在离散时间系统分析中的作用，以及与拉普拉斯变换的联系，让你能够从更宏观的角度去理解它们之间的关系。书中对线性时不变系统（LTI）的讲解尤为出色，它通过大量的图示和类比，将时域、频域以及复频域的分析方法有机地结合起来，让你能够清晰地看到一个系统在不同域下的行为特征。特别是当它介绍如何利用LTI系统的频率响应来理解系统的滤波特性时，那种豁然开朗的感觉简直妙不可言。作者还非常巧妙地穿插了一些历史发展的小故事，讲述了某些重要概念是如何被发现和发展的，这不仅增加了阅读的趣味性，也让你对这些概念有了更深的理解，知道它们是如何在解决实际问题中应运而生的。

评分☆☆☆☆☆

我最喜欢这本书的一点是它循序渐进的教学方法，真的就像有一位经验丰富的老师在身边手把手教你一样。它不会一上来就抛出大量晦涩难懂的理论，而是从最基础的概念入手，比如信号的分类、系统的基本性质，都讲解得极其细致，并且用非常贴近生活的例子来辅助说明。举个例子，当讲到卷积的时候，书中竟然用了“打地鼠”的游戏来比喻，这一下子就把我从理论的迷雾中拉了出来，让我立刻明白了卷积在实际中是如何工作的。然后，它会逐步引入更复杂的概念，比如傅里叶变换、拉普拉斯变换，但每一步的过渡都做得非常自然，前后呼应，让你感觉自己是在不断攀登知识的高峰，而不是在原地打转。作者非常善于抓住学习者的心理，在一些关键的节点，会用“小贴士”或者“注意”的形式，点出容易出错的地方或者需要特别关注的细节，这极大地节省了我自己摸索和试错的时间。而且，书中的习题设计也很有针对性，从简单的概念检验题到需要综合运用多项知识的综合题，层层递进，能够有效地巩固所学内容，让我对知识的掌握程度能够有一个清晰的认识。

评分☆☆☆☆☆

从实际操作的角度来看，这本书的MATLAB应用部分可以说是“点睛之笔”。我之前学习信号与系统理论的时候，总是感觉理论脱离实际，很难将所学知识转化为解决问题的能力。而这本书的出现，彻底改变了我的看法。它并没有将MATLAB作为一个独立的章节来讲解，而是将MATLAB代码和仿真示例非常自然地融入到理论讲解的每一个关键点中。比如，在讲解傅里叶级数和傅里叶变换时，书中会直接给出绘制信号频谱的MATLAB代码，并且会对代码的每一行进行详细的解释，让你不仅理解了理论，还能立刻上手操作，看到理论在计算机上的直观体现。这种“理论+实践”的模式，大大增强了学习的有效性。我可以通过运行书中的代码，观察不同参数变化对信号和系统行为的影响，这比单纯的数学推导要深刻得多。而且，书中的仿真结果也非常清晰，与理论预测完美吻合，让我对MATLAB在信号与系统分析中的强大能力有了切身的体会，真正做到了学以致用。