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出版者:中南大学

作者:周玲 编

出品人:

页数:237

译者:

出版时间:2007-9

价格:27.00元

装帧:

isbn号码:9787811055429

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现代工程设计中的信号处理与系统分析 本书导读： 在当今飞速发展的科技浪潮中，无论是航空航天、精密仪器制造，还是现代通信和生物医学工程，一个核心的理论与技术支撑始终贯穿其中——那就是对复杂系统内部运行规律的精确理解和有效调控。本书《现代工程设计中的信号处理与系统分析》正是致力于为读者构建起这座连接物理世界与抽象数学模型的坚实桥梁。我们深知，在面对一个复杂的、动态变化的过程时，仅仅依靠直觉是远远不够的，必须掌握一套严谨的分析工具，将现实中的物理量（如电压、压力、温度、速度等）转化为可处理的数学信号，并通过系统的理论来预测其行为、优化其性能。 本书的编写遵循了从基础到深入、理论与实践紧密结合的原则，旨在培养读者具备扎实的理论基础和解决实际工程问题的能力。我们聚焦于信号的表示、变换、滤波、以及线性时不变（LTI）系统的分析方法，这些是所有现代电子信息、控制理论乃至计算科学的基石。 第一部分：信号的本质与表示——数字世界的基石 本部分将带领读者深入探讨信号的数学本质。我们首先界定什么是信号，它在工程中扮演的角色，并区分连续时间信号与离散时间信号。 第一章：信号的分类与描述 我们详细阐述了信号在时间域上的各种基本属性，如周期性、能量性、功率性。信号的分解是理解复杂信号的关键，因此，本章将重点介绍傅里叶级数（Fourier Series）和傅里叶变换（Fourier Transform）。傅里叶分析的核心在于揭示信号中蕴含的频率成分，即从“看时间”转向“看频率”。我们将用大量的工程实例说明，为何频率域的视角对于理解调制、解调、噪声抑制至关重要。读者将学习如何利用频域图谱来诊断系统的带宽限制和固有谐振频率。 第二章：离散信号的采样与量化 现代工程大多基于数字系统，因此信号的数字化过程是不可或缺的一环。本章深入探讨了采样定理——香农-奈奎斯特定理的深刻含义及其在实践中的应用与限制。我们将详细分析欠采样可能导致的混叠现象，并提供实际的抗混叠滤波器的设计考量。此外，我们还引入了量化误差的概念，这是理解模数转换器（ADC）性能的关键指标。 第三章：Z 变换——离散系统的时域到频域的桥梁 Z变换是分析离散时间信号与系统最强大的工具之一。与连续时间系统的拉普拉斯变换相对应，Z变换允许我们将复杂的差分方程转化为易于处理的代数方程。本章将详细解析Z变换的收敛域（ROC）概念，以及如何利用其性质进行信号的卷积、时间延迟和系统函数的推导。掌握Z变换是进入数字滤波器设计领域的必备前提。 第二部分：系统理论的核心——线性时不变系统分析 系统是信号处理的载体，理解系统如何响应不同的输入信号，是实现控制与信息传输的基础。本部分将专注于LTI系统的数学建模与分析。 第四章：线性时不变（LTI）系统的基本性质与描述 本章定义了线性、时不变、因果性和稳定性这四个核心系统特性。LTI系统的核心特征在于其对任意输入信号的响应都可以通过系统的冲激响应（Impulse Response）与输入信号的卷积（Convolution）来确定。我们将详细推导卷积积分和卷积和的数学形式，并通过矩阵运算展示其在有限维度系统中的实现。 第五章：系统的频率响应与幅度/相位特性 当输入信号是正弦波时，LTI系统的输出仍然是同一频率的正弦波，但其幅度和相位会发生改变。系统的频率响应函数 $H(e^{jomega})$（或 $H(s)$）正是描述这种变化的数学工具。本章将深入分析频率响应曲线的解读，包括如何从幅度谱中识别系统的通带、阻带和过渡带，以及相位延迟对信号完整性的影响。 第三部分：现代信号处理的利器——经典变换与滤波技术 掌握了基础的信号与系统理论后，本部分将介绍工程中最常用到的具体分析工具——离散傅里叶变换（DFT）及其高效实现——快速傅里叶变换（FFT），并转向实际的系统设计，即滤波器。 第六章：离散傅里叶变换（DFT）与快速傅里叶变换（FFT） DFT是连接离散时间信号的Z域表示与频率特性的重要工具。我们将详细阐述DFT的定义、性质以及它在频谱分析中的应用。重点在于FFT算法，它极大地提高了频谱分析的计算效率。本章将分析FFT的算法结构（如蝶形运算），并讨论实际应用中窗口函数（Windowing Function）的选择与截断效应的补偿，这是精确测量真实信号频谱的关键。 第七章：经典滤波器设计原理——模拟滤波器回顾 在深入数字滤波器设计前，我们有必要回顾经典的模拟滤波器理论，因为它为数字滤波器的结构提供了设计灵感和理论参考。本章将介绍巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和椭圆（Elliptic）滤波器的理论特性、通带纹波与过渡带陡峭度之间的权衡。我们将学习如何利用这些经典原型进行低通、高通、带通和带阻滤波器的设计规范确定。 第八章：IIR与FIR数字滤波器设计 这是本书的实践高潮部分。我们将数字滤波器分为两大家族：无限脉冲响应（IIR）和有限脉冲响应（FIR）滤波器。 IIR滤波器设计： 主要通过双线性变换法（Bilinear Transformation）将模拟原型转化为数字形式，重点讨论其效率与可能引入的非线性失真问题。 FIR滤波器设计： 凭借其固有的线性相位特性，FIR滤波器在对信号时间关系要求严格的应用（如高保真音频处理）中占据主导地位。本章将详细介绍窗函数法（Window Method）和频率采样法，并展示如何利用编程工具精确控制滤波器的过渡带宽和阻带衰减。 第四部分：系统的时间域分析与反馈控制基础 为了将理论应用于更广泛的控制工程领域，本部分将考察系统的稳定性判据，并引入现代控制理论的初步概念。 第九章：系统的稳定性和时域分析 系统的稳定性是工程应用的首要前提。我们将利用拉普拉斯域中的s平面和Z域中的Z平面，详细阐述稳定性的判据，如复平面上的左半平面（LHP）和单位圆的意义。此外，本章将回归时间域，讨论系统的瞬态响应（如上升时间、超调量、稳态误差），这些是设计高性能控制系统的关键性能指标。 第十章：反馈系统的基本结构与初步控制 本章简要概述了前馈与反馈控制系统的结构差异。反馈控制通过引入误差信号来校正系统的行为。我们将介绍根轨迹（Root Locus）的基本概念，展示如何通过调整控制器增益来改变系统的闭环极点位置，从而实现对系统性能（速度与稳定性）的优化设计。 结语： 《现代工程设计中的信号处理与系统分析》旨在提供一套完整的、跨越基础理论到前沿应用的分析框架。掌握本书内容，读者将能熟练地将现实世界的物理问题转化为可操作的数学模型，利用傅里叶、Z变换等工具进行频谱洞察，并运用成熟的数字滤波器设计方法，在通信、测量、自动化和仪器仪表等领域构建出高效、可靠的工程系统。

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对于一个偏向**自动控制理论**方向的学生来说，这本书在**系统稳定性分析**这一章的深度和广度，几乎达到了我读过的所有教材中的顶尖水平。我尤其欣赏作者对**根轨迹法**的阐述。很多书只是教你如何“画图”，但这本则把重心放在了“为什么这样画”的物理意义上。它详细解释了当系统参数（如开环增益K）变化时，极点如何在s平面上移动所代表的系统时间响应的变化趋势——例如，从一个快速衰减振荡过渡到一个慢速衰减振荡，再到一个不稳定状态的临界点。作者甚至引入了**奈奎斯特稳定性判据**与根轨迹之间的几何联系，用一种非常直观的方式展示了闭环极点穿越右半平面的轨迹是如何与频率响应曲线的幅角特性关联起来的。此外，它对**李雅普诺夫稳定性分析法**的介绍也极为到位，没有回避其理论的复杂性，而是通过构造恰当的二次型李雅普诺夫函数，清晰地展示了系统能量或指标如何随时间演化来判断全局稳定性。阅读这部分内容，我强烈感受到了一种逻辑上的严密性，它不仅仅是知识的罗列，更是一套完整的工程思维训练。

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这本书的结构非常独特，它在讲解**电力系统分析**的初期，没有急于进入潮流计算或暂态稳定这类高阶内容，而是花了好几章的篇幅来细致地打磨**三相电路的对称分量法**。我深知这是解决不对称故障分析的关键钥匙，但以往接触的资料总是在引入后一带而过。这本书则不然，它详尽地解释了为什么必须引入正序、负序、零序三个分量，它们分别代表了什么物理意义（例如，负序分量与系统不平衡性直接相关），以及如何通过旋转变压器模型将三相系统解耦成三个独立的单相系统。更具启发性的是，作者在分析**单相接地短路故障**时，利用对称分量网络将复杂的故障电流计算简化为三个等效电路的串联，这种“化繁为简”的数学技巧，让我对故障电流的计算不再感到畏惧，而是视为一种严谨的数学工具运用。此外，书中对**暂态稳定分析**中对机组内部励磁系统建模的讨论也极其深入，它不仅仅给出了简化的二阶模型，还探讨了高阶模型对暂态响应的修正作用。整体来看，这本书对电力系统基础理论的深度挖掘和工程实践的结合，达到了极高的水准，为我后续学习电力系统保护与控制奠定了坚实的基础。

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我最近在准备一个关于**数字信号处理**的工程师认证考试，市面上很多参考书都过于侧重于算法的实现和程序代码的编写，却忽略了支撑这些算法的底层基础。这本书在这方面给我带来了极大的惊喜。它在介绍傅里叶变换时，并没有满足于给出那个经典的积分公式，而是花了相当大的篇幅去深入探讨**离散时间傅里叶变换（DTFT）**和**快速傅里叶变换（FFT）**之间的理论联系与实际计算差异。作者巧妙地引入了**窗口函数**的概念，并详细分析了不同窗口（如汉宁窗、海明窗）在频域上对频谱泄漏的影响程度，并配有非常精细的对比图表。更让我印象深刻的是，它对**Z变换**的讲解，它没有像传统教科书那样，直接从拉普拉斯变换强行过渡，而是将Z变换置于一个更广阔的序列分析框架下进行定义，并清晰地解释了收敛域（ROC）对系统稳定性的决定性作用。这种循序渐进、注重理论根基的讲解方式，使我对如何设计高效且准确的数字滤波器有了更深刻的理解。这本书读起来，就像有一位经验丰富的老教授在你身边，一边给你灌输前沿知识，一边帮你夯实最核心的基础，让人觉得非常踏实可靠。

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我通常对偏重理论阐述的读物敬而远之，但这本书在介绍**半导体器件物理**时所采用的叙事手法，实在称得上是教科书级别的典范。它没有一开始就抛出PN结的势垒电位和扩散电流密度等复杂公式，而是从**载流子输运的微观机理**开始讲起。它用非常生动的笔触描述了热平衡状态下电子和空穴的随机热运动，以及在电场作用下产生的漂移运动，这种从微观粒子行为到宏观电学特性的递进，使得对**扩散方程**和**漂移电流方程**的理解自然而然。特别是在分析晶体管的BJT工作原理时，作者引入了一个非常经典的“二维模型”来解释基区中载流子的传输过程，它清晰地展示了发射区注入的载流子如何被集电极“收集”的全过程，使得电流放大效应不再是一个黑箱。对于**MOSFET**的阈值电压和跨导特性的推导，书中也采用了分段分析的方法，从弱反型区过渡到强反型区，每一步的物理假设和数学近似都交代得清清楚楚。读完这一部分，我感觉我对现代集成电路的“心脏”——晶体管，有了一种从材料层面到电路层面的整体把握，不再只是停留在“输入输出特性曲线”的表面认知。

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这本书的封面设计着实让人眼前一亮，那种深邃的蓝色调配上简洁的几何图形，立刻就给人一种严谨又现代的感觉。我拿到手时，首先被它的装帧质量所吸引，纸张的触感很细腻，即便是长时间翻阅，指尖也不会感到疲劳。内容上，我主要关注的是它对**电磁场理论**部分的阐述。坦白说，很多教材在处理麦克斯韦方程组时，总是显得过于抽象和公式化，让人望而却步。然而，这本书似乎找到了一个绝佳的平衡点。它并没有直接堆砌复杂的数学推导，而是通过大量精心绘制的**三维矢量图**和**动态类比**来解释电场、磁场的相互转化关系。比如，在讲解坡印廷矢量时，作者竟然用到了水流动力学的概念来类比能量的流动方向和密度，这种跨学科的视角极其巧妙，一下子就让原本晦涩的物理概念变得直观可感。尤其值得称赞的是，它还穿插了一些历史典故，比如法拉第如何通过实验观察到的现象，一步步构建起他对场的理解，这不仅增加了阅读的趣味性，也帮助读者理解理论背后的思维逻辑，而不是死记硬背公式的来龙去脉。读完这部分，我对电磁波的传播特性，尤其是在非均匀介质中的反射和折射，有了前所未有的清晰认识，感觉像是重新学习了一遍。

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