基于MATLAB的信号与系统实验教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:270

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出版时间:2010-2

价格:29.00元

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isbn号码:9787302215462

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• matlab
• MATLAB
• 信号与系统
• 实验教程
• 通信原理
• 数字信号处理
• 控制系统
• 工程教育
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• 仿真
• 本科教学

《信号与系统：理论与实践的深度探索》 一、 引言：理解现实世界的基石 在现代科技飞速发展的浪潮中，信号与系统作为一门基础性、综合性的学科，渗透于从通信、控制到图像处理、生物医学工程等几乎所有工程技术领域。它不仅为我们理解和分析周围世界的运作机制提供了理论框架，更是创新技术得以诞生和发展的强大驱动力。本书旨在为读者构建一套全面、深入且富有实践性的信号与系统学习体系，帮助读者在掌握核心理论知识的同时，能够熟练运用现代工程工具进行实际问题的建模、分析与求解。 本书的内容设计，力求在理论深度与工程实践之间取得精妙的平衡。我们坚信，理论的学习不仅仅是为了概念的理解，更是为了能够指导和启发实际的应用。反过来，丰富的实践经验也能极大地加深对理论的认识，使其更加生动和深刻。因此，本书将理论讲解与工程实例紧密结合，通过大量的案例分析和问题导向式教学，引导读者主动探索，发现规律，最终掌握信号与系统分析的精髓。 二、 核心理论模块：构建坚实的知识框架 本书的理论部分将遵循循序渐进的原则，从最基础的概念出发，逐步深入到复杂的理论体系。 第一章：信号的初步认识 信号的定义与分类： 我们将从信号的本质入手，探讨其作为信息载体的基本属性。信号可以是连续的，也可以是离散的；可以是模拟的，也可以是数字的；可以是周期性的，也可以是非周期性的；可以是确定性的，也可以是随机的。我们将通过丰富的现实世界例子（如声音、图像、温度变化、股价波动等）来生动地阐释这些分类。 基本信号单元： 介绍一些在信号分析中扮演关键角色的基本信号，包括单位冲激信号（Dirac delta function）、单位阶跃信号（Heaviside step function）、指数信号、正弦/余弦信号等。理解这些基本信号的性质及其数学表示，是后续所有分析的基础。我们将深入讨论它们在时域的特性，例如延时、幅度缩放、时间翻转等。 信号的运算： 学习如何对信号进行基本的数学运算，如加法、减法、乘法（幅度加权）、卷积等。特别是卷积运算，我们将对其概念、几何意义以及在系统分析中的核心作用进行详尽的阐释，确保读者能够透彻理解这一核心概念。 第二章：系统的概念与分类 系统的定义与数学模型： 探讨什么是系统，以及如何用数学模型来描述一个系统。我们将重点关注线性时不变（LTI）系统，这类系统因其良好的数学性质而在工程实践中占据核心地位。 系统的基本性质： 深入分析线性、时不变、因果性、稳定性等系统的基本性质。我们将通过直观的解释和具体的例子，帮助读者理解这些性质的物理意义以及它们对系统行为的影响。例如，我们将讨论因果系统为何不能对未来的输入做出响应，以及稳定性对于系统长期行为的重要性。 系统描述的多种形式： 介绍描述LTI系统传递特性的不同方式，包括差分方程（离散时间系统）和微分方程（连续时间系统），以及系统函数（Z域和拉普拉斯域）。 第三章：时域分析 LTI系统的卷积： 深入讲解LTI系统在时域的分析方法，核心是卷积积分（连续时间）和卷积和（离散时间）。我们将详细推导卷积的数学公式，并展示如何通过图形法和代数法来计算卷积，从而预测系统对任意输入信号的响应。 系统响应的分解： 分析系统的零输入响应（暂态响应）和零状态响应（稳态响应）。理解这两种响应的叠加构成了系统的总响应，对于掌握系统的动态行为至关重要。 傅里叶级数与傅里叶变换： 傅里叶级数： 介绍周期信号的傅里叶级数展开，将信号分解为一系列正弦和余弦分量的叠加。我们将讲解指数形式的傅里叶级数，并分析其在信号频谱分析中的作用。 傅里叶变换： 推广到非周期信号，引入傅里叶变换的概念，将信号从时域映射到频域。我们将详细推导傅里叶变换的定义，并深入探讨其重要的性质，如线性、时移、频移、微分、积分、卷积定理等。理解卷积定理在频域的简化作用，对于高效分析系统至关重要。 频谱分析： 学习如何通过傅里叶变换分析信号的频率成分，理解信号的频谱图，并分析系统对不同频率成分的处理方式。 第四章：频域与复频域分析 拉普拉斯变换： 定义与性质： 引入拉普拉斯变换，它将信号从时域映射到复频域（s域）。拉普拉斯变换是对傅里叶变换的自然推广，能够处理更广泛的信号，特别是指数增长的信号。我们将详细介绍拉普拉斯变换的定义、收敛域（ROC）以及其主要的性质，如线性、时移、积分、微分、初值定理、终值定理等。 系统函数： 通过拉普拉斯变换，将LTI系统的微分方程转化为代数方程，引入系统函数 H(s) 的概念。H(s) 是描述系统频率响应和动态行为的关键工具。 部分分式展开： 学习如何利用部分分式展开，将复杂的系统函数分解为更简单的部分，从而便于进行拉普拉斯逆变换，求得系统在时域的响应。 Z变换： 定义与性质： 对应于离散时间系统，引入Z变换，它将离散信号从时域映射到复频域（z域）。我们将详细介绍Z变换的定义、收敛域（ROC）以及其重要的性质，如线性、时移、乘法、卷积等。 系统函数： 类似地，通过Z变换，将LTI离散系统的差分方程转化为代数方程，引入系统函数 H(z) 的概念。 部分分式展开与逆Z变换： 学习如何利用部分分式展开和逆Z变换，求得离散系统在时域的响应。 第五章：系统稳定性与频率响应 系统稳定性： 深入探讨LTI系统的稳定性判据。对于连续时间系统，我们将基于H(s)的极点位置来判断稳定性；对于离散时间系统，则基于H(z)的极点位置。 频率响应： 详细分析LTI系统在稳态下的频率响应。我们通过傅里叶变换，探讨系统如何处理不同频率的正弦信号，即频率响应的幅度和相位特性。我们将学习如何从系统函数 H(s) 或 H(z) 中提取频率响应，并理解其在滤波、失真分析等方面的应用。 幅度谱与相位谱： 结合傅里叶变换，深入理解信号和系统的幅度谱与相位谱，以及它们如何共同决定信号的整体特征和系统的传输特性。 第六章：状态空间方法 状态变量的概念： 介绍一种更通用的系统描述方法——状态空间法。状态变量能够完全描述系统的内部状态，可以处理更复杂的系统，包括多输入多输出（MIMO）系统。 状态方程与输出方程： 学习如何建立连续时间系统和离散时间系统的状态方程和输出方程。 状态转移矩阵： 求解状态方程，引入状态转移矩阵的概念，并分析其在系统响应中的作用。 从传递函数到状态空间： 学习如何从已知系统的传递函数（或系统函数）推导出其状态空间表示，反之亦然。 三、 工程实践与应用模块：理论知识的落地 本书的实践部分将聚焦于如何将上述理论知识应用于解决实际工程问题，强调通过动手实践来巩固和深化理解。 信号的产生与处理： 介绍如何生成各种基本信号和复杂信号，以及如何对信号进行滤波、采样、量化、编码等预处理操作。 系统建模与仿真： 学习如何根据实际物理过程或数学描述，建立系统的模型，并利用工程工具进行仿真分析，验证理论预测。 滤波器设计与分析： 滤波器概述： 介绍低通、高通、带通、带阻等基本滤波器类型，及其在信号去噪、频率选择等方面的作用。 模拟滤波器设计： 介绍Butterworth、Chebyshev等经典模拟滤波器设计方法，以及如何通过拉普拉斯变换分析其频率响应。 数字滤波器设计： 介绍FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）数字滤波器。我们将讲解窗函数法、频率采样法等FIR滤波器设计方法，以及IIR滤波器的设计思路（如脉冲响应不变法、双线性变换法），并分析其在离散系统中的应用。 通信系统基础： 调制与解调： 介绍幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）等模拟调制技术，以及ASK、FSK、PSK等数字调制技术。 采样定理： 深入理解奈奎斯特采样定理，并探讨过采样、欠采样等概念。 信号传输与失真： 分析信号在传输过程中可能遇到的失真问题，如幅度失真、相位失真，以及如何通过系统设计来减小这些失真。 控制系统基础： 反馈控制： 介绍反馈控制系统的基本原理和结构。 系统稳定性分析： 结合状态空间和频域方法，深入分析控制系统的稳定性。 PID控制器设计： 介绍比例-积分-微分（PID）控制器的原理、设计方法及其在各种应用中的调优技巧。 现代信号处理技术的初步探索： 简要介绍一些更高级的信号处理技术，如傅里叶变换的快速算法（FFT）、小波分析、自适应信号处理等，为读者未来的深入学习奠定基础。 四、 总结与展望：拥抱信号与系统的未来 本书在理论的严谨性和实践的可操作性之间架起桥梁，旨在培养读者具备分析和解决复杂工程问题的能力。通过对信号与系统核心概念的深入理解，以及对各种分析工具和工程技术的熟练掌握，读者将能够更好地驾驭日益复杂和多样化的现代工程挑战。信号与系统学科的发展从未停歇，新的理论和技术不断涌现。本书将激励读者持续学习，不断探索，在未来的科技创新浪潮中贡献自己的力量。 本书内容丰富，层次清晰，覆盖了信号与系统学科的关键知识点。我们相信，通过本书的学习，读者将能够构建扎实的信号与系统理论基础，并将其有效地应用于解决实际工程问题，为未来的学术研究或职业发展打下坚实的基础。

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说实话，我以前对信号与系统的课程总是抱有一种敬畏甚至畏惧的心态，总觉得傅里叶级数、拉普拉斯变换这些是高深的数学魔咒，难以在实际工程中找到落地的感觉。然而，这本教材彻底颠覆了我的这种看法。它不仅仅是教你如何使用MATLAB命令，更重要的是，它通过大量的仿真案例，将抽象的数学模型与真实的物理现象紧密联系起来。比如，书中关于滤波器设计的那几个章节，简直是打开了我的新世界。不再是书本上简单地告诉你“低通滤波器截止频率是多少”，而是指导你如何利用MATLAB的`designfilt`函数，根据给定的性能指标（比如通带纹波、阻带衰减率等），一步步构建出满足特定需求的数字滤波器，并实时观察其频率响应和阶跃响应曲线的变化。这种“从需求到实现”的工程思维培养，比单纯的理论灌输要有效得多。我特别喜欢它在每个实验项目开始前设置的“项目背景介绍”，它总会用一个简短的故事或实际应用场景来引出本章要解决的问题，这让学习的动机瞬间被点燃，感觉自己不是在做作业，而是在解决一个真实的工程挑战。

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我发现这本书的一个独特优点在于其对“可视化”教学的重视程度达到了一个前所未有的高度。在学习傅里叶变换时，仅仅是看幅值谱和相位谱是不够的，这本书通过MATLAB强大的绘图功能，教我们如何绘制三维的频谱图，甚至是如何利用动画来展示信号在频域和时域之间变换的过程。比如，当讲解矩形脉冲的傅里叶变换时，书中不仅展示了$ ext{sinc}$函数的图形，还动态地展示了当矩形脉冲的宽度逐渐减小时，其频谱是如何逐渐展宽的，这种动态过程的呈现，使得“时域带宽与时域宽度成反比”的结论不再是一个需要死记硬背的公式，而是一个可以被视觉和直觉完全理解的物理现象。这种沉浸式的学习体验，极大地增强了我对信号特性的感知能力。此外，作者在排版时非常巧妙地将理论公式、对应的MATLAB代码和仿真波形图紧密地并列放置，读者在阅读时几乎不需要频繁翻页或在不同部分之间跳转，使得知识的吸收和理解过程是高度集成的，这无疑是提升学习效率的绝佳设计。

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作为一名从事电力系统自动化的工程师，我对如何将理论应用于实际的电力信号处理有着迫切的需求。这本书虽然是通用信号与系统教程，但其提供的工具箱基础非常扎实，足以支撑我进行后续的专业拓展。最令我印象深刻的是它对“系统辨识”这一部分的论述，虽然篇幅不长，但它清晰地展示了如何利用采集到的实际输入输出数据，通过最小二乘法或相关性分析等方法，来估计系统的传递函数模型。书中给出的一个关于识别一个未知二阶系统的例子，通过MATLAB的`tfest`或相关函数，快速得到了一个与真实系统参数非常接近的模型。这对于我们进行保护定值的整定和故障诊断至关重要。这本书并没有止步于简单的理论推导，而是鼓励读者去思考“如果真实世界中的信号带有噪声怎么办？”、“如果系统是非线性的怎么办？”。它通过增加一些简单的噪声源仿真，直观地展示了噪声对系统辨识精度的影响，从而自然而然地引出了信号预处理和滤波的重要性。这种“从理想模型到复杂现实”的过渡方式，非常符合工程实践的需求。

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这本书的封面设计确实很有吸引力，那种蓝灰色的主色调搭配着清晰的字体，给人一种专业而严谨的感觉，一看就知道是面向理工科学生的实用型教材。我印象最深的是它对于MATLAB基础操作的讲解，简直是为我这种刚接触这门软件的初学者量身定制的。作者似乎非常理解我们学习过程中的痛点，从最基本的矩阵运算到复杂的绘图功能，每一步都拆解得极其细致，配有大量的代码示例和屏幕截图，让人感觉不是在看枯燥的理论，而是在进行一次有导师带领的实战演练。特别是涉及到离散时间信号处理那一部分，本来抽象的Z变换概念，在书中通过具体的MATLAB函数调用和结果可视化后，变得豁然开朗。我记得有一次为了理解卷积的物理意义，我反复看了书里关于两个信号相乘再积分（或求和）的动态演示图，那种直观的感受是看纯数学公式无法比拟的。而且，这本书的章节组织逻辑性非常强，知识点层层递进，从最基础的信号表示过渡到系统的时域分析，再到频域分析，每完成一章，都会有一个综合性的实验来巩固所学，这种设计极大地提高了学习的连贯性和效率，让人觉得每一步的学习都是有价值的积累。

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这本书的排版和细节处理，体现了作者深厚的教学功底和对读者的体贴。很多技术书籍的缺点是代码块的格式不统一，或者关键命令没有高亮显示，导致阅读体验很差，容易出错。但这本教程在这方面做得相当出色。所有的MATLAB核心函数和用户自定义变量都采用了不同的字体或颜色区分，使得代码块阅读起来非常清晰流畅。更令人称道的是，它在一些容易混淆的概念之间，特意增加了“辨析”或“陷阱提醒”的小栏目。例如，在讲解连续时间系统与离散时间系统之间的转换时，书中用一个图表清晰地对比了积分与求和的数值近似误差，并指导读者如何通过调整采样周期来优化仿真结果。这种对潜在错误的预判和提前规避的设计，极大地减少了我在调试代码时浪费的时间。此外，书后附带的光盘或在线资源中提供的所有实验源代码都经过了严格的测试，我可以直接运行并在此基础上进行修改和扩展，而不是从零开始编写大量的基础框架代码，这使得我可以把更多的精力集中在理解算法的核心思想上，而不是纠结于代码的语法细节，非常高效。

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