ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 1
L.E.FRANKS
SIGNAL THEORY
PRENTICE - HALL. INC ENGLEWOOD CLIFFS, N.J.1969
Л . Ф р е н к с
ТЕОРИЯ
СИГНАЛОВ
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
М.Р.КРАЕВСКОЙ и Р.М.СЕДЛЕЦКОГО
под р е д а к ц и е й Д.Е.ВАКМАНА
Мо с кв а « С о в е т с к о е Р а д и о » 1974
|
ГОС. ПУБЛИЧН |
н а у ч н о -т е х п и ч е |
|
6Ф2.4 |
БИБЛИОТЕКА С |
Ф87 |
|
УДК 621.391.1 |
|
Френке |
Л. Теория сигнал |
с англ., под ред. Д. Е. В а
1974, 344 с.
Это первый в мировой лг теории сигналов. Рассматрив! ставления и описания сигнале ристики оптимальных сигналов, ботки. Охвачены как детерм ческий аспекты теории сигнал! концепции пространства сигне дования. Показывается глубок ветствующего математическог блем. Материал излагается ст’
Книга полезна всем, ктции и смежными вопросами, рантом, студентам, инженерам, нического и радиофизического г на математикам-прикладникам и технической проблематикой.
Табл. 3, рис. 158, назв. б
Редакция по вопросам космиче!
30401-046 |
|
046 (01)-74 |
/ ‘73 |
© Перевод на русский язык, «Совет
к
ДУ
ЩНБ
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ
Современная теория сигналов является самостоятельной отраслью науки и учебной дисциплиной, смежной с рядом областей. К ним отно сятся: общая теория линейных цепей и систем, теория информации, теория регулирования и управления, а также — в той мере, в которой теория сигналов затрагивает случайные процессы,—теория обнаруже ния и оценки параметров, теория статистических решений и т. п. Воз можно, именно обилие столь «солидных» соседей привело к парадок сальному положению. Сегодня радиофизик или инженер-теоретик чертает сведения по основам теории сигналов из смежных дисциплин или собирает их по крохам из математической литератур" Так происходит потому, что, несмотря на большое число монографий ..о отдельным во просам теории сигналов, до сих пор не было систематического курса самой теории. Предлагаемая советскому читателю i.u. Т. Френкса является первым в мировой литературе курсом теории сигналов.
Математической основой теории сигналов является функциональ ный анализ: важнейшая ее концепция опирается на понятие простран ства сигналов, вполне соответствующее функциональному простран ству в математической терминологии. Советские математики — А. Н. Колмогоров, Г. Е. Шилов, Н. И. Ахиезер, Л. А. Люстерник и др. — внесли огромный вклад в развитие функционального анализа; ссылки на их работы многократно встречаются в этой книге. Кроме тогпервым, кто применил понятие пространства сигналов для иссле дования проблемы помехоустойчивости, был В. А. Котельников (1946 г.) соторый, таким образом, заложил первый кирпич в здание теории сиг налов. Характерная для функционального анализа геометризация наш ла отражение и в других отечественных книгах по помехоустойчивости (хорошим примером служит книга А. А. Харкевича «Борьба с помеха-
.г ). Но в целом понятия и методы функционального анализа еще не занимают должного места в исследованиях сигналов и способов их об работки, особенно когда это делается на детерминистическом уровне. Ф Книга Френкса представляет собой удивительный по однородности сплав математической теории, технических приложений и физически прозрачных разъяснений математических понятий. Вдумчивый инже нер найдет в ней углубленную трактовку с единых позиций многих тех нических проблем, иногда знакомых, но чаще новых и, главное, разных, г^ль непохожих, что, казалось бы, их нельзя исследовать одним
с" л. Он освоит достаточно полный курс функционального анали-
агрывась от техники, а рассматривая математические вопросы
5
сквозь призму технических задач. Математик-прикладник, если он прочтет эту книгу, получит представление об обширной области, где нужны его знания, сможет понимать и формулировать задачи на язы ке техники и физики.
Немаловажно также, что в книге рассмотрены как детерминисти ческий, так и статистический аспекты теории сигналов. Это сближает позиции сторонников того и другого подхода, устраняет не всегда по лезные споры. Впрочем, изложение статистических вопросов в этой книге представляется слишком лаконичным, требующим предваритель ной подготовки.
Наконец, нельзя не отметить и практическую часть книги. В много численных примерах и хорошо подобранных упражнениях автор дает исчерпывающие решения сугубо инженерных задач, представляющих принципиальный интерес, но имеющих также непосредственное при кладное значение. Трудно назвать более практические вопросы, чем, скажем, задача о заряде конденсатора с минимальной затратой энер гии (см. гл. 6) или о коррекции частотной характеристики магнитной головки с учетом допуска на величину зазора (см. гл. 9). Невольно вспоминается крылатая фраза о том, что нет ничего более практиче ского, чем по-настоящему хорошая теория.
Как ясно из предисловия автора, книга возникла на основе курса лекций в системе повышения квалификации фирмы Белл и лекций для аспирантов. Ее отличает логическая стройность, последовательность и методическая отработанность, характерные для лучших учебных посо бий. По-видимому, книга получит применение в качестве пособия для аспирантов радиотехнических и радиофизических специальностей, она будет полезна также ученым, инженерам и студентам старших курсов. Можно высказать уверенность, что книга окажет влияние и на учебные программы вузов.
При переводе мы стремились максимально сохранить стиль автора
ине вносили существенных изменений или добавлений. Лишь в отдель ных случаях даны некоторые пояснения или уточнения в виде под строчных примечаний редактора. Главы 1—6 (с решениями задач к ним)
ипредисловие автора переведены М. Р. Краевской, главы 7—10 и ре шения соответствующих задач — Р. М. Седлецким.
Мне приятно выразить искреннюю благодарность д-ру Френксу за его внимание к русскому изданию, в частности, за предложение опубликовать решения задач.
Ноябрь 1973 г. |
Д. ВАШ АН |
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
У каждого, кто имеет отношение к изучению наблюдаемых свойств
физических |
систем, возникает необходимость выбрать подходящий |
|
способ для |
представления и классификации сигналов. Если рас |
|
сматривать |
сигналы |
сами по себе, абстрагируясь в той или иной мере |
от систем, |
в которых |
они возникают, мы сталкиваемся с необъятным |
многообразием возможных представлений и классификаций, причем успешность применения того или иного способа зависит главным обра зом от того, как наблюдатель намеревается использовать информацию, содержащуюся в сигнале. Математический аппарат функционального анализа позволяет провести достаточно полное и универсальное ис следование таких способов. В этой книге сделана попытка рассмотреть соответствующие математические понятия, особенно относящиеся к ли нейным пространствам, с тем чтобы связать воедино многие известные методы анализа сигналов и заложить основу для более общего и эф фективного применения этих методов к техническим задачам. Озна комление с указанным кругом идей дает углубленное понимание воп роса, обусловленное геометрически наглядными представлениями для сигналов и методов их обработки.
С помощью нескольких примеров, имеющихся в каждой главе, я стремился сделать акцент не столько на математической корректности, сколько на физической интерпретации соответствующих понятий. В си лу моего личного опыта все примеры имеют определенный «привкус» те ории связи, но я надеюсь, что более широкое применение этих идей, на пример в автоматическом управлении, биофизике или геофизике также окажется возможным. Далее, все примеры в той или иной мере идеали зированы, чтобы не слишком усложнять решение. Выбор известных, часто классических примеров имеет в виду прояснить физическое со держание конкретных математических понятий.
Первые пять глав содержат последовательную, шаг за шагом, раз работку понятия пространства сигналов, начиная с множеств и отноше ний эквивалентности, затем переходя к метрическим пространствам и, наконец, к конечномерным и бесконечномерным линейным простран ствам со скалярным произведением. Гл. 5, посвященная линейным опе раторам, может рассматриваться как введение в более абстрактные раз делы теории сигналов. Большая часть этой главы не существенна для понимания последующего материала. При чтении первых глав кни ги читатель, вполне возможно, захочет обратиться к дополнительной литературе по математическим основам теории. Для этого я рекомендо-
7
вал бы легко читаемую книгу Дж. Ф. Симонса «Введение в топологию и новейший анализ» (New York, McCraw-Hill Book Company, 1963)*).
Остальные пять глав содержат применения разработанного аппара та к практическим инженерным задачам. Некоторые известные задачи, несомненно большой практической важности, пересмотрены с учетом концепции пространства сигналов. Начиная с главы 7, кроме детерми нированных сигналов и систем, рассматриваются случайные сигналы. В качестве наиболее подходящего пособия по этим вопросам я пред ложил бы книгу А. П. Папулиса «Вероятность, случайные величины и стохастические процессы» (New York, McCraw-Hill Book Company, 1965).
Дополнительная библиография приведена в конце каждой главы. Естественно, я не пытался дать полный перечень статей и книг по те ме. Приводятся лишь некоторые работы, которые представляются осо бенно полезными для понимания главных положений или как отправ ная точка для более полного исследования. Большая часть упражнений не сводится к формальному манипулированию с уравнениями. Они включены в текст для того, чтобы ввести дополнительные понятия или дать дополнительные примеры. Математический аппарат книги таков, что ее можно рекомендовать аспирантам, прослушавшим курс линейных систем (с упором на преобразование Фурье), а также вве дение в теорию вероятностей и случайных величин. Хотя книга мо жет использоваться в качестве дополнительного пособия в повышен ном курсе теории связи, она первоначально предназначалась для са мостоятельного курса по теории сигналов. Достаточно ясно, что такой курс является полезным дополнением к учебному плану при подготовке к углубленным курсам по теории систем, теории обнаружения и оце нок, методу переменных состояния, оптимальному управлению и др. Не включенные в книгу разделы по обобщенным функциям, дискрет ным преобразованиям сигналов, фильтрам Калмана, стохастической аппроксимации и теории информации, вероятно, были бы уместны здесь, однако они могут быть отнесены к последующим курсам обуче ния.
В основу книги положены конспекты лекций по различным кур сам, прочитанным за последние несколько лет по программе усовер шенствования в технике связи в Белл Телефон, и аспирантскому курсу в Колумбийском университете, прочитанному в 1965 году. Мое общение со слушателями при чтении этих курсов существенно повлияло на выбор и расположение материала, и я с благодарностью отмечаю пользу этих обсуждений. Я получал помощь и из многих других источников. В особенности мне приятно поблагодарить моих коллег по Белл Телефон докторов Аллена Терто, Френсиса С. Хилла и Роберта И. Маурера за их труд по рецензированию рукописи и за многочисленные существенные предложения по ее улучшению.
|
Л. ФРЕНКС |
*> Из книг на русском языке можно рекомендовать: Л. |
А. Люстерник |
и В. И. Соболев «Элементы функционального анализа», М., |
«Наука», 1965. |
— Прим. ред. |
|
8
1
ВВЕДЕНИЕ
1.1. СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Обычно под сигналом понимают величину, отражающую какимлибо образом состояние физической системы. В этом смысле естест венно рассматривать сигнал как результат некоторых измерений, проводимых над физической системой в процессе ее наблюдения. Уст ройство обработки преобразует исходный сигнал в форму, понятную и удобную для наблюдателя. Поскольку такое устройство в целом обычно очень сложно, его для удобства расчленяют на блоки, вы полняющие отдельные, частные преобразования. На рис. 1.1 пред ставлена подобная модель, достаточно общая для наших целей. Изо браженные блоки соответствуют, вообще говоря, произвольному рас членению всего процесса на составные части; однако большинство применяемых систем обработки содержат такие блоки, хотя иногда и в упрощенном виде. Первичный преобразователь является «датчи ком», преобразующим исходную физическую величину х± (механи ческую, электрическую, оптическую, тепловую, химическую и т. д.) в другую физическую величину х2, более удобную для дальнейшей обработки. Выбор типа «датчика» зависит в значительной степени от совершенства имеющихся технических средств. Например, при сегодняшнем уровне техники для телевидения более удобны электрон но-оптические первичные преобразователи, чем чисто оптические.
Преобразовав исходные физические величины, скажем, в электри ческие сигналы, мы можем произвести дальнейшее преобразование последних с тем, чтобы подчеркнуть наиболее важные свойства на блюдаемой системы и ослабить, или полностью подавить, другие, не характеризующие ее состояние. Это и является в общем виде за дачей кодирующего устройства. Назначение модулятора состоит в согласовании выходного сигнала xi со свойствами канала передачи, имеющегося при измерениях на расстоянии. Например, если исполь зуется волноводный канал, сигналом х 3 обычно модулируют соответ ствующее СВЧ колебание по амплитуде или по фазе. Демодулятор и декодирующее устройство служат для «расшифровки», они выпол няют преобразования, обратные тем, которые производились на входе канала передачи. Пройдя демодулятор, декодирующее устройство
9
и выходной преобразователь, сигнал приобретает желаемую струк туру, удобную для наблюдателя. Читатель легко представит себе разнообразные реализации указанных блоков, если вспомнит извест ные ему системы обработки сигналов. Примеры таких систем разно образны — это телефония, телеметрия, локация, телеуправление, управление производственными процессами, телевидение, телегра фия, медицинская диагностика, автоматическая классификация и рас познавание образов, автоматическое обнаружение частиц и др. Сле дует заметить, что показанная на рис. 1.1 система обработки может также быть блоком более сложной системы, например она может пред ставлять собой цепь обратной связи, используемую для формирова ния сигнала на автоматизированном заводе.
Рис. 1.1. Система обработки сигналов.
Мы стремились обратить внимание на большое разнообразие сиг налов, встречающихся в различных системах. Теория сигналов долж на быть достаточно общей, приспособленной для всех сигналов. Ис ходя из этого, мы должны включить в нее методы аналитического представления сигналов, оценку числовых параметров сигналов и изу чение преобразовании сигналов, осуществляемых различными уст ройствами обработки. Применительно к этому кругу вопросов мы ис следуем далее ряд аспектов проблемы, наиболее поддающихся мате матической трактовке.
В предыдущих примерах сигналами обычно являются величины, изменяющиеся во времени. Удобно представлять сигнал как функцию времени даже в тех случаях, когда для этого приходится искусствен но ввести временную зависимость. Оптическое изображение, напри мер, следовало бы описать как функцию пространственных коорди нат. Однако методы, применяемые для рассмотрения функций вре мени, пригодны и для функций других аргументов.
Рассмотрим способы представления временной функции х (t), позволяющие идентифицировать функции, различать их друг от дру га. Хорошо знакомым и привычным способом является графическое изображение функции. График — это совокупность упорядоченных пар значений {t, х (0), взятых'достаточно плотно и представленных в прямоугольной системе координат (рис. 1.2).
ю