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Signals, Systems and Inference(信號、系統及推理).pdf
i Al v…& eor e C. Ve嚕地
1 "
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固守主在版鋪目 (CIP) 數揖
f直是雪、系鏡及推理/ (美)艾佮 V. 奧本海姆(Al an V. OppenheÎm), (美)莽治 C. 雄主主斯
(George C. Verghese) 著;學玉拍，崔琳莉，武輛海. 一北京 :教L械工迎出版址 . 2017.7
{圈外咆子勻咆『工程技朮拉格)
有名原文 : Signals. Systems and Inference
ISBN 978-7- 111-57390-6
1.倍...
11.
出版者的活 的
..
文芝 !B美以未.訂單遠流長的科竿精神和逐步形成的竿木規范.使兩 1ï 國家在自然科竿
的各小領域取符 T 金晰性的 tt勢:也正是遠祥的侍說.使美悶在缸，息技*~展的六十多年
同名家哥拉出、強領此報 . 在商.!&化的遊程中 . 美間的1"'.!&界勻教 ff !R-越來越黨嚮地結合.
信息乍科中的時還耳朵山北斗同吋身赴科研和教掌的最前我.由此而1'"生的話典科掌在作 ，
不仗~划了研究的站時，迋揭示了半求的草草斐 . 既遊街竿*規{fi. .又府有 ，手持令性 .其偷
值并不金閃年月的流逝 l削減退 .
近年，在令球 fZ息化大潮的推劫下.我園的信息戶主&~展迅猛 .
~;j" -佇立人才的需求 H
益迫切 . 述肘我問教荷界和lIH 版界都既是机過 .也是挑織;而守主IY 教材的 ill 設在教育成 略
上里得導足輕fli: . 在我悶的息技朮投展肘伺較短的現狀下，美肉等~述困家在J-t fJ 息科掌
友展的 JL十年向親能干II~ 展的室主典教材的有恃多值得借接之赴 . 間此.亨|遊一 批因外倪秀
教材將其才說間教仔事虫的孟之展起到f}t敬的推胡作用.也是勾世界接凱、建投 Ä 正的世界一
就大竿的必由之路 .
机誠 L~:tl 版社略 f;i:公口]較早意俱到“出版要對教育服努'， . 臼 1998 年卉蛤.義的就
特工作垂成放在 r 逃過、移海開外使秀教材土 . 室主泣多年的不懈努力 . :J寬(門勾 Pearson 、
McGraw- Hill 、 Else、 icr ， John Wiley &. Sons 、 CRC 、 Springer 等世界著名出版公司建立
了良好的合作美系.)Á他們現有的安全面科教材中甄退出 Alan V_ Oppenheim 、 Thomas L.
Floyd 、 Charle~ K. i\ Icxander 、 Behzad Razavi 、 John G. Pr。泌的、 Stephen Brown 、 A l1an
R. Hambley 、 Albert Malvino 、 Peter Wilson , H. Vincent Poor 、 Has~an K. KhaliJ 、 Gene
F. Franklin 、 Rcx Miller 等大師名家的笠典教材 . 以“國外屯子句也司技朮拉格"和 “ 國
外工~~控制勻智能制造品甘"均系列出版 . 供淒者掌司、研究及珍藏 . 這些仿鋪在旗手手中
柯立了良好的 U 碑.Jt敏件多高校采用均正式教材和參考括軍持f. Jt影印版 “ 紐典原版唱
庫"作站姊妹篇也越米越多敏其施~i吾教掌的掌校所果用.
杖戚的作 ií- 、設恥的教材、 一 流的 一揮者、 F瓦格的布拉、精制的編輯，述些因京使我們
的問括有了J9t吐的保証 . 隨者屯在已勻屯子信息掌科、自功化、人士智能 ~itt漫的不斷完善
和教材改革的逐漸深化，教育界肘問外咆"'t勾屯子信息英、控制樂、智能制造英等相美教
材的需求和l 皮用都將步入-1'-新的船設 .我們的自綜是應聲息美，而反傲的憑此正是聽們
迷到述一雙極目你的屯要幫助 . 年章公司玫迎老師和議者 X;j"我們的T.作提出建棋或蛤于指
正 . 哉們的眼系方法如下:
年章岡站: www.hzbook.com
屯子都件: hzjsj@hzbook. com
朕系咆活 :
(0 10 )8837960.1
買菜奈地址:北京市面成巨育方庄南街 1 考
師政編輯: 100037
~﹒教育
牢牢科技園指出版中，心
一h 譯者序 一句
主句決定翻譯 Alan v. Oppenheim 教授等撰穹的本嗎肘，內心既很激功，又很幸志 . 激
功是因均能址間內單多的旗者湊到達本主歪典教樹，真心失奇 . 而意志不但但是因均本~有
如此丰富而且稍致的內容，更重要的是，本哨所承載的 Alan V. Oppcnhcim 等知名掌者的
撰穹 DNA ，承鎮的 MIT 課程建設理念，承載的引領掌生2t現問題的精神.格達些 一一呈
現出來討于坪者來說是一小非常巨大的挑裁 。
信寄勾系統的概念和基本原理財于屯子突旁坐的大竿生來說是最基耐的 . 也正是
Alan V. Oppcnheim 教授在 1989 年出版的學典教材 (( Signals a nd Systems>>( 1997 年推出 7
第 2 版)絢架了信每勾系統相美課程的信哥表示、系統表征、 11向底分析的基耐知恨，以及
肘域描述和查換域赴理的主T 法体系 。
然而，隨著現代技木的高速度展，屯子拉*笑嘻f .ill(_的大半生需要具有財笙朵工程向題
中信辱、系統的表征和教掌描述能力，掌握笙追趕工程向題中的信辱分折和赴理 1f法，因此
但但竿耳“仿哥勻系統"迫 n 課程的內容是明星不箏的 . 遠就催生了“信辱勻系統"后接
課程的誕生，以及計 X1f吉哥持系統的知iR体系的拓展和延伸.
本 =括系統地隅述 7 迫科知1R体系的拓展和延伸 .
首先是概念的延伸，計財咱座信哥或者現測信哥揭示系統內部存在的功志奎、化.不捨
是杖恣空間模型、可造性和可現測性等概念 . 運是徵分立于程、反價控制的述種描述 . 達科
描述的理地基制在于本格引人的一小概念一一推理，其定又 3句“錯舍先噓知訊和可用的信
哥暈測來個納不硝定性的存在性" . 遠里的先韓知板可以是庄周系統得到信哥暈瀾的某科
輸入輸出描述，或者杖志空向描述 . 推理可以是座用系統中參數和咱店劫恣斐化的推演、
分析，或者是座用系統內部工作模型的推演、控制勻改避泣程 .
其故是碗定性分折到概率分析的拓展 。 是美得被干拉、聰戶或者其他不碗定因素影咱的
庄周領坡的基耐概念和基硝理拾，)}...而拘架信粵、系統和概率的知俱体系組合 . 之昕以說
本格內容非常丰富，就是因拘本名立足的由基本原理和概念所拘鍵的信粵、系統、概率的
研究和座用非常丰話，支持的領填非常尸涯，有著丰富的前史重要性 .
最后是本將引人的現測器概念，可以持不碗定的或者不可現測的系統咱座勾現測信每
分奸，同吋輸推理的算法其現賦予了設計系統來赴理相座現iJ!~倍嘻的新內油 . 有基 E血的渡
者可能金敢想到{古學檻瀾勻估汁理洽，遠里將信學勾系統狀怒、模志結合起來，特現測器
勻龍混理治結合起來，先拾起在收志佑汁益是信哥植樹上，拘成的推理具有數掌上的基耐
和普通性的庄周 .
克軍管知怎貝体系的延伸和座用拓展非常多，但本格的內容組伊、仍然非常精致。正如
Alan V.Oppenheim 教授在致謝中昕混的，本教材的內容審于在 MIT 卉展的 二十余年課程
的教半徑膛，以互不斷丰富和完善的課程滸米，直到 2015 年才決定正式出版 . 在遠1'-迂
程中不斷有內容被遁入，裁者被移除，因方作者且是把那些能在直立于各科各祥繁奈庄周
的、基于教掌和算倍以及汁算基甜的知 SR詛釵起未 .
正因方本哨的內容詛訊精致，讓者可能体金不到像 Alan V. Oppenheirn 教授另外商本
鐘典教材( Signals and Systems ) 和 ( Discret e-Time Signal Processi ng)里的那些事完巨姻的
說明勻推辱.盎然少 7 淳淳教辱的風格，但本布益是保持了 Alan V. Oppenheim 教授的撰
穹 DNA. 旭、金特寓散和連續系統的分析一井里現勻赴理 .并 i寸拾違縷的寓散宴現;忌、是
注重微分方程、義分立于種以2是杖志空間的描述，并展示它們在通信、控制、悶格、生物臣
v
掌耳11 控訴等領域中的庇用 ;
的推辱和深入理解的基硝刁趣、高敏勻暉，以及知怎只內容的步廳、更高級別的廿展刁題 .
~'也是錯出 三字寫的、 1人概念和庇用中抽象出的耳題 ， 包括知怎Rel.立
感謝机被工~出版社學 1世公司引遊遠本重要的間啊，感謝學草公司的王穎剖 ，且 指委托
我們翻譯本格 o
:2拉布第 1 -6 章由武暢翻埠，第 7-9 市 以及卉場白、前吉、索引由崔琳莉
翻譯 ， 第 1 0- 13 章由李 玉 柏翻譯 ， 全相由李玉柏統稿 .
記得 2011 年 在西安的 TI 全球骸心大半汁划固眛研 i寸金上，精幸和 Alan
V.Oppenheim 說信等分析勻赴理獎課程建設遊行商討面交流 ， 財 Oppenheim 奉行的
“在大掌 ， 我們致力于友現解決芳案中的向趣;在戶 主1(界 . 義的致力于方向題找到解決方
案"的理念印象深刻 . 因此我們希望每一位接者在信每赴理、控制、通信、金融工程、 生
物區掌、物理載其他領域中 ， 能略這用本唱的知怎只、理拾和1r法去$t現問題，間肘也希望
議者能lt.現幸免們翻樺的不是和理解上的偏差.息清尸大旗者的批坪指正 ，屯 子師箱
ybli@uestc. edu. CD o
屯子科技大 ;jf ~玉柏
20 17 年 4 月 19 日于成都
..'2;.-'帆，前
..!包圍
置 U均
本 主括基于大乍本科課程內容井有遁盟的延伸和拓展﹒目前提 ~1 {f MIT 屯 !{T 程系和
汁算都l科竿系都斤投 F 相庄的 i果程 . 進燥的掌生大多是不同 t 程竿科分立的大-和大四孝
生 ， 也有l.ilHfJ科半身虫的本科生和研究生 . 掌司達1'1課程 一 般要求學生修泣兩(J先修課
程: - 1'1是美于 1，了可﹒勾系統吋域和頻域分析方法的專洽課程;另 - (1是夫子概率的專洽課
程。大多數工程~-.llk.的~:啥都在半位課程的早期盼Eti完成 f 述兩1'1i)其輯的 主主耳. ..信 每勻
系統"課程，也娃勾微分方程相矢，也涉及一些基本的我性代數知 i只 .
在許多工程院系， )(.t區1期數竿特別感與趣的半生往往金逃修 - ( J 控制、 f吉~. 赴理或者
通信等更令.llk.的本科生陳程。除 7 守主lY.性以外，達美澡程通常研究的是俯定性的每勻系
統。而我怕的日掠娃融合倍辱、系統和概率的相美知恨，掏注.!lf深人的基咄知玖体系，以
引起更多半生的共趣.因此 x-t于工程駝系和庄周科竿系來說，本胡既可以是本科生的基咄
教材 ， 也吋以是!l! ，\:5紛本科課程的理iQ;基磁，甚 至作主l研究生保輯的持治部分
進持本4$作均教材的課程中，失于信等勻系統的描述)(1"竿1:.米混過 ?;1. 是新的，比如.
通垃相美函數和功率i持密度未描述的飽机信哥及其特征 . 課程'11 金介紹 一 些新的仿哥勻系
統特性 ， 如杖恣空 Iì-tJ 模型、可造性和可現測性、最佳能控器和群延遲 . 同吋改 i果誼通強調
了基于模型的推理芳話 ， 特別是杖恣估汁、信哥估汁和信哥拉倒部分 .
息管現有的各 科教材也涉及了該課程的部分內容， 但我們輸聲波布拉到 一本覆 蓋研{;J
想要 i寸 iê 內容的教材 . 于是首先有了相美滸文 ，遠 也是比較容易玄現的部分，然后最堅形
成了本~ . 在遠小近程中.主主們不斷地當斌改造和完善潔種內容.并iCJ 整它們之向的相 互
順序 . 期間.義的也不肘特某部分內容包括避朱建者刪除 . 多狀告ù\ 1早出的結洽是.義和1
甚至完怯在 一小竿期的課程中游授完信息途的基本概念 . 原管述些概念肘通信系統和推理
〈更一般情批下)來混非常垂要 .
正立日本甘拜弱肉所述， f吉琴、系統和概率一直并將繼按是非常打州的知 i只体系組合 .
可用于研究信每赴理、控制、通信、金融工程、生物匿芋，以及昨多其他涉及連接吋間或
寓散吋伺 J4:旦 被 F 吠、噪J主f 或不碗定因素影哨的功恣斐化泣程領域. .1車也是拘建全布 全吉拘
和內容的基 illl 勻前提.
本4$由 4 小部分組成 . 第 1 章和第 2 章筒要概述了錢性 IH 不交 (Linear Time
Invariant , LTI)系統的制定無件，部分素相內容可能并不常~ 。 述兩帝的美健目的是對后
接章令建立起統一 的你氾符琴和概念 。 第 3 章 i寸洽了數字通仿巾跡沖幅度惆制的庄周 .
第 4 -6 ì扭身注于收恣空 間模型的研究，主要 i寸拾了學輸人學輸出的 LTI t7i 況 . 其內
容很大程度上用繞述些系統的特征模式展卉，并筒學假設在不同的間有頻率 f . 本朽的述
部分內容且I LTl 系統的狀恣現測器引人了 基于模型的推理概念，也i寸洽 f 相夫的反偵控制
11案 。
第 7 -9 -rt 筒要概述了假定的概率前提余件 .包括芳t靜 恣閩机坐位的柏汁和骰投磕碰 .
正如第 1 章和第 2 唯一 祥 . 我們v..均在回顧竿生可能在早期概率深程中 掌泣的知垠的問
肘，建立本帶過 4穹的概率相美符辱和概念非常重要 . 此外‘述部分的部分內容.特別是假
設撞車章，可能 ~1一 些半生來說比較陌生 .
第 10- ] 3 î;ï Hiê 了 J""- )(平息隨机信辱，以及遠些{言學銓 LTI 揖放后的繪出信哥 . 相
美面敏和功率借嚮度的特征和解釋可以用未研究典型的信哥俏汁和 1;; 穹位 測向組 . 第 12
章重 AZi寸拾的是說性最小均芳淚差的信夸佑汁，也就是維納草草 i皮 第 13 眾的壺，杰是匹配
VI1
總值相美的最佳方案的情辱位測 .
正如詮常所說的 .課程的目的是 ';)1 辱半生 :!t. 現向題而不是解決掉所有問題 . 本著遠利i
精神，每章的最后 - 1)"棉蛤出了延伸 i地接 . 在遠些筒短的小哲中，我們不是一一步列參考
文獻 . 而是封參考眾紛蜢舍的丰富竿耳賢甜、指出建故 . 我們鑽出的文獻全部都是帶籍而不
是~文 . 而且每故 ']IJH 都但限于改初x.t庄的部分 .
每一 章都包含大啞的耳聽 . 分均 1主制勾趣、高級刁趣和 fr 展耳題 . 基副司題~大多數
半生米視比較容易:高級刁題可能要求自些 ;fj展耳題常常金涉及一 些超出本章內容的問
題 . 某些耳題?石，要仿﹒ 立或者采用合遁的汁u 包東遊行汁算 . 接于遠些 i 1- 1'): 包的多祥性和普
遍性 ， 我們并設有聞說任何特定平台來拘建汁算刁題 .
4正名的內容逗多于一竿期的課程既能教授的 ， 即以教師或者自掌者可以根揖需要遊行
進作 . 述么多年，在的嘗試垃不間的造祥 . 如果是更他向于通信或者的早赴理考宜的課
程.第 4 - 6 章 ( 杖恣 空 肉模型 〉 可以略去 . 或者只做筒t'J'1 介紹 . 如果是更偏向于控制寺血
的陳祖 . 第 3 章、第 9 j'賞和第 ]3 章可以考慮進修 .
前面指出了兩科造拼了7 案 . 接 F 來 i羊劉概述我們目前采用的課程安排 . 法課程每周兩
吹大碟，大約需要 1 3 用 . 大深勾相間教扭的 /j、班汁 ì~ i!私交車只遊行，其巾 /j、班i寸t企謀xt 大
i果巾的特定問題ill:行更多交互式的吋洽 ， 并且解答每月的作坐 . 除此之外，我們也金逃掉
性措辱小班 i寸i'e;課 . 最后 起組致了晚上“公共休息室"，每周多故允許半生聚集在教室里
相克付洽 ; 對他們做作.ill::的肘帳 . 逆金打 一位教師在現場指辱 .
在教掌迂程中‘我們，宮、是強調刁題更像是3(;j"概念和知浪体系遊行掌司勾缸，色的迂程，
而不是 一 伙測磁 . 改們希盟半生本 三位遠利，精神財待課后之!題 . 特別是，我們鼓勵竿生訊報
合作，分享 j且辭辛n 方怯 。 我們討刁題的划分主要是根錯啡生的反償 。 課程安排一般舍有 一
故期中測誼和 一 故期末考述 . 章后 刁題金被忱先用作測鐘或考試題目 . 如果需要的話，澡
堂土的很多素材也可以提條成課程投 ì1-•
專~潔的作用就像卉場自在本括中的地位一 祥 . 因此，專治碟的重底是美注掌生可
能 )F 不熟悉的預各知以或科目，止中生肉己笙耳余下的部分 ， 達可以通迢迢聳的作.ill::越
加以引辱 。 然后就可以直接遊人第 4 -- 6 葷的收恣空間部分。即使半生之前接蝕垃 一 些
杖恣空伺模型 . 遠里也必定有他們第 一 改接蝕的京間 ， J軍管他們通常能都很容易敢想到
3(.t庄的黨 tt . 贊賞1 不要求竿生掌握祥組的証明推專注程 ， 扭 LTI X見瀏器或者扶志反慎的
特征值的位置，而是期望他們能移耳解相美的第洽.并知道如何逗周到玄例中 。 美于杖
恣 空 間現測器框架的 一 小重要知 iFl 成就是系說摸地在M.測量信哥到系統推理中起到的
作用 .
然后我的的改觀特向概率模型和隨机倌辱 。 第 7 1;i:. x才概率的問願主要引出了第 8 ~ì.j
i金的最小均芳誤差 ( Minirnum Mean Square Error , MMSE) 和錢性 MMSE(Linear MMSE.
LMMSE) 估汁 . 均了更快地卉蛤隘机信哥的分析 . 而不是長吋向回顧概率的預各知恨 ，我
們將第 9 章中骰投噓噓的掌刁推退到了課程末，把它作均第 13 章中信哥拉割的引子 . 遠
祥做的部分依揖是第 9 章和第 1 3 章都是美于萬散隨机量的推理，即假設;而第 8 章和第
12 章赴美于連續隨机妥當推理的 (L)MMSE 估汁 。 因此以第 8 章直接道人第 10 章掌刁他
机佔辱，也就是值机垃程，草成 i寸洽 J-'- 文平輯、 (Wide-Sense Statjonary , WSS) 垃程的 Ii才城
分析 ， 以及~述些泣程的 LTI 德拉支 .
第 11 章ì:才拾的主題可勻第 1 章的仿每斐換和能揖 i普密度騏系起來，間肘也建立起勻
第 2 章的全通混混器和增園式分僻的美系 . 送些內容~于第 12 章中 W SS 泣程的 LMMSE
(或維納)龍混也是非常重要的 。 在大部分課程滸按中，吾兒們省略了因果罐鍋諒被器的 i羊恩
推辱，而只是甘地基于一小垃程的迫去值來預測該泣程的特主任值的情況 。
甄烈建波課程的最后 一 部分間lI=l到第 3 章，用基于脈沖幅度鴻制的數字通信來避 一
步分昕假設噓噓向組 . 問問到第 3 諧的述種也金涉及第 2 幸失于信道失其和群延退的知
VIlI
氓 。 然后再在第 9 章 H地假設噓噓范例。遠也赴掌勻最后 一 輩〈即第 13 章〉中信哥拉側
的基拙 。
本桔的 f 逆性，以及完成t支持3項目所涉及的不同背景，意味若我們有許多參考掌耳其
他課程的地芳 。 就如同向井書中引用的參考文獻掌司 一祥，我們也向多勻了很多課程建設工
作的掌生、助教和教咿、工 間事掌耳 . 如果本拐能移引辱或者幫助有相似友現之旅的淒清，
能移~'Í"他們在拘建自己的信辱、系統和推理的分析主題上有昕幫助，那么 2拉格也就充分追
到了預期間的 .
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