工程信号分析与处理技术_谷立臣_9787560643809

本书针对机械和电气工程中的测试、诊断、控制以及系统分析问题，主要介绍了工程信号处理的基本理论和实用技术。全书共8章，内容主要包括：连续和离散时间信号的分析(相关理论、频谱分析以及幅值统计分析)、*信号分析与处理技术、系统动态特性分析方法(互谱理论、频响函数与相干分析)、数字信号处理关键技术（数字化过程、相关、卷积、滤波、变换）、模拟和数字滤波器的设计方法。
本书结合工程应用，针对教学重点、难点以及工程应用节点问题，采用研讨式学习和案例式教学方法，既注重数学公式及物理概念的解释，同时又通过仿真实验或工程实例进行分析验证，便于理解和应用。
本书可作为高等院校机械、电气、测控技术与仪表、自动化工程等专业的本科教材，也可作为相关专业研究生的教科书或工程技术人员学习信号分析与处理技术的参考书。

在当今时代，任何一个学科，都必须不断地将前沿科学的最新成果渗透到本学科领域中，同本学科领域中已有的传统方法有机结合，从而促进本学科的发展，使本学科始终充满生机和活力。信号处理技术是一门具有系统的理论和先进软硬件支持的新兴学科，已广泛地应用于各学科领域，并促进了相关科学技术的发展。为了适应科学技术发展和学科建设的需要，满足机械工程、电气工程等专业本科生和广大科技工作者迫切要求学习与掌握信号处理理论与技术的需要，作者于2000年出版了《机械信号处理及应用》一书，该书针对当时机械类专业的学生没有学过积分变换、复变函数等课程的具体情况，取材结合机械工程测试，内容深入浅出，重点安排得当，得到机械类学生尤其是研究生的一致好评。
建立在牛顿力学和高斯电磁理论基础上的机械和电气工程学科通过与相关自然科学、工程科学的交叉融合，其内涵正在向复杂机电系统集成及数字化方向发展。复杂机电系统将多种单元技术集成起来，在完成高度复杂的多物理过程中，实现能量、物质与信息的传递。复杂机电系统功能与结构的复杂化，导致系统检测、控制与维护所需的信息量急剧增加，为使系统能够长期、稳定、安全、可靠地运行，需要运用信息技术使得各子系统之间、系统与外部环境之间、系统与操作者之间在信息层面构成真正统一的整体。随着学科专业的改革和发展，以及新教学大纲的实施，对机械工程、电气工程以及仪器科学专业来说，信息的获取和有关信号的处理技术显得愈来愈重要了，因此，无论是在内容的深度和广度上，还是从学科发展趋势上都需要对《机械信号处理及应用》重新进行编写。为此，除个别章节外，我们对《机械信号处理及应用》重新进行了编写，增加了数字系统与信号处理技术的内容，增加并调整了部分结合工程实际的例题以及案例讨论，在习题和例题中增加了MATLAB仿真内容，名称也相应改为《工程信号分析与处理技术》。本书在保持《机械信号处理及应用》强调概念的物理意义、重视数学方法与工程实际相结合的风格和特色的基础上，针对教学重点、难点以及工程应用节点问题，增加了研讨式学习和案例式教学内容。
本书依然不要求学生先修信号与系统、复变函数等课程，仍以确定性信号的分析与处理为主要研究对象，但深度和要求作了相应的调整；增加了数字系统和信号处理关键技术内容；另外，随机信号处理方面的内容相比《机械信号处理及应用》的分量明显增加，这对于机电工程动力学分析、故障诊断以及测控技术方面的研究生和工程技术人员来说非常必要。由于MATLAB软件已经是国内外大学通用的仿真分析平台，且信号处理功能强大，因此要求学生应能使用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。
为此本书增加了利用MATLAB编程仿真分析数字信号处理关键技术以及教学重点、难点和工程应用问题方面的教学内容。
在本书编写过程中，考虑到机械和电气工程专业的特点，编者参考了国内外许多新出版的相关教材和参考文献，总结了十几年来从事工程测试、信号处理课程的教学实践和科研经历。本书在课程安排上除课堂理论教学外，还包括三次上机作业和6学时动手实验，共需要大约50学时。
本书由西安建筑科技大学的谷立臣教授主编，其中第1章、第3章、第4章、第8章由谷立臣编写，第2章和各章习题由寇雪芹编写，第5章、第6章、第7章由张征凯编写。全书由谷立臣教授统稿。
全书共分8章，内容安排如下：
第1章绪论。介绍学科背景、测试信号、信号分析、信号处理、信号与系统的关系等相关概念。
第2章信号与系统的基本概念。介绍信号与系统的基本概念，阐述系统对信号的影响方式。
第3章确定性信号的分析。讲述连续时间信号的时域和频域分析，包括周期信号、非周期信号、抽样信号的傅里叶分析、信号的能量谱和功率谱等，建立信号频谱分析的基本概念，为全书的学习奠定理论基础。
第4章随机信号分析。介绍连续和离散时间随机信号的基本概念，随机信号在时、频域中的数字特征；重点讲述平稳各态历经随机过程（信号），分析平稳随机信号通过线性非时变系统的特性，以及平稳随机信号分析的MATLAB实现，目的是为学习工程测试及信号的相关分析和谱分析奠定理论基础。
第5章模拟信号的数字化。讨论工程测试中模拟信号的数字化方法，包括数据采集、量化和预处理三方面的内容。
第6章离散时间信号的分析。讲述数字信号分析的基本内容，包括离散傅里叶变换DFT、傅里叶变换和z变换之间的关系、快速傅里叶变换FFT及其谱分析、快速卷积、常用窗函数及窗函数的选择，以及数字信号分析的MATLAB实现。
第7章数字滤波器。主要包括滤波器的基本原理及其分类、数字滤波器的设计方法及其MATLAB实现。
第8章信号分析与处理技术的工程应用。介绍信号处理技术在机械工程和电气工程中的应用，重点介绍信号的幅值域分析、相关分析、频谱分析在机械工程和电气工程中解决实际问题的思路和过程。
本书在编写过程中，得到了西安建筑科技大学的大力支持和帮助。在此，谨向对本书的编著给予热情指导和帮助的老师、研究生表示衷心感谢。
限于编者水平，书中难免有不妥之处，恳请读者指正。

第1章绪论 1
1.1 信息、信号、信号处理技术与现代科学技术 1
1.2 机电工程中的信号处理技术 3
1.3 工程测试、控制系统与信号处理 3
1.4 本书宗旨及内容安排 5
1.5 习题 6
第2章信号与系统的基本概念 7
2.1 系统分析与信号 7
2.2 信号的分类 8
2.2.1 连续时间信号和离散时间信号 8
2.2.2 周期信号和非周期信号 9
2.2.3 能量有限信号和能量无限信号 10
2.3 典型信号 10
2.3.1 典型连续非奇异信号 10
2.3.2 典型奇异信号 14
2.3.3 典型离散信号 16
2.4 信号的运算 19
2.4.1 信号的移位、反褶与尺度变化 19
2.4.2 信号相加和相乘 20
2.4.3 信号的周期延拓 20
2.4.4 信号的抽样 21
2.5 信号的分解 22
2.5.1 直流分量与交流分量 23
2.5.2 偶分量与奇分量 23
2.5.3 实部分量与虚部分量 23
2.6 系统的分类 23
2.6.1 系统的数学模型 23
2.6.2 连续时间系统与离散时间系统 25
2.6.3 动态系统与即时系统 26
2.6.4 线性系统与非线性系统 26
2.6.5 时不变系统与时变系统 27
2.6.6 因果系统与非因果系统 27
2.7 习题 28
第3章确定性信号的分析 31
3.1 周期信号的分析 31
3.1.1 定义 31
3.1.2 工程上常用的周期信号 31
3.1.3 周期信号的时域分析 32
3.1.4 周期信号的频域分析 36
3.1.5 周期信号的有限项傅里叶级数 43
3.1.6 信号的重构和吉伯斯现象 45
3.2 非周期信号的分析傅里叶变换(Fourier Translation) 46
3.2.1 傅里叶变换 46
3.2.2 频谱密度函数F() 48
3.2.3 傅里叶变换存在的条件 48
3.2.4 典型非周期信号的频谱 49
3.2.5 傅里叶变换的性质 52
3.2.6 周期信号的傅里叶变换 56
3.3 能量谱 59
3.4 卷积 61
3.4.1 卷积及其物理意义 61
3.4.2 卷积定理 65
3.5 脉冲抽样信号的傅里叶变换 68
3.5.1 时域抽样 68
3.5.2 频域抽样 71
3.6 要点和复习题 72
3.7 习题 73
第4章随机信号分析 77
4.1 随机信号及其分析方法 77
4.1.1 随机信号与随机过程 77
4.1.2 随机过程及其描述 78
4.1.3 随机过程的研究方法 81
4.2 随机过程的概率分布 82
4.2.1 随机过程X(t)的一维概率分布 82
4.2.2 随机过程X(t)的二维(联合)概率分布 82
4.2.3 随机过程X(t)的n维(联合)分布函数 83
4.3 随机过程的数字特征 83
4.3.1 随机过程的数学期望和方差 83
4.3.2 随机过程的协方差函数和相关函数 85
4.3.3 两个随机过程的数字特征 86
4.4 平稳随机过程 87
4.4.1 平稳随机过程的定义 87
4.4.2 平稳过程的数字特征 87
4.4.3 各态历经(遍历）过程 89
4.5 平稳随机信号通过线性系统 92
4.5.1 平稳随机信号通过线性连续系统 93
4.5.2 白噪声通过线性系统 99
4.5.3 随机序列通过线性系统 100
4.6 平稳随机信号分析以及MATLAB实现 101
4.6.1 随机信号的数字特征及MATLAB实现 101
4.6.2 随机信号的时域分析相关函数和协方差 104
4.6.3 随机信号的频域分析功率谱估计 108
4.7 系统传递函数估计 121
4.8 相干函数 124
4.9 运用功率谱分析提取微弱信号实验 126
4.10 要点和复习题 138
4.11 习题 138
第5章模拟信号的数字化 141
5.1 模拟信号的数字化过程 142
5.2 采样定理 145
5.2.1 频混现象 145
5.2.2 采样频率 146
5.2.3 信号复原 146
5.3 信号的预处理 148
5.3.1 信号编排（野点剔除） 148
5.3.2 信号检验 149
5.3.3 信号准备 150
5.4 要点和复习题 154
5.5 习题 154
第6章离散时间信号的分析 155
6.1 离散时间信号的z域分析 155
6.1.1 z变换的定义 155
6.1.2 z变换的收敛域 155
6.1.3 常用序列及其z变换 156
6.1.4 z变换的性质 158
6.2 离散傅里叶变换 158
6.2.1 离散时间信号的z变换与傅里叶变换的关系 159
6.2.2 离散傅里叶变换的定义 160
6.2.3 离散傅里叶变换的性质 161
6.3 快速傅里叶变换（FFT） 162
6.3.1 快速傅里叶变换算法 162
6.3.2 利用快速傅里叶变换（FFT）进行谱分析 164
6.3.3 利用FFT计算线性卷积快速卷积 166
6.4 窗函数 168
6.4.1 引入窗函数的必然性 168
6.4.2 常用窗函数的特点 170
6.4.3 窗函数的选择 175
6.5 要点和复习题 175
6.6 习题 176
第7章数字滤波器 177
7.1 数字滤波器的基本概念 177
7.1.1 滤波器基本原理 177
7.1.2 滤波器的分类 178
7.1.3 滤波器的技术要求 178
7.2 数字滤波器的设计 179
7.2.1 IIR滤波器 179
7.2.2 FIR滤波器 186
7.3 要点和复习题 189
7.4 习题 189
第8章信号分析与处理技术的工程应用 190
8.1 测试信号幅值域分析及工程应用 190
8.1.1 信号幅值的统计特征参数 190
8.1.2 测试信号幅值域分析的工程应用实例分析 194
8.2 测试信号相关分析及工程应用 205
8.2.1 工程测试信号相关分析的重要性 205
8.2.2 相关函数的物理意义 206
8.2.3 相关函数的性质 208
8.2.4 测试信号相关分析的工程应用 210
8.3 测试信号频谱分析及工程应用 217
8.3.1 自谱密度函数的导出和定义 218
8.3.2 双边和单边自功率谱密度函数 218
8.3.3 自功率谱密度函数的物理意义 219
8.3.4 自功率谱密度函数的性质 219
8.3.5 频谱分析的几种常用描述方法 221
8.3.6 测试信号频域分析的工程应用 222
8.4 要点和复习题 227
8.5 习题 227
参考文献 229

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