本書緊密結(jié)合信號與系統(tǒng)課程理論教學(xué),通過典型實際信號的分析實驗,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力,提升學(xué)生的工科素養(yǎng)。
本書分3篇共10章。第1篇為基礎(chǔ)篇,包括第1~3章,主要介紹離散傅里葉變換、數(shù)據(jù)采集和MATLAB的使用。第2篇為實驗篇,包括第4~8章,主要介紹一些容易獲取且貼近生活的實際信號和系統(tǒng)分析實驗,包括市電電壓、樂器聲、語音、心音、脈搏和鋼板激振等。第3篇為進階篇,包括第9、10章,第9章介紹傅里葉變換的擴展小波變換,第10章引入有科學(xué)意義和工程價值的實驗農(nóng)業(yè)害蟲檢測,開拓信號與系統(tǒng)相對新穎的應(yīng)用領(lǐng)域。
本書可以作為本科生信號與系統(tǒng)課程實驗用書,也可以作為本科畢業(yè)設(shè)計和信號采集分析的參考書。
信號與系統(tǒng)是電子信息類、儀器類、電氣工程、交通運輸工程、力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等專業(yè)的必修基礎(chǔ)課。由于信息生產(chǎn)、傳遞、處理及利用的方法和技術(shù)是各工科專業(yè)學(xué)生必須掌握的核心知識,因此信號與系統(tǒng)成為各專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)性課程,在學(xué)習(xí)過程中具有里程碑式的意義。
對許多學(xué)生來說,信號與系統(tǒng)是一門難度很大的課程,其主要難點在于新概念多、內(nèi)容多。加強實驗是促進學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容的有效手段。目前已經(jīng)有多本實驗教材出版,在實驗教學(xué)中發(fā)揮了一定作用。但是這些實驗教材幾乎都是基于MATLAB的仿真實驗,或者是信號發(fā)生器、實驗電路等產(chǎn)生的信號,對典型信號與系統(tǒng)及其特性進行模擬,驗證所學(xué)的理論知識。由于不是真實的信號,在尚未開始時便已經(jīng)能夠推論出實驗結(jié)果,其實踐性與實用性有限。此外,完全一樣的實驗結(jié)果也不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感,使得教學(xué)效果大打折扣。
本書選用了一些容易獲取的、有實際意義的信號,如市電電壓、脈搏、心音、樂器聲,或搭建實際系統(tǒng),指導(dǎo)學(xué)生采集分析實驗,增加了趣味性和實用性,促進了學(xué)生學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)課程的興趣,同時還為學(xué)生提供了有實際工程意義的實踐平臺。
研究對象如果是工業(yè)產(chǎn)品,采用同樣的研究方法,僅更換研究對象則無太大的意義,其實踐性與實用性只是聊勝于無。生物學(xué)研究使用同一種研究方法針對不同的研究對象(即不同種類的生物或同一種類、不同種群的生物)則有重要的科學(xué)意義和工程意義。作者將信息工程與生物工程交叉融合,開拓信號分析相對新穎的應(yīng)用領(lǐng)域農(nóng)業(yè)害蟲檢查。我國有天牛害蟲4 000種以上,開展害蟲活動聲研究可以保證研究對象不同,且研究結(jié)果有實際意義和科學(xué)價值。本書將害蟲活動聲信號分析作為開拓性實驗,對于學(xué)有余力且有興趣的學(xué)生,引導(dǎo)他們進行更加深入、系統(tǒng)的科研學(xué)術(shù)訓(xùn)練,激發(fā)學(xué)生的科研成就感和學(xué)習(xí)熱情,進而撰寫高水平學(xué)術(shù)論文。
基于以上考慮,作者編寫了《信號與系統(tǒng)實驗教程基于實際信號》。全書包括3篇共10章。第1篇基礎(chǔ)篇包括第1~3章,主要介紹離散傅里葉變換、數(shù)據(jù)采集和MATLAB的使用。第2篇實驗篇包括第4~8章:第4章介紹采集分析市電電壓和電機電流信號;第5章介紹采集分析樂器發(fā)出的聲音信號和人的語音信號;第6章介紹采集分析心音、肺音、脈搏等生物醫(yī)學(xué)信號,檢測人體的健康狀況;第7章介紹如何使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器開發(fā)信號發(fā)生器,產(chǎn)生任意波形的信號;第8章介紹用鋼板和力錘搭建一個振動系統(tǒng),通過輸入輸出分析系統(tǒng)的特性。第3篇進階篇包括第9章和第10章:第9章介紹傅里葉變換的擴展小波變換,通過對比語音信號和心音信號的分析結(jié)果,說明相比于傅里葉變換,小波變換能提供信號更多的信息;第 10 章介紹害蟲蛀木振動信號分析和儲糧害蟲聲信號分析,引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生進行有實際科學(xué)意義的信號分析實驗。
本書可以作為本科生信號與系統(tǒng)課程實驗用書,也可以作為本科畢業(yè)設(shè)計和信號采集分析的參考書。
本書由楊江天、周航、鄭敏華編著,楊江天編寫第1、2、4、6~10章并負責(zé)統(tǒng)稿,周航編寫第5章,鄭敏華編寫第3章。研究生許長江、李澤洋、多曉倩、閆輝為本書的錄入、繪圖、程序編寫和資料收集做了大量的工作,在此向他們表示由衷的感謝。
本書承蒙教育*高等學(xué)校電工電子基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會副主任委員、北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院陳后金教授撥冗審閱并為之作序,特向陳后金教授致以誠摯感謝!
由于編者水平有限且時間倉促,書中錯誤及不妥之處在所難免,懇請讀者給予批評指正。
作 者
于北京交通大學(xué)
2024年11月
第1篇 基 礎(chǔ) 篇
第1章 離散傅里葉變換與頻譜分析 3
1.1 連續(xù)時間信號的離散化 3
1.2 離散傅里葉變換和離散譜 4
1.3 連續(xù)傅里葉變換和離散傅里葉變換的關(guān)系 8
1.4 快速傅里葉變換 11
第2章 數(shù)據(jù)采集 14
2.1 數(shù)據(jù)采集器 14
2.2 采樣參數(shù)選擇 17
2.3 數(shù)據(jù)采集軟件 19
第3章 MATLAB編程輔導(dǎo) 28
3.1 MATLAB簡介 28
3.2 MATLAB基礎(chǔ)知識 30
3.3 MATLAB繪圖 33
3.4 MATLAB數(shù)據(jù)交互 35
第2篇 實 驗 篇
第4章 電壓電流信號 49
4.1 互感器 49
4.2 市電波形檢測 52
4.3 電機電流信號檢測 57
第5章 聲音信號 64
5.1 聲學(xué)測量 65
5.2 樂器聲檢測 69
5.3 語音檢測 78
第6章 生物醫(yī)學(xué)信號 84
6.1 實驗設(shè)備 85
6.2 心音信號檢測 87
6.3 肺音信號檢測 91
6.4 脈搏信號檢測 97
第7章 信號生成 103
7.1 連續(xù)時間信號采樣 104
7.2 幾種特殊情況 108
7.3 信號生成實驗 110
第8章 薄板錘擊實驗 113
8.1 振動系統(tǒng)對激勵的響應(yīng) 113
8.2 頻響函數(shù)測試 124
8.3 薄板頻響函數(shù)測試 127
第3篇 進 階 篇
第9章 拓展實驗 137
9.1 小波變換 137
9.2 聲紋識別 142
9.3 心音信號特征提取 147
第10章 害蟲活動信號 153
10.1 害蟲蛀木振動信號分析 154
10.2 儲糧害蟲聲信號分析 166
參考文獻 173