《信號與系統(tǒng)教學課件》§0.0序言

信號與系統(tǒng)教學課件歡迎來到信號與系統(tǒng)課程。本課程將帶您深入探索信號處理和系統(tǒng)分析的奧秘，為您打開電子工程世界的大門。信號與系統(tǒng)的定義1信號信號是攜帶信息的物理量，如聲音、圖像或電壓。2系統(tǒng)系統(tǒng)是處理信號的實體，可以是物理設備或數(shù)學模型。3相互關系信號是系統(tǒng)的輸入和輸出，系統(tǒng)對信號進行處理和轉換。信號的分類按時間特性連續(xù)時間信號和離散時間信號按幅值特性模擬信號和數(shù)字信號按確定性確定性信號和隨機信號系統(tǒng)的定義及特性1系統(tǒng)定義輸入信號到輸出信號的映射關系2線性性滿足疊加原理3時不變性輸入時間平移，輸出相應平移4因果性輸出僅依賴于當前和過去輸入5穩(wěn)定性有界輸入產(chǎn)生有界輸出信號與系統(tǒng)的應用領域通信信號傳輸、調制解調、編碼解碼控制自動控制系統(tǒng)、反饋控制、穩(wěn)定性分析信號處理濾波、壓縮、增強、識別信號與系統(tǒng)研究的歷史發(fā)展118世紀傅里葉提出傅里葉級數(shù)理論219世紀拉普拉斯變換和Z變換的發(fā)展320世紀中期數(shù)字信號處理理論的興起420世紀末至今小波分析和現(xiàn)代信號處理技術的發(fā)展信號與系統(tǒng)研究的意義技術創(chuàng)新推動通信、控制等領域的技術進步學科基礎為電子信息類專業(yè)奠定理論基礎分析工具提供強大的信號分析和系統(tǒng)設計工具跨領域應用在醫(yī)學、金融等多個領域有廣泛應用信號與系統(tǒng)的基礎理論信號表示時域、頻域和復頻域表示方法系統(tǒng)模型微分方程、差分方程和傳遞函數(shù)分析方法時域分析、頻域分析和變換域分析系統(tǒng)特性穩(wěn)定性、因果性和線性時不變性分析線性時不變系統(tǒng)理論1定義滿足線性性和時不變性的系統(tǒng)2特性可用單位脈沖響應或傳遞函數(shù)完全描述3分析方法卷積、傅里葉變換和拉普拉斯變換4應用濾波器設計、通信系統(tǒng)分析等時域分析方法卷積系統(tǒng)輸出與輸入和單位脈沖響應的卷積微分方程描述連續(xù)時間系統(tǒng)的輸入輸出關系差分方程描述離散時間系統(tǒng)的輸入輸出關系頻域分析方法1頻域分析研究系統(tǒng)對不同頻率信號的響應2頻率響應系統(tǒng)對正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應3幅頻特性系統(tǒng)對不同頻率信號的增益4相頻特性系統(tǒng)對不同頻率信號的相位移動傅里葉級數(shù)與變換傅里葉級數(shù)周期信號分解為正弦分量的和傅里葉變換非周期信號的頻譜分析工具離散傅里葉變換離散時間信號的頻譜分析快速傅里葉變換高效計算離散傅里葉變換的算法拉普拉斯變換定義將時域信號轉換到復頻域的積分變換特性線性性、時移特性、頻移特性、微分和積分特性應用系統(tǒng)分析、電路分析、控制系統(tǒng)設計Z變換1定義離散時間信號的復頻域表示2特性線性性、時移特性、卷積定理3應用離散系統(tǒng)分析、數(shù)字濾波器設計4反變換利用留數(shù)定理或冪級數(shù)展開采樣定理與離散信號處理采樣定理采樣頻率應不小于信號最高頻率的兩倍量化將連續(xù)幅值轉換為離散幅值信號重建從離散樣本恢復連續(xù)信號濾波器設計理論濾波器類型低通、高通、帶通、帶阻設計方法模擬濾波器設計、數(shù)字濾波器設計性能指標通帶波動、阻帶衰減、相位特性實現(xiàn)方式FIR濾波器、IIR濾波器狀態(tài)空間法狀態(tài)變量描述系統(tǒng)內部狀態(tài)的最小變量集狀態(tài)方程描述狀態(tài)變量隨時間變化的微分方程組輸出方程將狀態(tài)變量和輸入映射到系統(tǒng)輸出反饋系統(tǒng)理論1反饋系統(tǒng)輸出信號回饋影響輸入的系統(tǒng)2負反饋提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力3正反饋增強信號，但可能導致不穩(wěn)定4閉環(huán)傳遞函數(shù)描述反饋系統(tǒng)整體特性自適應濾波理論1定義能夠自動調整參數(shù)以適應輸入信號特性的濾波器2原理基于誤差最小化準則不斷更新濾波器系數(shù)3算法LMS算法、RLS算法等4應用回聲消除、噪聲抑制、信道均衡非線性系統(tǒng)分析定義不滿足疊加原理的系統(tǒng)特點輸出與輸入的關系復雜，難以用簡單方程描述分析方法相平面分析、描述函數(shù)法、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論應用混沌系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊系統(tǒng)隨機信號處理理論隨機過程隨時間變化的隨機變量序列統(tǒng)計特性均值、方差、自相關函數(shù)、功率譜密度處理方法維納濾波、卡爾曼濾波、最大似然估計小波分析理論1定義利用局部化的基函數(shù)分析信號的時頻特性2特點多分辨率分析，時頻局部化能力強3變換連續(xù)小波變換、離散小波變換4應用信號去噪、圖像壓縮、特征提取數(shù)字信號處理算法FFT算法快速計算離散傅里葉變換FIR濾波器有限脈沖響應濾波器設計IIR濾波器無限脈沖響應濾波器設計硬件電路實現(xiàn)模擬電路運算放大器、有源濾波器數(shù)字電路數(shù)字邏輯門、觸發(fā)器、寄存器DSP芯片專用數(shù)字信號處理器FPGA現(xiàn)場可編程門陣列軟件仿真實現(xiàn)信號與系統(tǒng)分析工具MATLAB強大的數(shù)值計算和可視化工具Simulink基于模塊的仿真平臺LabVIEW圖形化編程環(huán)境，適合實時數(shù)據(jù)采集和處理信號與系統(tǒng)在各領域的應用通信調制解調、信道編碼、信號檢測控制反饋控制、穩(wěn)定性分析、最優(yōu)控制語音處理語音識別、語音合成、聲紋分析自主學習資源推薦1教材《信號與系統(tǒng)》（奧本海姆）、《數(shù)字信號處理》（程佩青）2在線課程MITOpenCourseWare、Coursera上的相關課程3實踐平臺MATLAB信號處理工具箱、GNURadio4學術論文IEEE信號處理匯刊、自動化學報本課程的重點難點1重點難點信號與系統(tǒng)課程關鍵概念2傅里葉分析理解頻域分析的物理意義3拉普拉斯變換掌握復頻域分析方法4卷積理解卷積的數(shù)學意義和物理解釋5采樣定理理解采樣與信號重建的關系授課方式與考核方式授課方式課堂講授習題討論實驗課考核