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页数:402

译者:副主编金波 ...

出版时间:2009-8

价格:36.80元

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isbn号码:9787560955407

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《信号与系统分析：从傅里叶到小波变换的深度探索》 图书简介 本书旨在为电气工程、电子信息、通信工程、控制科学以及相关理工科专业的高年级本科生、研究生以及专业工程师提供一套全面、深入且富有洞察力的信号与系统分析的理论框架与应用指南。我们聚焦于对信号处理和系统响应核心概念的透彻理解，并辅以丰富的数学工具和实际案例分析，帮助读者构建坚实的理论基础，并掌握应对复杂工程问题的分析能力。 本书的结构设计遵循从基础概念到高级变换方法的逻辑递进路线，力求在严谨的数学推导与直观的工程解释之间找到完美的平衡点。我们深知，对信号和系统的理解，是现代信息科学和工程技术领域所有分支的基石。 --- 第一部分：基础概念与时域分析（Foundation and Time-Domain Analysis） 本部分为后续所有高级分析奠定基础，重点梳理了信号与系统的基本定义、特性及其在最直观的时域内的行为。 第一章：信号的本质与分类 本章首先明确了“信号”在工程中的定义，它不仅仅是电压或电流，更是承载信息的物理量随时间或空间的变化函数。我们详细讨论了信号的各种重要分类，包括连续时间信号（CT）与离散时间信号（DT）的数学表示、周期性与非周期性、能量信号与功率信号的判别标准（通过积分和求和的收敛性进行严格证明）。此外，还引入了理想的信号操作，如时间平移、反折、缩放和切片，这些基本操作是理解系统响应的基础。对奇偶信号的分解，为后续的傅里叶分析提供了预备知识。 第二章：线性时不变系统（LTI Systems）的特性 线性时不变系统（LTI）是工程中最理想、研究最透彻的一类系统。本章的核心是定义LTI系统的两大核心性质：叠加性（线性）和时不变性。我们通过严格的数学证明展示了，在LTI系统中，系统的全部行为完全由其冲激响应（Impulse Response, $h(t)$ 或 $h[n]$）所决定。 第三章：系统的时域描述与卷积 本章深入探讨了如何利用冲激响应描述LTI系统的输出。关键在于卷积积分（或求和）。我们对连续时间系统的卷积积分 $ ext{y}(t) = int_{-infty}^{infty} x( au)h(t- au)d au$ 进行了详尽的几何解释，特别是“翻转、平移、相乘、累加”的过程，帮助读者建立直观的图像感知。对于离散系统，则详述了卷积和的计算过程。本章还讨论了因果性（Causality）和稳定性（Stability）的充要条件，这些是判断系统是否可以实际应用的物理约束。 --- 第二部分：频率域分析的基石（The Cornerstone of Frequency Domain Analysis） 时域的卷积运算在数学上往往复杂且不易求解，因此，引入频率域分析成为必然。本部分是全书的核心，将傅里叶分析推向深入。 第四章：傅里叶级数（Fourier Series）与周期信号的频谱 本章从周期信号出发，系统地推导了三角函数形式和复指数形式的傅里叶级数。重点阐述了复指数形式的优越性及其系数的计算方法。我们深入分析了傅里叶级数在频谱分析中的物理意义：它揭示了信号中包含的离散频率成分的幅度和相位信息。同时，讨论了狄利克雷（Dirichlet）条件，确保级数收敛。 第五章：傅里叶变换（Fourier Transform, FT）——非周期信号的扩展 傅里叶变换被视为傅里叶级数在周期趋于无穷大时的极限。本章详细定义了连续时间傅里叶变换及其反变换。我们通过对比周期信号和非周期信号的频谱（谱线到连续谱的演变），强化了对“频率”概念的理解。本章包含大量重要的傅里叶变换对及其性质（线性、时移、频移、对偶性、帕塞瓦尔定理等），这些性质是解题和工程应用的关键工具。 第六章：系统的频率响应与卷积特性的转化 本章将时域的卷积与频域的乘积之间的深刻关系——傅里叶变换的乘法性质——置于核心地位。即：时域卷积等价于频域的乘积 $mathcal{F}{x(t) h(t)} = X(jomega)H(jomega)$。这极大地简化了LTI系统的分析：系统的频率响应 $H(jomega)$ 被定义为输入频谱与输出频谱之比。我们详细分析了幅频特性和相频特性，并讨论了理想滤波器（如理想低通、高通、带通）的频率响应形状及其在时域中带来的非理想后果（如振铃效应）。 --- 第三部分：离散系统的分析工具（Analysis Tools for Discrete Systems） 随着数字信号处理的兴起，对离散时间信号和系统的分析变得至关重要。本部分引入了离散域中的对应工具。 第七章：拉普拉斯变换（Laplace Transform）——更强大的分析工具 虽然傅里叶变换在处理稳定、收敛的信号时非常有效，但对于处理不稳定系统或瞬态响应时，其收敛性成为一个限制。本章引入了拉普拉斯变换，通过引入复变量 $s = sigma + jomega$，将傅里叶变换扩展到一个更广阔的复平面上。我们定义了单边和双边拉普拉斯变换，并严格定义了收敛域（ROC）的重要性，强调ROC是确保系统可逆性和稳定性的关键信息。本章还详述了拉普拉斯变换在求解微分方程和积分方程方面的巨大优势，特别是其对初始条件的自然嵌入。 第八章：Z 变换（Z-Transform）——离散系统的核心 Z变换是拉普拉斯变换在离散时间系统中的对应物。本章详细介绍了Z变换的定义、性质以及其在分析线性常系数差分方程（LCCDE）中的应用。我们再次强调了收敛域（ROC）在Z域中的几何表示及其对因果性、稳定性和可解性的影响。本章通过大量的例子，展示了如何使用Z变换和ROC来识别和分析各种IIR（无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）滤波器。 第九章：傅里叶变换在离散系统中的应用——DFT与FFT 本章将连续傅里叶分析的理论过渡到实际的计算领域。我们定义了离散时间傅里叶变换（DTFT），并解释了当时间变量被周期化后，DTFT如何退化为离散傅里叶变换（DFT）。重点讲解了快速傅里叶变换（FFT）算法的原理和工程意义，说明了FFT如何使频谱分析在实时系统中成为可能。同时，本章讨论了采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）的精确表述及其对A/D和D/A转换的指导意义，以及混叠现象（Aliasing）的产生机理和避免方法。 --- 第四部分：系统分析与状态空间方法（Advanced System Analysis and State-Space Methods） 为了处理多输入多输出（MIMO）系统以及更复杂的非LTI系统（在特定线性化前提下），本部分引入了更先进的数学框架。 第十章：系统的稳定性与反馈 本章对稳定性的概念进行了更深入的探讨，包括BIBO（有界输入，有界输出）稳定性的严格定义。在Z域和s域中，我们通过分析系统的极点（Poles）位置来快速判断系统的稳定性，并详细解释了所有极点位于单位圆或左半平面上的物理意义。此外，本章还引入了反馈控制的基本概念，探讨反馈如何改变系统的极点位置（极点配置的初步概念）。 第十一章：状态空间表示法（State-Space Representation） 对于高阶系统或需要同时考虑多个内部变量的系统，传统的传递函数（Transfer Function）表示法显得力不从心。本章引入了状态变量的概念，将高阶系统转化为一组一阶常微分方程（或差分方程）组成的组，即状态空间模型 $dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$。本章的重点在于如何从时域模型构建状态空间，以及如何利用矩阵指数（对于CT系统）或矩阵幂（对于DT系统）求解系统的自由响应。此方法为现代控制理论打下了坚实的矩阵代数基础。 第十二章：可控性、可观测性与模态分析 本章是状态空间分析的深化。我们引入了李雅普诺夫（Lyapunov）判据的初步思想，并通过系统的可控性（Controllability）和可观测性（Observability）矩阵来分析系统是否能够被完全驱动到任意状态，以及系统的内部状态是否能完全被输出信息所反映。最后，利用对角化和Jordan标准型，展示了如何通过相似变换将系统解耦，从而实现对系统各个独立“模态”的清晰理解。 --- 总结 本书通过这种系统化的结构，确保读者不仅掌握了如何计算傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换，更重要的是理解了为什么需要这些变换，以及它们在时域、频域和复频域中如何相互映射，共同描绘出信号与系统在不同视角下的完整动态图景。每一章节都配有精心挑选的例题和习题，旨在巩固理论理解并培养解决实际工程问题的能力。

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这本《电路理论》简直是为初学者量身定做的，我之前对电子学完全是门外汉，看着那些复杂的符号和公式就头疼。可是这本书的叙述方式非常清晰，像是有一位耐心的老师在旁边手把手地教你。它没有一上来就抛出那些晦涩难懂的定律，而是从最基本的概念，比如电压、电流的物理意义讲起，用大量形象的比喻来解释，让我一下子就明白了能量的流动到底是怎么回事。尤其是它在讲解基尔霍夫定律（KCL和KVL）的时候，简直是教科书级别的清晰。作者似乎深知我们这些“小白”在理解这些概念时容易在哪里卡壳，所以特意设置了大量的“思考题”和“生活实例”，比如拿水流来比拟电路，一下子就将抽象的物理概念拉回了现实生活。我最欣赏的是它对图论在电路分析中的应用的介绍，虽然这个部分一开始看起来有点复杂，但作者循序渐进的推导过程，让我最终能够独立地进行节点分析和网孔分析，这极大地增强了我对复杂电路进行系统化处理的信心。这本书的排版也很好，图例清晰，公式推导步骤详略得当，即便是反复阅读同一章节，也不会感到视觉疲劳。对于想要打下坚实基础的人来说，这本书的理论深度是足够的，但其语言的亲和力又保证了学习过程的流畅性。

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对于研究生阶段的学习而言，我们需要的教材必须具备足够的深度和广度，能够涵盖从基本定律到更高级分析方法的过渡。《电路理论》在这方面做得非常出色，它成功地架设了从直流/交流稳态分析到动态系统分析的桥梁。我尤其赞赏它在处理二阶系统的响应时所采用的系统化方法。书中将特征方程的根与系统的时域响应特性进行了精确的映射，这使得学习者能够预判任何二阶电路的最终行为，而不仅仅是套用公式。更进一步，它对AC稳态分析的讲解，不再是简单的相量法堆砌，而是深入探讨了阻抗和导纳在频率域中的物理意义，这对于理解滤波器设计的基础至关重要。作者在引入输入输出关系时，非常自然地过渡到了传递函数的概念，并在有限的篇幅内展示了如何使用波德图（Bode Plot）来直观地分析系统的频率特性。虽然涉及一些微积分和线性代数，但作者的引入方式非常克制和目的明确，确保了这些数学工具服务于电路分析本身，而不是喧宾夺主。这本书可以作为进阶学习的良好参考书，因为它在基础扎实之上，为后续学习控制理论和电子系统打下了坚实的数学和概念基础。

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说实话，我买这本书是抱着试一试的心态，因为我之前读过好几本关于基础电磁学的书，它们都过度依赖于抽象的矢量分析和场论，让我感到非常挫败。这本《电路理论》给我的最大惊喜在于它对“等效”概念的精妙处理。作者似乎对如何降低读者的认知负荷有着深刻的理解，他没有急于引入复杂的戴维南南定理或诺顿定理，而是先从最直观的电阻串并联规则开始，逐步构建起“等效”思维的大厦。当他介绍这些等效变换定理时，不是简单地给出公式，而是通过对电路能量守恒的重新审视，来证明这些简化方法在保持外部观察等效性上的合理性。书中对于“叠加原理”的讲解尤其精彩，它用一种近乎哲学的视角，来阐述如何将复杂系统分解为可管理的部分，这对于处理多源激励的电路至关重要。我发现，一旦我真正理解了这些等效工具背后的物理含义，那么在面对那些看似无解的复杂网络时，我不再感到无助，而是知道该从哪个角度进行拆解和简化。这本书的行文风格中带着一种老派的学院派气质，逻辑链条极其稳固，每一个结论都有坚实的理论基础支撑，让人不得不信服。

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我是一个已经工作了几年，但基础相对薄弱的工程师，在进行一些老旧设备的维护和升级时，经常被一些陈旧的电路原理卡住，市面上很多教材要么过于面向考试，要么就是面向高阶的信号处理，缺乏对基础理论的深入回顾和实际工程应用的连接。这本书的视角非常独特，它不仅仅停留于数学推导，更注重将拉普拉斯变换、傅里叶分析这些高级工具“落地”到实际的暂态分析和稳态分析中。它花了大量的篇幅去解释为什么我们需要引入复频域分析，以及这些分析工具如何帮助我们预测电路在不同输入下的真实响应，而不是仅仅停留在求解一个微分方程的表面。书中对RLC电路瞬态响应的讨论非常详尽，它通过不同阻尼状态（过阻尼、欠阻尼、临界阻尼）的对比分析，让读者深刻理解元件特性如何决定电路的动态行为。更难能可贵的是，它在每一章的末尾都穿插了“工程挑战”部分，这些挑战并非简单的习题，而是模拟了实际工作中可能遇到的参数漂移、非线性元件影响等问题，迫使读者运用所学理论去思考现实中的“不完美”。这本书的严谨性和实用性的完美结合，让我感觉自己不是在学习一门纯理论学科，而是在掌握一套解决实际工程问题的工具箱。

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这本书的魅力在于它的“跨界”性，它并没有将自己局限在纯粹的电路分析领域，而是巧妙地将一些工程思维和系统论的观点融入其中。例如，在讨论功率传输和最大功率点跟踪时，书中不仅仅计算了瞬时功率和平均功率，还引入了功率因数校正的概念，并解释了为什么在电网中功率因数如此重要，这对于理解电力系统运行的实际需求非常有帮助。另外，我对它处理非线性电路的章节印象深刻，虽然非线性分析本身就难以精确，但作者介绍的“分段线性化”和“小信号模型”的思想，是工程师处理实际问题常用的有效近似方法，这种从理想模型到现实模型的过渡处理，展现了作者深厚的工程实践经验。阅读这本书的过程，就像是在进行一场结构精密的建筑设计，每一块砖石（概念）都放置在最恰当的位置，并且互相支撑，共同构筑起一个完整的知识大厦。它培养的不仅是计算能力，更是对电路系统整体行为的洞察力，是那种“看一眼就知道大概是怎么回事”的能力，而不是仅仅能解题的能力。

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