通信与导航系列规划教材：数字信号处理 [Digital Signal Processing] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

　　根据“数字信号处理”课程教学要求，通过对多次再版教学讲义内容的整合修订，《通信与导航系列规划教材：数字信号处理》主要介绍数字信号处理的基本概念、理论及方法，适度引入现代信号处理概念。
　　《通信与导航系列规划教材：数字信号处理》内容包括：离散时间信号和系统的时域描述、离散时间信号和系统的频域分析、离散傅里叶变换及其快速算法、无限脉冲响应数字滤波器设计、有限脉冲响应数字滤波器设计、系统网络结构、其他正交变换、序列的z变换及MATLAB中的滤波器设计工具等。参考课时为60学时。
　　为便于读者学习，各章均附有主要知识点、实现程序、思考题及练习题，并提供相应的课堂教学课件。
　　《通信与导航系列规划教材：数字信号处理》可作为普通高等学校电子信息类专业和相近专业的本科教材，也可供从事数字信号处理的工程技术人员参考。

作者简介

　　段艳丽，主持完成本科“数字信号处理课程教学内容改革”攻关项目和硕士研究生 “语音信号处理”教改示范课程教学改革；持制定“数字信号处理”课程建设方案，主持申报国家精品课程，负责建设网络课程。

内页插图

目录

绪论

第1章 离散时间信号和离散时间系统
1.1 离散时间信号
1.1.1 序列的表示
1.1.2 序列的基本运算
1.1.3 常用典型序列
1.1.4 序列的周期性
1.1.5 序列的对称性
1.2 离散时间系统
1.2.1 系统的单位取样响应
1.2.2 线性时不变离散时间系统
1.2.3 线性卷积运算
1.2.4 线性时不变系统的因果性与稳定性
1.2.5 线性时不变系统的差分方程
1.3 时域连续信号的采样及恢复
1.3.1 信号采样
1.3.2 信号恢复
1.3.3* A/D转换与D/A转换
1.4 MATLAB实现举例
思考题
习题

第2章 时域离散信号和系统的频域分析
2.1 序列的傅里叶变换
2.1.1 序列傅里叶变换的定义
2.1.2 傅里叶反变换
2.1.3* 序列傅里叶变换的存在条件
2.1.4 序列傅里叶变换的性质
2.1.5 序列截断对频谱的影响
2.2 系统的频域描述
2.2.1 系统的频率响应
2.2.2 系统函数
2.2.3 利用系统函数的零极点分析系统特性
2.3 几种特殊系统
2.3.1 梳状滤波器
2.3.2 线性相位系统
2.3.3 全通系统
2.3.4 逆系统
2.3.5 最小相位系统
2.4* 序列的短时傅里叶变换
2.4.1 STFT的定义
2.4.2 STFT的分辨率
2.4.3 短时傅里叶变换应用举例
2.5 MATLAB实现举例
思考题
习题

第3章 离散傅里叶变换及其快速算法
3.1 傅里叶变换的几种形式
3.2 离散傅里叶变换
3.2.1 离散傅里叶变换的定义
3.2.2 离散傅里叶变换的隐含周期性
3.2.3 离散傅里叶变换的基本性质
3.3 频域采样理论
3.3.1 频域采样
3.3.2 频域采样定理
3.3.3 频域恢复
3.4 离散傅里叶变换应用举例
3.4.1 计算序列线性卷积
3.4.2 信号频谱分析
3.4.3 实现正交频分复用
3.5 快速傅里叶变换
3.5.1 减少DFT运算量的途径
3.5.2 时间抽取基2FFT算法
3.5.3 频率抽取基2FFT算法
3.5.4 快速傅里叶反变换（IFFT）
3.5.5 任意基数的FFT算法简介
3.5.6 实序列的FFT
3.6 MATLAB实现举例
思考题
习题

第4章 限脉冲响应数字滤波器设计
4.1 滤波器基础
4.1.1 滤波器基本概念
4.1.2 滤波器指标
4.1.3 数字滤波器常用设计方法
4.2* 模拟滤波器设计
4.2.1 滤波器平方幅度函数到系统函数的转换
4.2.2 Butterworth型模拟低通滤波器设计
4.2.3 Chebyshev型模拟低通滤波器设计
4.2.4 Cauer型模拟低通滤波器设计
4.2.5 模拟高通、带通、带阻滤波器设计
4.3 脉冲响应不变法IIR数字滤波器设计
4.3.1 设计原理
4.3.2 变换前后频率特性分析
4.3.3 设计步骤
4.4 双线性变换法IIR数字滤波器设计
4.4.1 设计原理
4.4.2 双线性变换特点分析
4.4.3 设计步骤
4.5 MATLAB实现举例
思考题
习题

第5章 有限脉冲响应数字滤波器设计
5.1 线性相位FIR数字滤波器
5.1.1 线性相位FIR滤波器的四种情况
5.1.2 线性相位FIR滤波器的零点分布
5.2 窗函数法FIR数字滤波器设计
5.2.1 设计原理
5.2.2 常用窗函数
5.2.3 设计步骤
5.2.4 MATLAB设计举例
5.3 频率采样法FIR数字滤波器设计
5.3.1 设计原理
5.3.2 误差分析及改进措施
5.3.3 设计步骤
5.3.4 MATLAB设计举例
5.4* FIR数字滤波器应用实例
5.4.1 滑动平均提取股市行情走势
5.4.2 一阶高通滤波实现语音信号预加重
5.4.3 梳状滤波器滤除谐波干扰
5.5 IIR与FIR数字滤波器的比较
5.6 其他MATLAB实现举例
思考题
习题

第6章 系统网络结构
6.1 系统的信号流图表示
6.2 限脉冲响应系统的基本结构
6.2.1 直接Ⅰ型
6.2.2 直接Ⅱ型
6.2.3 级联型
6.2.4 并联型
6.3 有限脉冲响应系统的基本结构
6.3.1 直接型
6.3.2 级联型
6.3.3 频率采样结构
6.3.4 线性相位结构
6.4 数字滤波器的格型结构
6.4.1 全零点FIR格型结构
6.4.2 IIR系统的全极点格型结构
6.4.3 IIR系统的零-极点格型结构
6.5 MATLAB实现举例
思考题
习题

第7章* 其他正交变换
7.1 正交函数集
7.1.1 正交函数的定义
7.1.2 离散正交变换
7.2 离散余弦变换
7.2.1 离散余弦变换的定义
7.2.2 二维离散余弦变换
7.2.3 离散余弦变换的计算
7.3 沃尔什变换
7.3.1 沃尔什函数
7.3.2 沃尔什变换
7.4 Haar变换
7.4.1 Harr函数
7.4.2 Harr函数的性质
7.4.3 Harr变换
7.5 正交变换在图像压缩编码中的应用
7.5.1 图像压缩编码
7.5.2 图像正交变换编码
7.6 MATLAB实现举例
思考题
习题
附录 Az变换
附录 BMATLAB中的滤波器设计工具
参考文献

前言/序言

《通信与导航系列规划教材：数字信号处理》—— 洞悉信号世界的基石 在信息爆炸的时代，通信与导航技术已渗透到我们生活的方方面面，从宏观的卫星定位到微观的手机信号，其背后都离不开对“信号”的精准处理与深刻理解。而数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）正是这一领域的核心驱动力，它赋予了模拟信号以生命，使其能够被计算机理解、分析、转换和操控。本书，作为“通信与导航系列规划教材”的重要组成部分，旨在为读者构建一个坚实而系统的数字信号处理知识体系，引领大家深入探索信号的奥秘，掌握现代通信与导航系统设计与实现的关键技术。 本书内容并非对已有的零散知识点进行堆砌，而是遵循严谨的学术逻辑和清晰的教学思路，层层递进，由浅入深，力求让读者在掌握基本理论的同时，也能深刻理解其工程应用。我们将从数字信号处理的基本概念与原理入手，为后续内容的学习奠定坚实的基础。 第一部分：数字信号处理的基础理论 在这一部分，我们将首先介绍连续时间信号与离散时间信号的概念，阐述信号的采样定理，理解将连续信号转化为离散信号的关键——采样率的选择及其对信息保真度的影响，并讨论量化误差的产生与控制。接着，我们将深入探讨离散时间系统的特性，包括线性、时不变性、因果性、稳定性等，这些特性是分析和设计数字信号处理系统的基石。我们将通过求解差分方程来理解IIR（无限冲激响应）系统的动态行为，并通过卷积运算来刻画FIR（有限冲激响应）系统的输出特性，理解两类系统的优缺点及适用场景。 理解了时域的系统特性后，我们将引入傅里叶分析这一强大的工具，它是数字信号处理的灵魂。我们将从离散时间傅里叶变换（DTFT）开始，理解它如何揭示离散时间信号的频率成分。在此基础上，我们将引出离散傅里叶变换（DFT），这是实际应用中最常用的频率分析工具，因为它可以在有限的数据点上进行计算。我们将详细讲解DFT的性质，特别是周期性、线性、对称性等，并深入分析快速傅里叶变换（FFT）算法，理解其高效计算DFT的原理，包括蝶形运算、按时间/频率抽取的算法等，为后续的频谱分析打下坚实基础。 第二部分：数字滤波器的设计与实现 滤波器在信号处理中扮演着至关重要的角色，它们能够有选择地允许某些频率成分通过，而抑制另一些频率成分。在本书中，我们将投入大量篇幅深入研究数字滤波器的设计与实现。 首先，我们将详细讲解无限冲激响应（IIR）滤波器的设计方法。我们将从经典的模拟滤波器原型（如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器）出发，讲解如何通过冲激不变法、双线性变换法等经典映射方法将模拟滤波器设计转换为数字滤波器设计，并分析这些方法的优缺点。我们会详细介绍如何根据给定的幅频特性要求，选择合适的滤波器类型和参数，并讲解常用的设计软件和工具。 其次，我们将重点介绍有限冲激响应（FIR）滤波器的设计。相比IIR滤波器，FIR滤波器具有线性相位特性，在通信和导航等对相位失真敏感的领域具有无可比拟的优势。我们将介绍多种FIR滤波器设计方法，包括窗函数法（如矩形窗、汉宁窗、海明窗、黑曼窗等），分析不同窗函数的频谱泄露特性及对滤波器性能的影响；讲解频率采样法，它能够直接根据所需的频率响应进行设计；并深入介绍最优逼近法，特别是Parks-McClellan算法（也称Remez算法），它能够在给定的幅频响应容差范围内设计出最佳的FIR滤波器，实现最优的设计指标。 在理论设计完成后，我们将讨论数字滤波器的实现。我们将详细介绍直接型、级联型、并行型等FIR和IIR滤波器的不同结构，分析它们的计算复杂度、量化误差影响以及稳定性。我们将探讨定点与浮点运算对滤波器性能的影响，以及在硬件实现中需要考虑的实际问题。 第三部分：采样定理与信号变换 采样定理是数字信号处理的基石，它阐述了连续信号离散化的理论基础。我们将深入探讨奈奎斯特-香农采样定理，理解其内涵，即采样频率必须大于信号最高频率的两倍，才能无失真地恢复原始信号。我们将详细分析混叠（Aliasing）现象的产生原因，以及如何通过抗混叠滤波器来避免这一问题。同时，我们也会介绍过采样（Oversampling）和欠采样（Undersampling）等采样技术，以及它们在特定应用中的优势。 在信号变换方面，我们还将深入研究Z变换，它是离散时间信号与系统分析的强大数学工具。我们将学习Z变换的定义、收敛域（ROC）的概念，以及Z变换的性质，如线性、时移、卷积等。我们将看到Z变换如何将差分方程转化为代数方程，极大地简化了系统的分析。特别地，我们将讲解逆Z变换，以及如何通过部分分式展开等方法求解。 第四部分：通信与导航应用中的数字信号处理 本书的重点之一是将所学的数字信号处理理论与通信和导航领域的实际应用紧密结合。 在通信系统方面，我们将重点讲解数字调制解调技术。我们将介绍AM、FM、PM等模拟调制技术在数字域的实现，如ASK、FSK、PSK、QAM等。我们将详细分析不同数字调制方式的原理、星座图、功率谱密度以及误码率性能，并讨论匹配滤波器在接收端的作用。此外，我们还将探讨信道编码与解码，如海明码、卷积码、Turbo码等，以及它们在纠错中的作用，以及数字下变频（DDC）和数字上变频（DUC）等核心数字信号处理模块在现代通信收发机中的应用。 在导航系统方面，我们将侧重于信号的捕获、跟踪与估计算法。对于卫星导航系统（如GPS、北斗），我们将解析其接收的导航信号特点，讲解相关器在信号捕获中的作用，以及载波与码的跟踪环路（如PLL、DLL）的设计与原理，从而实现对导航信号的精准锁定。我们还将介绍卡尔曼滤波等估计算法在导航定位中的应用，它能够融合多源信息，提高定位精度和鲁棒性。此外，我们还会涉及惯性导航系统（INS）中的信号处理，以及组合导航中不同导航系统信息的融合问题。 第五部分：现代数字信号处理技术 为了跟上技术发展的步伐，本书还将介绍一些现代数字信号处理技术。例如，我们将简要介绍自适应信号处理的概念，如自适应滤波器（LMS、RLS算法），它们能够根据环境变化自动调整滤波器参数，在噪声消除、回声消除等场景中发挥重要作用。我们还会涉及多速率信号处理，如抽取（Decimation）和插值（Interpolation），它们在信号的带宽压缩和扩展、提高采样率等方面非常关键。此外，对于更加复杂的信号处理任务，我们也会提及小波变换等在信号的时频分析中具有独特优势的技术。 学习方法与建议 本书的编写力求严谨而不失生动，理论与实践并重。在学习过程中，我们建议读者： 扎实掌握基本概念： 数字信号处理建立在扎实的数学基础之上，请务必理解采样定理、傅里叶变换、Z变换等核心概念。 动手实践，多做练习： 每章都配有适量的习题，请务必认真完成，这是检验和巩固知识的最佳途径。 利用工具辅助学习： 强烈建议读者在学习过程中，结合MATLAB、Python等科学计算工具，通过编程实现本书中的算法和滤波器，直观地观察信号与系统的变化。 关注工程实际： 始终思考所学知识在通信与导航领域的具体应用，这将有助于加深理解，激发学习兴趣。 结语 《通信与导航系列规划教材：数字信号处理》旨在为有志于投身通信与导航领域的学生、研究人员和工程师提供一本权威、实用、系统性的参考教材。通过学习本书，读者将能够深刻理解数字信号处理的核心原理，熟练掌握各种分析与设计工具，为解决复杂的通信与导航工程问题打下坚实的基础，并为未来的技术创新和应用开发奠定坚实的基石。我们相信，本书将成为您探索信号世界、引领技术前沿的得力助手。