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信号与系统结构精析.pdf 个人收集电子书，仅用学习使用，不可用于商业用途，如有版权问题，请联系删除！http://showmecode.cn/inks/book国外电子与通信教材系列信号与系统结构精析Structure and Interpretation ofSignals and systems[美jEdwarda. lee者Pravin varaiya吴利民杨瑞绢王振华向家彬等译吴利民审校電子工業出版礻Publishing House of Electronics Industry北京· BEIJINOhttp://showmecode.cn/inks/book内容简介本书是关于“信号与系统”的导论,它是以作者在美国加州大字们克利分校儿年来的成功教学讲稿为基础而缃撰的,反映∫当代数亍世界的貞实性、与大多数“信号与系统¨教材不冋的是,本书对信号与系统的分析方法做∫较大的变革全书从介绍实用的信号与系统出发,利用网数与集合的概念来重新∫定义信号与系统并提岀」系统的统建模方法:论述」状态机的棊原理及纠成方法,扩脹∫线性肘不变系统的含义;有机地结合了信的频率分析炇线性时不变系统的频率响应分析:总结」经典的傅里叶变换工县.探讨∫信号与系统的蜒域分析方法与j应用书中的每章安排有小结炇匀题,其中习题还分为简单题、岽合题及思考题木书适用于电气丁程、通信、计算机科学与Ⅰ程类的本科牛.也叮供相关的技术人员参考Simplified Chinese edition Copyright o 200 b y PEARSO EDLCATION ASI A LIMITED and Publishing House ofElectronics IndustrvStrueture and Interpretation Of Signals and Systems. ISBN: 02017455 18 by Edward A Lee& Pravin Varaiya, Copyright C2003. All Rights reservedPublished by arrangement with the original publisher, Pearson Educ ation Inc publishing as Addison-WesleyThis edition is authorized for sale only in the People s Republic of China(excluding the Special Administrative Region ofHong kong and Macau本书中文简休了翻译版由电子业出版社和 Pearson education培教育出版亚洲有限公可合作出版,未经出版者预先书面许可.不得以任何方式复制或抄袭本书的任何部本书时面贴有 Pearson education培教育出版集团激光防伪标绔,元标签者不得销售版权贸易合同脊记号肉广:01-2002-5697图书在版编目(C|P)数据信与与系统结构精析/(关)李(lke.E.A.)等著;吴利民等译.-北京:电子I业出版社,204(|外电子与j通信教材系列)书名原文: Structure and Interpretation of signals and systenSBN7-121-02399-7.信Ⅱ.①个…2…Ⅲ.号系统-教材1.N91.6中版木图书馆CIP数据核(2006)第02023号责任编辑:谭海平特约编辑:E崧印刷:北京市天竺颖华印刷厂出版发行:电子工业出版社北京市海淀区万标路173信箱邮编:100036销:各地新华书店开本:787×10921/16印张:26.5数:698千印次:2006年4月第1次印刷价:4800元凡购买电子1业出版社的,如有缺损问题,请向购头书店调换;荇书店售缺,请与本社发行部联系联系电话:(010)683279077质量投诉请发邮件至@phei.com.cnl,瓷版侵权举报请发邮件至dbjg(aphei.comellhttp://showmecode.cn/inks/book序2001年7月间,电子工业出版社的领导同志邀请各高校十几位通信领域方面的老师,商量引进国外教材问题。与会同志对出版社提出的计划十分赞同,大家认为,这对我国通信事业、特别是对高等院校通信学科的教学工作会很有好处。教材建设是高校教学建设的主要内容之一。编写、出版一本好的教材,意味着开设了一门好的课程,甚至可能预示着一个崭新学科的诞生。20世纪40年代M林肯实验室出版的一套28本雷达丛书,对近代电子学科、特别是对雷达技术的推动作用,就是一个很好的例子。我国领导部门对教材建设一直非常重视。20世纪80年代,在原教委教材编审委员会的领导下汇集了高等院校几百位富有教学经验的专家,编写、出版了一大批教材;很多院校还根据学校的特点和需要,陆续编写了大量的讲义和参考书。这些教材对高校的教学工作发挥了极好的作用。近年来,随着教学改革不断深入和科学技术的飞速进步,有的教材内容已比较陈旧、落后,难以适应教学的要求,特别是在电子学和通信技术发展神速、可以讲是日新月异的今天,如何适应这种情况,更是一个必须认真考虑的问题。解决这个问题,除了依靠高校的老师和专家撰写新的符合要求的教科书外,引进和出版一些国外优秀电子与通信教材,尤其是有选择地引进一批英文原版教材,是会有好处的。年多来,电子工业出版社为此做了很多工作。他们成立了一个“国外电子与通信教材系列项目组,选派了富有经验的业务骨干负责有关工作,收集了230余种通信教材和参考书的详细资料,调来了100余种原版教材样书,依靠由20余位专家组成的出版委员会,从中精选了40多种,内容丰富,覆盖了电路理论与应用、信号与系统、数字信号处理、微电子、通信系统、电磁场与微波等方面,既可作为通信专业本科生和研究生的教学用书,也可作为有关专业人员的参考材料。此外这批教材,有的翻译为中文,还有部分教材直接影印出版,以供教师用英语直接授课。希望这些教材的引进和出版对高校通信教学和教材改革能起一定作用。在这里,我还要感谢参加工作的各位教授、专家、老师与参加翻译、编辑和出版的同志们。各位专家认真负责、严谨细致、不辞辛劳、不怕琐碎和精益求精的态度,充分体现了中国教育工作者和出版工作者的良好美德。随着我国经济建设的发展和科学技术的不断进步,对高校教学工作会不断提出新的要求和希望。我想,无论如何,要做好引进国外教材的工作,一定要联系我国的实际。教材和学术专著不同,既要注意科学性、学术性,也要重视可读性,要深入浅出,便于读者自学;引进的教材要适应高校教学改革的需要,针对目前一些教材内容较为陈旧的问题,有目的地引进一些先进的和正在发展中的交叉学科的参考书;要与国内出版的教材相配套,安排好出版英文原版教材和翻译教材的比例。我们努力使这套教材能尽量满足上述要求,希望它们能放在学生们的课桌上,发挥一定的作用。最后,预祝“国外电子与通信教材系列”项目取得成功,为我国电子与通信教学和通信产业的发展培土施肥。也恳切希望读者能对这些书籍的不足之处、特别是翻译中存在的问题,提出意见和建议,以便再版时更正中国工程院院士、清华大学教授“国外电子与通信教材系列”出版委员会主任http:/showmecode.cn/inks/book出版说明进人21世纪以来,我国信息产业在生产和科研方面都大大加快了发展速度,并已成为国民经发展的支柱产业之一。但是,与世界上其他信息产业发达的国家相比,我国在技术开发、教育培训等方面都还存在着较大的差距。特别是在加入WTO后的今天,我国信息产业面临着国外竞争对手的严峻挑战作为我国信息产业的专业科技出版社,我们始终关注着全球电子信息技术的发展方向,始终把引进国外优秀电子与通信信息技术教材和专业书籍放在我们工作的重要位置上。在2000年至2001年间,我社先后从世界著名出版公司引进出版了40余种教材,形成了一套“国外计算机科学教材系列”,在全囻高校以及科研部门中受到了欢迎和好评,得到了计算机领域的广大教师与科研工作者的充分肯定。引进和出版一些国外优秀电子与通信教材,尤其是有选择地引进一批英文原版教材,将有助于我国信息产业培养具有国际竞争能力的技术人才,也将有助于我国国内在电子与通信教学工作中掌握和跟踪国际发展水平。根据国内信息产业的现状、教育部《关于“十五”期间普通髙等教育教材建设与改革的意见》的指示精神以及高等院校老师们反映的各种意见,我们决定引进“国外电子与通信教材系列”,并随后开展了大量准备工作。此次引进的国外电子与通信教材均来自国际著名出版商,其中影印教材约占一半。教材内容涉及的学科方向包括电路理论与应用、信号与系统、数字信号处理、微电子、通信系统、电磁场与微波等,其中既有本科专业课程教材,也有研究生课程教材,以适应不同院系、不同专业、不同层次的师生对教材的需求,广大师生可自由选择和自由组合使用。我们还将与国外出版商一起,陆续推出一些教材的教学支持资料,为授课教师提供帮助。此外,“国外电子与通信教材系列”的引进和出版工作得到了教育部高等教育司的大力支持和帮助,其中的部分引进教材已通过“教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导委员会”的审核,并得到教育部高等教育司的批准,纳入了“教育部高等教育司推荐—国外优秀信息科学与技术系列教学用书”。为做好该系列教材的翻译工作,我们聘请了清华大学、北京大学、北京邮电大学、南京邮电大学、东南大学、西安交通大学、天津大学、西安电子科技大学、电子科技大学、中山大学、哈尔滨工业大学、西南交通大学等著名高校的教授和骨干教师参与教材的翻译和审校工作。许多教授在国内电子与通信专业领域享有较高的声望,具有丰富的教学经验,他们的渊博学识从根本上保证了教材的翻译质量和专业学术方面的严格与准确。我们在此对他们的辛勤工作与贡献表示衷心的感谢。此外,对于编辑的选择,我们达到了专业对口;对于从英文原书中发现的错误,我们通过与作者联络、从网上下载勘误表等方式,逐一进行了修订;同时,我们对审校、排版、印制质量进行了严格把关。今后,我们将进一步加强同各高校教师的密切关系,努力引进更多的国外优秀教材和教学参考书,为我国电子与通信教材达到世界先进水平而努力。由于我们对国内外电子与通信教育的发展仍存在一些认识上的不足,在选题、翻译、出版等方面的工作中还有许多需要改进的地方,恳请广大师生和读者提出批评及建议。电子工业出版社http://showmecode.cn/inks/book教材出版委员会主任吴佑寿中国工程院院士、清华大学教授副主任林金桐北京邮电大学校长、教授、博士生导师杨千里总参通信部副部长,中国电子学会会士、副理事长中国通信学会常务理事委员林孝康清华大学教授、博士生导师、电子工程系副主任、通信与微波研究所所长教育部电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会委员徐安士北京大学教授、博士生导师、电子学系主任教育部电子信息与电气学科教学指导委员会委员樊昌信西安电子科技大学教授、博士生导师中国通信学会理事、IEEE会士程时昕东南大学教授、博士生导师、移动通信国家重点实验室主任郁道银天津大学副校长、教授、博士生导师教育部电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会委员阮秋琦北京交通大学教授、博士生导师计算机与信息技术学院院长、信息科学研究所所长张晓林北京航空航天大学教授、博土生导师、电子信息工程学院院长教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会委员郑宝玉南京邮电大学副校长、教授、博士生导师教育部电子信息与电气学科教学指导委员会委员朱世华西安交通大学副校长、教授、博士生导师、电子与信息工程学院院长教育部电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会委员彭启琮电子科技大学教授、博士生导师、通信与信息工程学院院长教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会委员毛军发上海交通大学教授、博士生导师、电子信息与电气工程学院副院长教育部电子信息与电气学科教学指导委员会委员赵尔沅北京邮电大学教授、《中国邮电高校学报(英文版)》编委会主任钟允若原邮电科学研究院副院长、总工程师刘彩中国通信学会副理事长、秘书长杜振民电子工业出版社原副社长王志功东南大学教授、博士生导师、射频与光电集成电路研究所所长教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会主任委员张中兆哈尔滨工业大学教授、博士生导师、电子与信息技术研究院院长范平志西南交通大学教授、博土生导师、计算机与通信工程学院院长http://showmecode.cn/inks/book译者序Edward A.lee与 Pravin Varaiya均为美国加州大学伯克利分校的著名教授。他们不仅在信号处理、通信、网络系统与控制、传输与混合系统、嵌入式软件、信息论以及工程教育等方面的研究颇有建树,而且还长期担任该校本科生的信号与系统结构分析等课程的教学工作。因此,本书就是基于作者过去四年里在加州大学伯克利分校给电气工程与计算机科学类学生授课的讲稿而改编的。它与大多“信号与系统”教材不同的是,本书提出的对信号与系统的研究方法并不拘泥于电路系统,它着重利用了在声音与图像处理系统方面的应用来闻明这种新颖的研究方法。这就意味着它对传统的信号与系统分析方法做了较大的变革。本书着重从计算方法的角度来探讨信号与系统,也是专为电气工程通信计算机科学与工程类的那些对现代数字世界感兴趣的学生而编写的。本书最能使读者受益的是,书中采用的信号与系统的分析方法是适用于各种软件系统的。因此,该书被公认为是一本有关“信号与系统”教材内容改革方面的较新教材与工程参考书。全书共分为14章和两个附录。其主要内容是从介绍实用的信号与系统出发,利用函数与集的概念来重新定义信号与系统,并提出了系统的统一建模方法。论述了状态机的基本原理及组成方法,并将有限状态机用于线性系统的时域分析中。扩展了线性时不变系统的含义,构成混合系统,并证实了统一建模方法的独特优越性。通过对滤波特性的探讨将信号的频率分析以及线性时不变系统的频率响应分析,有机地结合在一起。总结了经典的傅里叶变换工具,利用频域分析法对信号的抽样及恢复进行了探讨。并深入探讨了信号与系统的频域分析法(如Z变换、拉普拉斯变换)及其应用。最后对系统的组成方式及反馈控制进行了总结探讨。本书在每章之后均安排有要点小结及习题,其中习题还分为简单题、思考题与多解题三种类型。本书由中国人民解放军空军雷达学院信息与通信工程系的多位老师翻译完成。其中吴利民翻译了前言第1章至第4章,并负责审校全书;杨瑞绢、秦江敏、肖玉芬、黄美荣、谢维华、赵光辉翻译了第5章至第9章以及附录部分;向家彬、谭宏翻译了第10章和第11章,王振华、王晗中翻译了第12章至第14章。此外,我们要特别感谢华中科技大学电子工程学院的余玉龙老师为我们的翻译工作提出了大量指导性的细致的宝贵意见,并对所有在各方面给予本书翻译工作巨大帮助的人员深表谢意。由于该书内容新颖翔实,涉猎范围较宽,且原文作者叙述风格别致,加之译者时间仓促、水准有限,致使书中译文差错与疏忽也在所难免,恳请读者斧正并不吝赐教。若有任何批评意见或建议,欢迎发邮件至wmg@ public. wh. hb cno译者2006年于空军雷达学院http:/showmecode.cn/inks/book前言“信号与系统”是一门在电气工程(EE)领域扎根多年的课程。然而,正如我们所知的那样,电只是提供动力的一种形式,它并不给出“信号与系统”本身;加之我们面临现代机械工程与信号处理技术、应用数学与数字组网技术以及计算杋科学技术的渗透应用,使得微机电系统(MEMS)在电气工程中占有如此重要的地位;再考虑到控制系统技术是如何有利地应用于航空、航天系统结构工程、电气系统以及可选系统评估等方面的因素,电气工程(EE)也就失去了它与“电”的紧密关联。因此,随之而来的是“信号与系统”这门传统课程也以不可预料的方式变革着。本书正是基于这些事实来重新研究信号与系统的。本书着重从计算方法的角度来探讨信号与系统,是专为电气工程、计算机科学与工程类的那些对现代数字问题感兴趣的学生而编写的。书中的探讨方法也特别适用于解决计算机组网、无线通信系统、嵌入式控制、音频与视频信号处理系统中的问题,当然也更适用于解决电路系统中的问题由于信号与系统这门学科来自于电路分析中的内容,因此,传统的信号与系统导论内容往往侧重于对电路的应用,它们几乎总是局限于讨论线性时不变系统。如先讨论它的连续时间系统模型,而后将离散时间系统模型作为一个较深的专题来探讨。然而,这些也已经改变了。因为即便是那些纯电气工程专业的毕业生,也更有可能去从事软件编程,而不一定从事纯电路分析方面的工作,尽管他们仍被人们认为是电气工程师。本书最能使学生受益的是,从开始就阐明了书中采用的信号与系统的分析方法是适用于软件系统的。最有趣的是,这些分析方法也可用于对那些在我们日常生活中应用普遍、功能重要的计算机与物理装置混合的实用系统的分析。这些物理装置主要有电路、机械控制系统以及实际的媒体。本书提出的对信号与系统的研究方法是不拘泥于电路的,这也意味着对传统分析方法的些变革。譬如,在保留信号的原始真实定义的基础上,即定义随时间变化的电压是一种信号,同时也把网络中的数据包序列定义为信号;在坚持认为RC电路是一个系统的同时,又将应用于因特网中数字音频解码的计算机程序定义为系统;在一些系统的状态仍可由微分方程中的变量来完全描述及定义的同时,也将现今大量在计算机寄存器与存储器内存放的数值定义为状态。本书对信号与系统研究过程中的一些基本限制也有不同。尽管人们仍然面临的是热噪声与光速的限制问题,但我们在考虑这些问题之前,还需考虑一些其他因素的限制。诸如,系统的错综复杂性、可计算性、不规则性以及一些最常见的人为因素的限制。臂如,一个语音频带数据调制解调器用于被设计成传输语音的电话网络中,后者的带宽已被人为地限制在3kHz,并且不可改变。然而,这类限制并不来源于系统自身的固有特性,而是由设计者当初强加的。类似地,在基于计算机处理的音频系统中,总会有延时响应及颤抖现象发生,这是由于它的操作系统影响所致。因此,书中也着重讨论系统的组成以使我们弄懂个系统对另一个系统的限制及影响。本书对研究信号与系统所要求的数学基础也有改变。虽然我们仍需用到微积分与微分方程,但还常常需要离散数学、集合论以及数理逻辑工具。这是因为,尽管前一类数学也在演变以适应描述现今的物理世界,但作为系统设计者的我们还常常会面临这样一种境地,那就是用传http://showmecode.cn/inks/book统的数学工具并不能较好地描述反映系统的抽樂特性。因此,书中也把对信号与系统的整个研究建立在一种通用性较强且扎根于基本集合论的基础上。尽管这些基本的数学研究工具随着我们研究时采用的手段或方法的不同而不同,但对信号与系统的研究方法论总是行之有效的。我们认为,正是这种研究系统的方法论,而不是在该过程中采用的某种方法或工具,规范了对信号与系统的研究领域。本书是基于作者过去的四年里在加州大学伯克利分校给电气工程与计算机科学类2000多名学生讲授的课程而编写的,那一段教学经验无疑也给本书增添了一些与众不同的特色。首先,本书对那些即使没有电气工程与计算机科学方面基础知识的学生也适用。其次,读者只需具备一些有关微积分、基本的集合论、级数、一阶线性微分方程、三角学以及基本的复数知识由于本书附录中包含有集合论与复数,因此对这方面的基础知识的要求相应也低一些。方法本书主要论述信号与系统的数学建模、分析方法及其应用,以及它们的数学模型与其计算实现之间的关系。书中探讨如下三个主题。第一个主题是,将集合与函数作为一种通用的语言来描述各种不同的信号与系统。臂如,声音、图像、比特序列这类信号可表示成具有一定的定义域与值域的函数,而系统也可表示成函数,但它们的定义域与值域就是信号的集合本身。醫如,个调制解调器就可表示成一种将比特序列变换成声音信号的函数。第二个主题是,复杂的系统可出简单的子系统利用级联、并联与反馈的标准方式连接而成。具体的连接方式确定了该互联系统的特性与子系统的不同。连接的一致性要求系统连接时的输入与输出信号。最后一个主题是,尽力将数学方面的描述观点(是什么)与实际中如何运作的观点(怎样做)联系在一起。也就是说,把系统的数学分析与它们的具体实现相联系,这也是工程中至关重要的一点。在电路的物理特性已被数学充分描述的过去,当电气工程整个仅就电路来考虑时,切都易如反掌。今天,我们必须设法将系统的数学分析与其大不相同的实现(尤其是软件实现)相联系。书中通过对状态机的研究,对大量实用信号的考虑已形成了这种结合。当然,这些实用信号并不像它们的数学抽象,它们几乎没有明显的可描述性结构。譬如,语音信号就远比正弦信号表现得丰富有趣。然而,在现今许多的信号与系统教科书中,仍只限于对这类正弦信号的分析。内容第1章将信号描述为函数。它着重刻画一些常见信号函数的定义域及域值。这类信号既有声音、图像、视频、弹道轨迹信号,又有常用于计算机中存储或运算信息的信号,如字、位序列信号。第2章将系统描述为函数,其定义域与值域就是信号集合的本身。例如,在前一章介绍的电话话筒将声音转换成模拟电信号,后经电话中央控制局的线路插件系统转换成数据比特流,此乃该方面的事例。当然,一些系统也可连接在一起,以便构成一个更复杂的系统。因此描述这些复杂系统的函数则是那些描述分系统函数的组合。具体地刻画定义那些描述信号与系统的函数是本书的主要内容。因此,第3章开始采用所有定义在有限状态机范围内的状态、状态转移函数以及输出函数的概念来刻画描述系统。第4章着重论述状态机可通过不同的连接方式(如级联并联以及反馈)来构成更有意义的系统。通过反馈控制在系统中的应用,又更加证实了状态机模型的功能。