全書共10章(不含緒論部分),從工程應用的角度出發(fā),按時域分析、頻域分析、復頻域分析、離散傅里葉變換、系統(tǒng)設計、算法設計、誤差分析、應用案例遞進展開,介紹了數(shù)字信號處理學科的基本概念、基礎理論、基本分析方法、系統(tǒng)的基本設計方法及其應用。本書強調知識體系與學科基礎,使學習過程由熟悉入門,逐步上升到抽象理論;合理運用數(shù)學工具,弱化數(shù)學公式的推導,強調數(shù)學公式的內涵,突出數(shù)學關系的工程背景,更多關注理論的實用性;借助matlab軟件將數(shù)字信號及其處理過程以圖形化展現(xiàn)及釋疑;給出與測控技術、電子信息等專業(yè)相結合的工程案例,使理論緊扣實際。本書可作為測控技術與儀器、電子信息等相關專業(yè)基礎課“數(shù)字信號處理”的教材和參考用書,也可供從事數(shù)字信號處理的科技工作者和工程技術人員基礎性參考。
本書為遼寧省教委重點課程建設教材,從2009年至今進行了校級課程建設,課程建設中編寫了校印教材一本,約50余萬字,從2009年開始試用至今,試用近7屆學生,有講義,有PPT,并有校印課本,教學效果明顯。
1、本團隊教師從事數(shù)字信號處理的教學工作約10輪,在教學過程中積累了一定的經(jīng)驗;
2、于2007年以教改項目“數(shù)字信號處理教學模式探析”為契機開展了數(shù)字信號處理課程的教學探討,在教學內容的組織、教學方法的改進及基礎理論的應用上積累了行之有效的經(jīng)驗;
3、編寫的“數(shù)字信號處理計算機實驗指導書”得到廣泛應用;
4、團隊內每一位教師均有著與數(shù)字信號處理相關的科研經(jīng)歷。
隨著計算機技術和信息科學的快速發(fā)展,數(shù)字信號處理已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門獨立的學科。數(shù)字信號處理技術靈活、精確、抗干擾性強,廣泛應用于儀器儀表、工業(yè)檢測、控制系統(tǒng)、通信、語音、電視等各個領域并取得了重大的開拓性成就,作為一門重要的專業(yè)基礎課而受到廣大教師和學生的重視。
本書主要用作測控技術與儀器等相關電子信息類專業(yè)基礎課“數(shù)字信號處理”的教材或自學用書,以應用型人才培養(yǎng)為主線,教材內容按時域分析、頻域分析、復頻域分析、離散傅里葉變換、系統(tǒng)設計、算法設計、誤差分析、應用案例遞進展開,可使學習過程由熟悉入門,逐步上升到抽象理論;合理運用數(shù)學工具,弱化數(shù)學公式的推導,強調數(shù)學公式的內涵,突出數(shù)學關系的工程背景,更多關注理論的實用性;給出與測控技術、電子信息等專業(yè)相結合的工程案例,使理論緊扣實際;借助matlab軟件將數(shù)字信號及其處理過程以圖形化展現(xiàn)及釋疑。本課程建議授課學時為56學時,其中實驗學時為10學時。
全書用10章介紹了數(shù)字信號處理學科的基本概念、基礎理論、基本分析方法、系統(tǒng)的基本設計方法及其應用。其中,第1、2和3章是全書的理論基礎,分別從時域、頻域和復頻域的角度介紹了離散時間信號與系統(tǒng)的定義與描述,離散時間信號、離散時間系統(tǒng)及離散時間系統(tǒng)對信號處理過程的基本分析方法、基本理論和工程應用;第4章的內容是離散傅里葉變換的定義、性質、快速計算的思路及其應用,它是數(shù)字信號處理中對信號做譜分析的理論基礎;第5、6、7和8章首先介紹了數(shù)字濾波器的基礎知識、分類及經(jīng)典選頻數(shù)字濾波器設計指標描述、主要討論了無限長脈沖響應數(shù)字濾波器的系統(tǒng)設計方法、線性相位有限長脈沖響應數(shù)字濾波器的系統(tǒng)設計方法和它們的算法結構設計,這些是實現(xiàn)對離散時間信號進行處理的理論基礎;第9章簡要討論了A/D變換的量化效應、數(shù)字濾波器系數(shù)的量化效應、運算中的量化效應等數(shù)字信號處理的有限字長效應,它是數(shù)字信號處理實現(xiàn)中誤差分析控制的理論基礎;第10章以智能儀器中常用的簡單數(shù)字濾波算法、采樣率轉換技術的應用、軟件無線電技術、控制系統(tǒng)數(shù)字化等為例,簡單介紹了數(shù)字信號處理技術的應用,旨在使同學們了解數(shù)字信號處理在實際系統(tǒng)中的應用方法,為將所學理論知識應用于工程實踐中打下基礎。
書中每章都給出了豐富的例題和習題,便于讀者理解和掌握數(shù)字信號處理學科的基礎知識和基本理論的應用,提高分析問題、解決問題的能力。
本書的緒論、第5、6、7和9章由陳剛編寫;第1、2、3、4和8章由張曉杰編寫;第10章由孫波編寫。全書由陳剛負責統(tǒng)稿。紀振平等老師完成了書中部分圖表的制作,孫瑞鵬等同學參與了文字錄入編排工作,在此一并表示衷心的感謝。
由于編者水平與能力有限,書中難免存在錯誤和不妥之處,敬請廣大讀者批評指正。
緒論1
第1章 離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析7
1.1離散時間信號的描述及其基本運算7
1.1.1離散時間信號的描述7
1.1.2離散時間信號(序列)的基本運算7
1.1.3 典型時間信號及應用10
1.2離散時間系統(tǒng)的描述及性質13
1.2.1離散時間系統(tǒng)的描述13
1.2.2離散時間系統(tǒng)的性質13
1.2.3線性移不變離散時間系統(tǒng)16
1.3離散時間信號通過系統(tǒng)的時域分析18
1.3.1線性常系數(shù)差分方程的求解19
1.3.2離散時間信號通過系統(tǒng)的響應19
1.3.3離散時間系統(tǒng)的單位抽樣響應19
1.4小結21
習題21
第2章 離散時間信號和系統(tǒng)的頻域分析24
2.1離散時間信號的離散時間傅立葉變換24
2.1.1非周期序列的離散時間傅立葉變換24
2.1.2 離散時間傅立葉變換的性質27
2.1.3周期序列的傅立葉級數(shù)及其離散時間傅立葉變換31
2.1.4時域采樣定理37
2.2離散時間系統(tǒng)的頻率響應40
2.3離散時間信號通過系統(tǒng)的頻域分析41
2.4小結43
習題43
第3章 離散時間信號與系統(tǒng)的復頻域分析46
3.1 Z變換46
3.1.1 z變換的定義46
3.1.2 z反變換52
3.1.3 z變換的主要性質57
3.1.4 z變換與離散時間傅立葉變換的關系61
3.2離散時間系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)62
3.2.1 單位抽樣響應與系統(tǒng)函數(shù)62
3.2.2 離散時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性和因果性64
3.3離散時間信號通過系統(tǒng)的復頻域分析65
3.3.1 利用z變換解差分方程66
3.3.2頻率響應的幾何確定67
3.4小結69
習題69
第4章 離散傅立葉變換及其應用72
4.1離散傅立葉變換與Z變換72
4.1.1 離散傅立葉變換的定義72
4.1.2離散傅立葉變換與z變換、離散時間傅立葉變換的關系77
4.1.3頻域采樣定理81
4.2離散傅立葉變換的主要性質82
4.2.1線性性質83
4.2.2移位性質83
4.2.3 Parseval定理83
4.2.4對稱性質84
4.2.5卷積性質86
4.3離散傅立葉變換的經(jīng)典快速算法88
4.3.1直接計算DFT的計算量89
4.3.2 時間抽取基-2 FFT算法90
4.3.3頻率抽取基-2 FFT算法94
4.3.4離散傅立葉反變換的快速算法98
4.4離散傅立葉變換的應用100
4.4.1信號的譜分析100
4.4.2線性卷積的計算103
4.5 小結106
習題106
第5章 數(shù)字濾波器設計基礎109
5.1數(shù)字濾波器的功能、分類與描述109
5.1. 1濾波器的功能109
5.1. 2濾波器的分類109
5.1.3數(shù)字濾波器的描述111
5.2經(jīng)典數(shù)字濾波器的設計方法114
5.3選頻數(shù)字濾波器的設計指標描述114
5.3.1幅頻響應的技術指標115
5.3.2相頻響應與群延遲117
5.4小結118
習題119
第6章 無限長脈沖響應數(shù)字濾波器的系統(tǒng)設計120
6.1 IIR DF的特點及其系統(tǒng)設計的基本方法120
6.1.1 IIR DF的特點120
6.1.2 IIR DF系統(tǒng)設計的基本方法120
6.2 模仿模擬濾波器的IIR DF系統(tǒng)設計121
6.2.1模擬低通濾波器的系統(tǒng)設計121
6.2.2模擬濾波器映射為數(shù)字濾波器135
6.2.3頻帶轉換技術146
6.2.4模仿模擬濾波器進行IIR DF的系統(tǒng)設計157
6.2.5模仿AF進行IIR DF系統(tǒng)設計的主要問題164
6.3 IIR DF的直接設計法164
6.3.1零點、極點配置累試法164
6.3.2 優(yōu)化設計法166
6.4本章小結166
習題166
第7章 有限長脈沖響應數(shù)字濾波器的系統(tǒng)設計169
7.1 FIR DF的特點及指標描述169
7.1.1 FIR DF的特點169
7.1.2 線性相位FIR DF的相頻指標描述169
7.2線性相位FIR DF的條件、特點及其系統(tǒng)設計的常用方法170
7.2.1 FIR DF具有線性相位的條件170
7.2.2線性相位FIR DF幅度函數(shù)的特性171
7.2.3線性相位FIR DF系統(tǒng)的零點分布特點173
7.2.4線性相位FIR DF系統(tǒng)設計的常用方法175
7.3線性相位FIR DF的窗函數(shù)設計法175
7.3.1設計原理175
7.3.2用矩形窗設計線性相位FIR LP DF175
7.3.3 矩形窗的截斷效應177
7.3.4 典型窗函數(shù)179
7.3.5線性相位FIR DF系統(tǒng)函數(shù)的窗函數(shù)法設計步驟182
7.3.6 設計舉例184
7.3.7 窗函數(shù)法設計的FIR DF中的主要問題189
7.4 線性相位FIR DF的頻率抽樣設計法189
7.4.1 算法原理189
7.4.2兩種頻率采樣方式193
7.4.3頻率抽樣設計法的逼近誤差及其改進193
7.4.4線性相位FIR DF系統(tǒng)函數(shù)的頻率抽樣設計法設計步驟196
7.4.5設計舉例196
7.4.6頻率抽樣設計法設計線性相位FIR DF的特點202
7.5線性相位FIR DF的優(yōu)化設計法202
7.5.1 均方誤差最小準則203
7.5.2 最大誤差最小化準則204
7.5.3 設計舉例207
7.5.4線性相位FIR DF優(yōu)化設計法的特點210
7.6 FIR DF與IIR DF的比較210
7.7 小結211
習題211
第8章 數(shù)字濾波器的算法結構214
8.1離散時間系統(tǒng)的信號流圖描述214
8.2 IIR DF的算法結構215
8.2.1直接型算法結構215
8.2.2級聯(lián)型算法結構217
8.2.3并聯(lián)型算法結構219
8.2.4轉置型算法結構220
8.3 FIR DF的算法結構221
8.3.1直接型算法結構221
8.3.2級聯(lián)型算法結構222
8.3.3頻率抽樣型算法結構223
8.3.4線性相位FIR DF的算法結構225
8.4離散時間系統(tǒng)的格型算法結構簡介227
8.4.2 全極點系統(tǒng)(IIR系統(tǒng))的格型結構228
8.4.3 零極點系統(tǒng)( IIR系統(tǒng))的格型結構229
8.5小結229
習題229
第9章 誤差分析231
9.1數(shù)的二進制表示及其量化誤差231
9.1.1數(shù)的二進制表達231
9.1.2二進制數(shù)的定點運算232
9.1.3二進制數(shù)的浮點運算234
9.1.4尾數(shù)處理234
9.2模數(shù)轉