这是由周浩敏和王睿主编的测试信号处理技术教程最新版，是北京航空航天大学测控类学生的必修教程内容简介本书是2004年出版的《测试信号处理技术》的第2版。全书基本内容仍为信号分析与处理的理论基础知识,主要包括:连续和离散时间信号的频谱分析,模拟和数字滤波器的设计原理和方法,同时介绍了随机信号分析、现代信号处理技术的基本概念和基本分析方法。本书以连续时间信号的分析处理为基础,以数字信号处理为重点,不要求以“信号与系统”为先修课程。本书共分8章,包括:概论,信号分析和处理基础,离散时间序列及其ε变换,离散时间信号分析,数字滤波基础,数字滤波器,随机信号分析基础,现代信号处理技术。本书是¨十一五”国家级规划教材,可作为测控技术与仪器、信息工程、探测制导与控制、自动化、精密仪器、电器工程和机电工程等大学本科专业的教科书,也可作为相关专业工程硕士的教材以及从事相关专业的工程技术人员学习信号分析与处理技术的参考书。图书在版编目(CIP)数据测试信号处理技术/周浩敏,王睿编著.—2版.一北京北京航空航天大学出版社,2009.5ISBN978-7-81124-620-9I.测…Ⅱ.①周…②王…Ⅲ.信号处理Ⅳ.TN911.7中国版本图书馆CIP数据核字(2009)第037017号测试信号处理技术(第2版)周浩敏王睿编著责任编辑刘晓明北京航空航天大学出版社出版发行北京市海淀区学院路37号(100191)发行部电话:010-82317024传真:010-82328026http://www.buaapress.comcnE-mail:bhpress@263.net印刷有限公司印装各地书店经销开本:787×9601/16印张:41字数:918千字2009年5月第1版2009年5月第1次印刷印数:3000册ISBN978-7-81124-620-9定价:64.00元第2版前言本书第1版自2004年出版以来,经过了5年5届学生的教学实践;同时,将它直接作为教材使用的本科专业学生,已从原来面向自动化专业自动测试与控制方向的本科生,扩展到测控技术与仪器、信息工程以及探测制导与控制3个本科专业的本科生。专业面向的进一步扩大,特别是学科建设的快速发展,对这一课程的内容提出了一些新的要求;另外,考虑到信号分析与处理的理论、原理、方法、技术及其应用领域的高速拓展和发展,有必要在保证课程基础理论、原理相对稳定的同时,融入体现时代气息的新内容,这也是创新人才培养的需要。本书第1版有幸被评为北京市高等教育精品教材,在此基础上,我们又借其作为“十一五”国家级规划教材推岀的契机,在原书基本框架保持不变的前提下,对全书内容作了较大幅度的更新和修订,主要包括①删掉了“实时信号处理及其系统概述”与“非平稳状态的系统分析”两节。②引入了二维傅里叶变换、分数傅里叶变换、希尔伯特变换(包括希尔伯特-黄变换)、沃尔什变换、分形变换、主成分分析法以及粒子滤波等基本概念,其中分数傅里叶变换、希尔伯特-黄变换、分形变换、主成分分析和粒子滤波这些新的内容,无论是理论本身还是其应用,都还在研究和发展中,将其反映到教材中,无疑是一种尝试。这些内容不一定都需要在课程中讲述(某些内容根据具体情况也是可以选用的),但对于开拓学生视野,学习其他相关课程,帮助学生的课外科技实践以及继续深造或者毕业后从事相关的技术工作,这些内容是有益的和必需的。由于这些内容涉及的数学基础知识对于本科学生来说不一定都学习过,所以在编写教材时,作了相应的补充,力求本科生能够自学,看得懂,能正确理解,需要时可以用得上。③增加了一些特色内容,例如“相关检测在硅谐振式微传感器动力学特性检测中的应用”一节,是相关检测技术在科研课题中的实际应用,根据我们的体会,对于从事测控系统和测试专业学习和工作的学生以及技术人员来说,深刻理解、掌握相关检测及类似的锁相技术是有必要的;同时通过这方面的深入实际的介绍,希望能对读者起到联想和启发的作用。④改进了第1版中(包括习题)的错误和表述上的不当之处。例如奈奎斯特抽样定理,原来的表述为:“对于带限信号,抽样信号能无失真地恢复原信号的条件是抽样频率要大于或等于信号最高频率的2倍”。严格来说,“等于”两个字是不恰当的,应当去掉,因为对于某些正弦信号,若抽样频率等于信号最高频率的2倍,则抽样的结果是零,是不可能恢复原信号的。在奥本海默著的《信号与系统》一书中对抽样定理的表述,也只有“大于”,而没有“等于”两字。当然,信号抽样频率等于信号最高频率的2倍时,不产生频谱混叠的结论则仍然是正确的⑤根据内容的调整,增加了一些例题,书中所有应用 Matlab的例題,全部重新通过了调试,并对所得到的图形作了新的处理本书承蒙北京航空航天大学自动化学院李行善教授审阅,他对书稿字斟句酌,提出了许多宝贵的意见和建议,体现了李行善教授治学严谨的科学态度,据此我们作了相应的修改,在此向李行善教授表示衷心的感谢和敬意。虽然我们认真地做了不少工作,但由于能力有限,仍然可能存在许多问题,有些内容的选择是否妥当,也没有充分的把握,希望读者批评指正。编者2008年11月第1版前言为了适应信息技术的迅速发展和学科建设的需要,北京航空航天大学出版社于2001年正式出版了《信号处理技术基础》一书。由于这本教材针对自动化、测控技术与仪器、机电工程等专业的学生没有学过“信号与系统”课程的具体情况,取材合理,内容深入浅出,重点安排得当,受到了学生的欢迎。随着学科专业的调整、改革和发展的需要,以及新的教学大纲的实施,特别是对于仪器科学学科专业本科生来说,信息的获取和处理所需的有关信号处理技术显得愈来愈重要了,无论在内容的深度上还是广度上都需要对《信号处理技术基础》一书作较大调整。为此,除个别章节外,我们对《信号处理技术基础》重新进行了编写,增加了许多新的包括现代信号处理技术的内容,对“思考与练习题”的习题部分,给出了参考答案,增加并调整了部分例题,书名也相应改为《测试信号处理技术》。当然,本书仍保持了《信号处理技术基础》中既重视数学原理的系统性和逻辑性,又强调概念的物理意义,以利于读者自学的风格和特色这本新教材仍然不要求学生先修“信号与系统”课程,并仍以确定性信号的分析与处理为主要研究对象,但内容更为精炼,对深度和要求作了相应的调整,增加了“逆卷积”一节。另外,随杌信号的分析、现代信号处理技术相比《信号处理技术基础》的分量明显增加,这对于学习或从事信息的获取、分析处理技术的人们来说,是有用的,也是需要的。由于 Matlab软件平台信号处理的功能强大,根据我们在教学中的体会,其普及程度比前几年有了明显提高,因此要求大部分学生应能使用 Matlab编程,解决学习和实践中有关信号分析和处理方面的问题。本书为此增加了对 Matlab符号运算工具箱中有关傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换计算的应用以及数字滤波器设计和分析工具 FDAToOL的介绍。在教材编写过程中,考虑了北京航空航天大学专业调整后的特点,又进一步参考了国内外许多新出版的相关教材与参考书,总结了近年来从事信号分析与处理课程的教学实践。从篇幅上来看,它比巛信号处理技术基础》略有增加,全部内容,包括3次上机作业,大约需要60学时。选用本教材的教师应根据实际需要与可能,组织安排教学。全书共分8章,内容安排如下第1章,概论,介绍了与信号、信号分析和处理、信号运算等相关的概念。第2章,信号分析和处理基础,讲述连续时间信号的时域和频域分析,重点是频堿分析,包括周期信号、非周期信号、抽样信号的傳里叶分析,信号的能量谱和功率谱等,以建立信号频谱分析的基本概念,为全书的学习奠定基础第3章,序列及其变换,是进一步讨论离散时间信号的基础知识第4章,离散时间信号分析,实际上是数字信号分析的基本内容,是本书的重点之一,包括:序列傅里叶变换DTFT,离散傅里叶级数DFS,离散傅里叶变换DFT,信号的拉普拉斯变换、傅里叶变换和α变换之间的关系,快速傅里叶变换FFT及其应用,逆卷积的求解方法。第5章,数字滤波基础,主要包括:离散时间系统的基础知识,模拟滤波器的设计方法及其实现第6章,数字滤波器,主要讨论数字滤波器的特性、数字滤波器的设计方法及其结构实现;讨论了无限冲激响应数字滤波器设计的冲激响应不变法和双线性变换法,有限冲激响应滤波器的窗口法和频率抽样法,适当介绍了等波纹优化设计的方法第7章,随机信号分析,介绍了连续和离散时间随机信号的基本概念,时、频域中的数字特征,平稳随机信号通过线性系统的分析,最小均方误差滤波技术,确定性信号的相关分析和检测。第8章,现代信号处理技术,专门介绍了短时傅里叶变换及时一频域分析,小波变换及小波分析基础,实时信号处理系统及相关技术。本书第5章和第6章由王睿副教授编写,其余各章由周浩敏教授编写,并负责统编定稿本书初稿承蒙北京航空航天大学电子信息工程学院的殷瑞教授审阅,并提出了许多宝贵的意见和建议,在此谨表示衷心的感谢。根据他的意见和建议,编者对本书初稿作了认真的修改。由于编者水平有限,缺点和错误在所难免,恳请读者指正。编者2004年3月录第1章概论1.1信息、消息和信号1.2信号分析和信号处理1.3基本的连续信号141.4连续时间信号的运算24思考与练习题27第2章信号分析和处理基础292.1系统分析与信号292.1.1连续时间系统的线性非移变特性292.1.2连续信号的时域分解312.1.3卷积法求系统零状态响应与卷积的性质322.2周期信号的频谱分析—傅里叶级数342.2.1正交函数……352.2.2三角函数形式的傅里叶级数…·············垂362.2.3指数形式的傅里叶级数2.2.4信号的重构和吉伯斯现象482.2.5周期信号的功率谱512.3非周期信号频谱分析——傅里叶变换2.3.1傅里叶变换2.3.2典型非周期信号的频谱562.3.3傅里叶变换的性质602.4周期信号的傅里叶变换∴…792.4.1复指数及正弦、余弦信号的傅里叶变换2.4.2一般周期信号的傅里叶变换…802.4.3周期信号与单周期脉冲信号频谱间的关系812.5能量谱………822.6抽样信号的傅里叶变换872.6.1时域抽样…∴∴∴∴∴∴…882.6.2频域抽样2.6.3抽样定理922.7拉普拉斯变换…∴1002.7.1拉普拉斯变换的定义……………………1002.7.2常用信号的拉普拉斯变换与拉普拉斯变换的性质103思考与练习题·····105第3章离散时间序列及其z变换…3.1离散时间信号—序列1103.1.1序列3.1.2基本序列3.1.3序列的运算1153.2序列的x变换3.2.1z变换的定义3.2.2z变换的收敛域1193.2.3典型离散时间信号(序列)的z变换1253.3z变换的性质…1283.4z反变换1353.4.1围线积分法垂·····················,·········,,·1363.4.2幂级数展开法1383.4.3部分分式展开法………………………………………………139思考与练习题…144第4章离散时间信号分析4.1序列的傅里叶变换…………∴………1464.2信号的傅里叶变换、拉普拉斯变换与z变换的关系1524.3离散傅里叶级数(DFS)…………1564.3.1傅里叶变换在时域和频域中的对偶规律1563.2离散傅里叶级数DFS…………1584.4离散傅里叶变换(DFT)1624.4.1离散傅里叶变换DFT定义式············垂垂垂……1624.4.2离散傅里叶变换DFT与序列傅里叶变换的关系1644.5离散傅里叶变换的性质…1654.6快速傅里叶变换(FFT)…1714.6.1DFT直接运算的问题和改进思路1714.6.2基2按时间抽取的FFT算法(时析型)1734.7IDFT的快速算法(IFFT)1794.8FFT的软件实现…………………1804.9离散傅里叶变换的应用……1824.9.1用FFT实现快速卷积1834.9.2连续时间信号的数字谱分析………1894.9.3FFT在动态测试数据处理中的应用1964.9.4FFT在时变信号三维谱图分析中的应用2024.10二维与分数傅里叶变换2054.10.1二维傅里叶变换2054.10.2分数(阶)傅里叶变换212思考与练习题…235第5章数字滤波基础2405.1线性非移变离散系统时域分析…2415.1.1线性非移变离散系统2415.1.2离散系统的数学模型—一差分方程的建立2425.1.3离散系统时域分析……2455.2离散系统的x域分析2545.2.1差分方程的x变换解法……………………………………2542.2离散系统的系统函数2555.2.3离散系统的频率响应……………………………………………………2595.3逆卷积………∴…2685.3.1时域逆卷积……………2695.3.2基于同态系统的逆卷积…∴…∴…∴2715.3.3信号的倒谱分析2755.4模拟滤波器的基本概念及其设计方法∴…2775.4.1基本概念…2785.4.2信号通过线性系统无失真传输的条件2805.4.3滤波器的理想特性与实际特性2815.4.4模拟滤波器的一般设计方法2855.5模拟滤波器的设计2895.5.1巴特沃思滤波器垂····················,·········,,非2895.5.2切比雪夫滤波器297频率变换307思考与练习题312