《信号与系统》计算机练习——利用MATLAB (2010 年度畅销榜NO.5220 )

本书是与《信号与系统》(第2版，A．V．Oppenheim等著，刘树棠译，西安交通大学出版社，1998)配套的一本计算机试验教材，旨在加深理解信号与系统的基本原理。这些练习将基本原理与应用直接联系起来。利用MATLAB，这些练习向读者在将数学概念应用于实际问题中提出了积极挑战。全部练习都尽力将其分为基本题、中等程度题和深入题，以使读者能逐步由基本理论过渡到实际应用。内容包括：信号与系统、线性时不变系统、周期信号的傅里叶级数表示、连续与离散时间傅里叶变换、信号与系统的时域频域之间的关系、采样、通信系统、拉普拉斯变换、z变换和反馈系统等。\r\n\r\n 与该书配套的尚有一套工具软件，内含丰富的供计算机试验所用的各种语音和金融数据文件。\r\n\r\n 该书所包括的试验内容可适合于任何面向大学本科生所开设的'信号与系统'或'信号及线性系统'等课程用作计算机试验教材。 \r\n
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译者的话 \r\n\r\n 前言 \r\n\r\n 第1章 信号与系统 \r\n\r\n 1. 1 表示信号的基本MATLAB函数 \r\n\r\n 1. 2 离散时间正弦信号 \r\n\r\n 1. 3 离散时间信号时间变量的变换 \r\n\r\n 1. 4 离散时间系统性质 \r\n\r\n 1. 5 实现一阶差分方程 \r\n\r\n 1. 6 连续时间复指数信号 \r\n\r\n 1. 7 连续时间信号时间变量的变换 \r\n\r\n 1. 8 连续时间信号的能量和功率 \r\n\r\n 第2章 线性时不变系统 \r\n\r\n 2. 1 MATLAB函数conv \r\n\r\n 2. 2 MATLAB函数filter \r\n\r\n 2. 3 MATLAB函数lsim(用于微分方程) \r\n\r\n 2. 4 离散时间LTI系统的性质 \r\n\r\n 2. 5 线性和时不变性 \r\n\r\n 2. 6 非因果有限脉冲响应滤波器 \r\n\r\n 2. 7 离散时间卷积 \r\n\r\n 2. 8 连续时间卷积的数值近似 \r\n\r\n 2. 9 连续时间LTI系统的脉冲响应 \r\n\r\n 2. 10 通过逆滤波的回声消除 \r\n\r\n 第3章 周期信号的傅里叶级数表示 \r\n\r\n 3. 1 用fft计算离散时间傅里叶级数 \r\n\r\n 3. 2 MATLAB函数freqz \r\n\r\n 3. 3 MATLAB函数Isbn(用于系统函数) \r\n\r\n 3. 4 离散时间LTI系统的特征函数 \r\n\r\n 3. 5 用离散时间傅里叶级数综合信号 \r\n\r\n 3. 6 连续时间傅里叶级数性质 \r\n\r\n 3. 7 连续时间傅里叶级数中的能量关系 \r\n\r\n 3. 8 一阶递归离散时间滤波器 \r\n\r\n 3. 9 连续时间系统的频率响应 \r\n\r\n 3. 10 离散时间傅里叶级数的计算 \r\n\r\n 3. 11 用傅里叶级数综合连续时间信号 \r\n\r\n 3. 12 方波和三角波的傅里叶表示 \r\n\r\n 3. 13 连续时间滤波 \r\n\r\n 第4章 连续时间傅里叶变换 \r\n\r\n 4. 1 MATLAB函数freqs \r\n\r\n 4. 2 连续时间傅里叶变换的数值近似 \r\n\r\n 4. 3 连续时间傅里叶变换性质 \r\n\r\n 4. 4 系统的时域和频域特性 \r\n\r\n 4. 5 用部分分式展开求微分方程的单位冲激响应 \r\n\r\n 4. 6 幅度调制和连续时间傅里叶变换 \r\n\r\n 4. 7 连续时间傅里叶变换的符号计算 \r\n\r\n 第5章 离散时间傅里叶变换 \r\n\r\n 5. 1 计算DTFT的样本 \r\n\r\n 5. 2 电话拨号音 \r\n\r\n 5. 3 离散时间全通系统 \r\n\r\n 5. 4 频率采样：基于DTFT的滤波器设计 \r\n\r\n 5. 5 系统辨识 \r\n\r\n 5. 6 离散时间系统的部分分式展开 \r\n\r\n 第6章 信号与系统的时域和频域分析 \r\n\r\n 6. 1 一种二阶减震器 \r\n\r\n 6. 2 用一维滤波器的图像处理 \r\n\r\n 6. 3 用变换法的滤波器设计 \r\n\r\n 6. 4 低通滤波器的相位作用 \r\n\r\n 6. 5 频分多址 \r\n\r\n 6. 6 股票市场的线性预测 \r\n\r\n 第7章 采样 \r\n\r\n 7. 1 由欠采样引起的混叠 \r\n\r\n 7. 2 由样本重建信号 \r\n\r\n 7. 3 增采样和减采样 \r\n\r\n 7. 4 带通采样 \r\n\r\n 7. 5 半采样间隔延时 \r\n\r\n 7. 6 离散时间微分 \r\n\r\n 第8章 通信系统 \r\n\r\n 8. 1 希尔伯特变换和单边带AM \r\n\r\n 8. 2 含载波幅度调制的向量分析 \r\n\r\n 8. 3 幅度解调和接收机同步 \r\n\r\n 8. 4 PAM系统中的码间干扰 \r\n\r\n 8. 5 频率调制 \r\n\r\n 第9章 拉普拉斯变换 \r\n\r\n 9. 1 作连续时间的零极点图 \r\n\r\n 9. 2 二阶系统的极点位置 \r\n\r\n 9. 3 巴特沃兹滤波器 \r\n\r\n 9. 4 拉普拉斯变换的曲面图 \r\n\r\n 9. 5 实现非因果连续时间滤波器 \r\n\r\n 第10章 z变换 \r\n\r\n 10. 1 作离散时间零极图 \r\n\r\n 10. 2 离散时间频率响应的几何解释 \r\n\r\n 10. 3 离散时间滤波器结构的量化效应 \r\n\r\n 10. 4 用欧拉近似法设计离散时间滤波器 \r\n\r\n 10. 5 用双线性变换的离散时间巴特沃兹滤波器设计 \r\n\r\n 第11章 反馈系统 \r\n\r\n 11. 1 反馈稳定：杆的平衡 \r\n\r\n 11. 2 不稳定系统的稳定 \r\n\r\n 11. 3 利用反馈扩大放大器的带宽 \r\n\r\n 参考书目 \r\n\r\n 附录本书所用到的MATLAB命令及其所在章节号 \r\n
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多年来, 如何开设和加强“信号与系统”课的实践性环节一直是广大任课教师关注的问题, 尤其是新增一些与计算机有关的上机实验更是如此. 其中的原因可能是：在构思和实现这些设想中不仅有大量耗时耗力的工作要做, 而且还有一定的难度, 构造一个合理的. 富有启迪性的. 难易繁简适中的. 可以实现而又饶有兴趣的计算机作业不是一件轻而易举的事. 本书可以为我们提供这方面的需要.

本书最初虽是与《信号与系统》(第2版)(A. V. Oppenheim等著, 刘树棠译, 西安交通大学出版社, 1998)一书配套编写的, 实际上, 这是一本可以与任何大学本科“信号与系统”课程或教材配合使用的具有不同难度的. 利用MATLAB的综合计算机练习. 它既不完全是我们常见的实验指导书那样让学生一步一步地照着做, 又不是简略的实验大纲有时让学生无所适从, 而是将练习分成3种不同的层次：基本题. 中等(程度)题和深入题, 都要求读者根据情况作出相应的努力, 并将结果与理论上所得出的或所预计的结果作比较. 这种计算机形式的作业决不是那种将一切程序都编好的单纯的现象演示, 而对读者则是一种积极地挑战.

MATLAB是一种功能很强的技术工具, 它的广泛应用已渗透到各个领域, 尤其是自动控制和信号处理等领域. 对于广大工程人员来说尽快掌握并熟练使用这一工具已很有必要. 这本练习对此则是一个很好的实践机会.

如何使用这本书尚需大家进一步摸索. 积累和创新. 目前各高校都正在制定新一轮教学计划, 总的倾向是要压缩课内学时. 重组课程体系. 精简内容. 改进方法, 尽量给学生留出足够的余地, 让他们有时间和精力主动积极地进行学习和从事创新思维. 这本书或许能为此而尽一分力量.

译文对MATLAB函数中的注释部分没有译出. 这一方面是考虑到无此必要, 另一方面也为了保持程序的完整性和整洁性.

作者为本书开发了不少M文件, 它们都是很珍贵的. 这些M文件均含在Computer Ex-plorations Toolbox中, 可与西安交通大学出版社直接联系.

译者无力也不可能就本书的练习一一给予实现, 因此对原文的理解以及术语的译名等方面恐都有不妥之处, 欢迎读者给予批评指正.

刘树棠

于西安交通大学 1999. 6

本书为大学本科有关“信号与线性系统”课程提供了计算机练习. 这样一门课或这样一类系列课是大多数工程类课表中的一个重要组成部分. 这本书当初主要是作为由Oppenheim, Willsky和Nawab所著"Signals and Systems"(第2版)一书的配套练习而策划的. 尽管本书各章的标题, 顺序以及所用符号都与"Signals and Systems"一书是一致的, 但是书中的练习则是自成一体的, 并且所覆盖的基本理论和应用方面都十分宽而可以成为任何人门性“信号与系统”教科书或课程的理想配套教材.

我们相信, 和传统的书写作业并行地安排计算机练习, 能够帮助读者对线性系统和信号建立更强的直观性和加深理解. 为达此目的, 要求读者把他们用MATLAB计算出的结果与他们根据对内容的分析理解所获得的结果或估计进行比较. 我们相信这种方法对读者是一种积极主动地挑战, 比那种被动式地单纯计算机演示会获得更多的益处. 只要有可能, 我们都将这些练习分为基本题. 中等(程度)题和深入题3种类型. 在完成这些练习题的过程中, 读者逐渐地从基本理论进入到诸如语音处理. 金融市场分析和机械或通信系统设计等实际应用. 基本

题给读者提供了详细地指导, 通过所钻研的问题引导他们, 但是仍然要求他们给出结果的验证. 中等题则对更为深奥的一些概念进行探究, 并要求读者在应用MATLAB中有更多的灵活性. 最后, 深入题是考查读者对那些更加难解和复杂问题的理解程度, 往往是无确定答案的工作(open-ended work), 或要求写出函数, 或处理实际的数据等等. 有些深入题可用作“信号与系统”课的优秀本科生的家庭作业.

本书中的全部练习都经过仔细地考虑, 使得几乎所有的练习都保证在Student Edition of MATLAB4. 0(MATLAB4. 0学生版)的范围内完成, 除了有几道深入题, 要接触到MATLAB的专门版本, 完成一些事先未预作安排的探究. 为了帮助读者, 在本书索引中列出了本书所用到的MATLAB函数, 并注明了解释他们功能的练习号或页码号. 全书将MATLAB函数. 命令和变量都用一副打字机体的字母表示. 在练习标题后跟着 S 的符号代表这个练习要求用到符号数学工具箱(Symbolic MathToolbox).

有一些练习涉及到读者需要的函数或数据文件, 这些都可从Computer Explorations Tool-box中找到, 而这一工具箱可用在目录／pub／books／buck／中的ftp. mathworks. com网址上从Math Works公司获得. 可按下列地址与MathWorks公司联系：

The Math Works, Inc.

24 Prime Park Way

Natick, MA01760

Phone：(508)653-1415

Fax：(508)653-2997

E-mail: info@mathworks. com

WWW: http://www. mathworks. com

ftp://ftp. mathworks. com/pub/books

在本书的写作过程中, 非常感谢Alan Oppenheim和Alan Willsky所给予的支持与鼓励, 感谢他们非常慷慨地给我们提供这么一个机会来写这本书, 并且很宽厚而信任地让我们独立地完成它. 同样要感谢多年来在MIT与我们共事的朋友们和同仁, 尤其是Steven lsabelle, Hamid Nawab, Jim Preisig, Stephen Scherock以及Kathleen Wage, 这本书肯定地从我们与他们的相互交往中获益不少, 并且他们总是在为本书的完美无缺尽职尽责. 也要感谢Mukaya Panich和Krishna Pandey, 他们很用心地测试了这些练习. MathWorks公司的Naomi Bulock为设置互联网的网址提供了热情地帮助. Prentice-Hall, 特别是Alice Dworkin, Marcia Horton

和TomRobbins的耐心和支持一直是有助于我们完成这项任务. 这些练习都是我们曾在MIT电气工程与计算机科学系攻读研究生学位期间作为助教或教员时完成的. 现在, John Buck已是University Of Massachusetts Dartmouth电气与计算机工程系的助教授, Michael Daniel是MIT的Laboratory for lnformationand Decision的研究助理, 而Andrew Singer是A Lockheed Martin Company(Sanders)的一名研究科学工作者.

John Buck, Michael Daniel, Andrew Singer

Cambridge, MA, August 1996

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