數字信號處理（第2版）/新視野電子電氣科技叢書 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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　　《數字信號處理（第2版）》是由華中科大姚天任教授所著，作者從事數字信號處理教學40多年，積纍瞭豐富的教學和科研經驗。通過對國內外教材的使用和分析，逐漸總結齣本科生學習本門課程時容易遇到的難點，歸納齣本門學科的理論、技術和方法的要點，形成教材。教材有以下特點：（1）突齣基本原理、基本概念和基本方法。（2）精選大量例題和習題。（3）注重理論與實際緊密結閤。（4）文筆深入淺齣，便於自學。

內容簡介

　　本書係統介紹數字信號處理的基本理論、重要概念和設計方法。第1章，綜述數字信號處理學科的內容、發展概況和應用領域；第2章，介紹離散時間信號和離散時間係統的基本理論；第3章，討論離散傅裏葉變換的理論及其快速算法；第4章，介紹FIR和IIR濾波器的各種結構和有限字長效應；第5章，介紹FIR和IIR數字濾波器的設計方法，以及微分器和Hilbert變換器的設計方法；第6章，討論多速率數字信號處理。
　　本書注重基本概念、基礎理論和基本方法的闡述，突齣重點，分散難點，並配有豐富的例題和習題，適於作為教材，也便於自學。
　　本書可作為高等學校電子信息類、自動化類、計算機類等理工科專業的本科生教材，也可作為這些專業的科研人員和技術人員的參考書。

目錄

第1章概論
1.1離散時間信號和數字信號
1.2數字信號處理
1.3數字信號處理的優點和局限
1.4數字信號處理學科的內容、發展和應用
1.4.1數字信號處理學科的內容
1.4.2數字信號處理學科發展概況
1.4.3數字信號處理的應用
1.5本書內容簡介
第2章離散時間信號和離散時間係統
2.1離散時間信號——序列
2.1.1基型序列
2.1.2模擬頻率和數字頻率
2.1.3周期序列
2.1.4序列的基本運算
2.2離散時間係統
2.2.1係統的綫性、時不變性、因果性和穩定性
2.2.2綫性時不變係統
2.3離散時間傅裏葉變換
2.3.1離散時間傅裏葉變換的定義
2.3.2DTFT的性質
2.3.3離散時間信號的頻譜
2.3.4離散時間係統的頻率響應
2.4z變換
2.4.1z變換的定義和收斂域
2.4.2逆z變換
2.4.3z變換的性質和常用z變換公式
2.5傳輸函數
2.5.1LTI係統的傳輸函數
2.5.2利用傳輸函數分析係統的頻率響應
2.5.3利用傳輸函數分析係統的穩定性
2.5.4利用傳輸函數計算LTI係統的輸齣
2.6離散時間信號和係統的MATLAB分析
2.6.1離散時間信號的産生
2.6.2序列的基本運算
2.6.3綫性捲積和相關序列的計算
2.6.4DTFT的計算
2.6.5係統頻率響應的計算
2.6.6係統的有理傳輸函數的計算
2.6.7離散時間係統輸齣的計算
習題
第3章離散傅裏葉變換及其快速算法
3.1DFT的基本概念
3.1.1DFT的定義
3.1.2由DFT重構序列
3.1.3由DFT重構DTFT
3.1.4DFT的物理意義
3.1.5DFT的幅度、時間軸和頻率軸
3.1.64種傅裏葉分析方法
3.2DFT的性質
3.3矩形序列的DFT
3.4利用DFT進行信號頻譜分析
3.4.1加窗截斷造成頻譜泄漏和分辨率降低
3.4.2序列加窗對DFT的影響
3.4.3序列補零對DFT的影響
3.5利用DFT計算綫性捲積
3.5.1基本原理
3.5.2用DFT實現分段捲積
3.6DFT的快速計算方法： 快速傅裏葉變換
3.6.1時間抽取基��2 FFT算法的信號流程圖
3.6.2時間抽取基��2 FFT算法結構的特點
3.6.3時間抽取基��2 FFT算法的計算量
3.6.4倒序： 輸入時間序列的重排
3.6.5時間抽取基��2 FFT的其他算法結構
3.6.6頻率抽取基��2 FFT算法
3.6.7計算FFT的MATLAB內部函數
3.7實際應用FFT算法時需要考慮的幾個問題
3.7.1輸入數據的采集和處理
3.7.2時間抽取基��2 FFT算法的實現
3.7.3DFT的處理增益
3.7.4FFT計算結果的解讀
3.8計算DFT的其他快速算法
3.8.1混閤基FFT算法
3.8.2基��4FFT算法
3.8.3綫性調頻z變換（CZT）
習題
第4章數字濾波器的結構和有限字長效應
4.1FIR濾波器的直接型結構和級聯結構
4.1.1FIR直接型結構
4.1.2FIR級聯結構
4.2FIR濾波器的格型結構
4.3綫性相位FIR濾波器
4.3.1FIR濾波器的相位響應
4.3.2綫性相位FIR濾波器4種不同類型的單位衝激響應
4.3.3綫性相位FIR濾波器的結構
4.3.4綫性相位FIR濾波器的振幅響應
4.3.5綫性相位FIR濾波器的零點分布
4.4FIR濾波器的頻率取樣結構
4.4.1頻率取樣結構的組成
4.4.2頻率取樣結構的改進
4.4.3綫性相位FIR濾波器的頻率取樣結構
4.5IIR濾波器的結構
4.5.1IIR濾波器的直接型結構
4.5.2IIR濾波器的並聯結構
4.5.3IIR濾波器的級聯結構
4.6全通濾波器和最小相位濾波器
4.6.1全通濾波器
4.6.2最小相位濾波器
4.6.3非最小相位IIR濾波器的分解
4.7IIR濾波器的格型結構
4.7.1全極點格型濾波器
4.7.2極點�擦愕愀襇吐瞬ㄆ�
4.8FIR濾波器的有限字長效應
4.8.1二進製數的錶示方法
4.8.2輸入信號的量化誤差
4.8.3FIR濾波器的係數量化誤差
4.8.4FIR濾波器有限字長效應的統計分析
4.9IIR濾波器的有限字長效應
4.9.1係數量化誤差對零點和極點位置的影響
4.9.2IIR濾波器中乘法運算捨入噪聲的統計分析
4.9.3IIR濾波器中加法運算的溢齣和定標
4.9.4數字濾波器的浮點實現
4.10IIR濾波器的零輸入極限環現象
4.11利用MATLAB實現數字濾波器的結構
4.11.1級聯結構
4.11.2並聯結構
4.11.3格型結構
4.12利用MATLAB分析數字濾波器的有限字長效應
4.12.1捨入和截尾量化
4.12.2濾波器係數的量化對幅度響應和極點�擦愕鬮恢玫撓跋�
4.12.3IIR濾波器極限環的MATLAB模擬
習題
第5章數字濾波器的設計
5.1數字濾波器的設計指標
5.1.1因果數字濾波器的頻率響應
5.1.2數字濾波器的設計指標
5.2FIR濾波器的窗函數設計方法
5.2.1衝激響應截斷法
5.2.2窗函數設計法
5.2.3Kaiser窗
5.3設計FIR濾波器的頻率取樣方法
5.3.1頻率取樣方法的基本原理
5.3.2頻率取樣設計方法對過渡帶的優化
5.4設計FIR濾波器的最小二乘法
5.5最優等波紋綫性相位FIR濾波器的設計： Parks�睲cClellan算法
5.5.1綫性相位FIR濾波器振幅響應的統一錶示
5.5.2Minimax誤差準則
5.5.3交替定理
5.5.4Parks�睲cClellan算法
5.6微分器和Hilbert變換器
5.6.1微分器
5.6.2希爾伯特變換器
5.7窗函數法、頻率取樣法和最小二乘法的MATLAB實現
5.7.1按照算法原理編寫m文件
5.7.2Kaiser窗濾波器設計方法的MATLAB實現
5.7.3設計綫性相位FIR濾波器的MATLAB函數
5.8用MATLAB設計最優等波紋綫性相位FIR濾波器
5.9IIR數字濾波器的一般設計方法
5.9.1設計IIR數字濾波器的兩種方案
5.9.2模擬低通濾波器的技術指標
5.9.3平方幅度響應與傳輸函數的關係
5.10常用4種原型濾波器
5.10.1Butterworth濾波器
5.10.2Chebyshev Ⅰ型濾波器
5.10.3Chebyshev Ⅱ型濾波器
5.10.4橢圓濾波器
5.11模擬濾波器到數字濾波器的映射
5.11.1衝激響應不變法
5.11.2雙綫性變換法
5.12頻率變換
5.12.1模擬頻率變換
5.12.2數字頻率變換
5.13設計IIR數字濾波器的MATLAB方法
5.13.1一般步驟
5.13.2用於設計IIR數字濾波器的主要MATLAB函數
5.14MATLAB中的濾波器設計和分析工具
習題

精彩書摘

　　第5章數字濾波器的設計
　　數字濾波器最基本的特性是具有頻率選擇性，即它能夠讓信號中某些頻率成分通過，同時阻止另外一些頻率成分通過。也就是說，濾波器具有頻譜整形功能，它能夠按照要求改變輸入信號的頻譜，以得到希望的輸齣信號頻譜。因此，常常把具有這種特性的濾波器稱為選頻濾波器。
　　麵對給定的頻率特性技術指標，首先需要決定是選擇FIR濾波器還是IIR濾波器。如果要求濾波器在通帶內具有綫性相位，那麼毫無疑問應當選擇FIR濾波器。如果沒有提齣綫性相位的要求，或者相位失真不重要或可以容許，則既可以選擇IIR濾波器也可以選擇FIR濾波器。但是，由於在濾波器係數數目相同的條件下，IIR濾波器在阻帶中的旁瓣幅度比FIR濾波器的更低，所以選擇IIR濾波器更有利。這樣，在獲得相同性能的前提下，IIR濾波器可以有更少的係數，因此可以用更少的存儲器和更低的計算復雜性加以實現。
　　數字濾波器的設計過程一般包括3步： ①根據應用要求確定設計指標；
　　②求滿足設計指標的濾波器參數； ③用硬件或軟件實現所設計的濾波器，包括選擇濾波器結構和考慮有限字長效應。第③步的內容上一章已經討論過瞭，本章討論前麵兩步的內容。
　　FIR濾波器和IIR濾波器的設計方法很多，其中許多方法都已做成設計工具，使用起來也很方便。本章的主要目的是介紹FIR濾波器和IIR濾波器的主要設計方法的原理，為選擇和使用濾波器設計工具提供理論依據。
　　5.1數字濾波器的設計指標
　　5.1.1因果數字濾波器的頻率響應
　　選頻濾波器的種類繁多，其中最廣泛應用的是低通、高通、帶通和帶阻4種基本類型的濾波器，圖5��1所示的是它們的理想幅度響應。圖中，
　　頻率上限π或fs/2是濾波器能夠處理的最高頻率，模擬信號中高於此頻率的頻率成分將在取樣後落入［0，π］或
　　［0，fs/2］頻率區間，成為頻譜混疊，見2.1.2節。|H(ejω)|=1的頻率範圍稱為通帶，|H(ejω)|=0的頻率範圍稱為阻帶。數字濾波器的優點之一是可以使通帶增益大於1，從而使信號在通帶內得到放大。模擬濾波器雖然也可以讓通帶增益大於1，但為此必須采用有源器件。如圖5��1所示的幅度響應是理想幅度響應，因為，第一，通帶和阻帶之間發生突然轉變，沒有過渡帶； 第二，在整個阻帶內信號完全衰減為零。實際上，任何物理可實現的濾波器（因果濾波器）都不可能有這種理想特性。
　　圖5��14種基本濾波器的理想幅度響應
　　隻有因果數字濾波器纔是物理上可實現的。具有圖5��1所示理想幅度響應的濾波器的單位衝激響應都不是因果的，因而在物理上都是不可實現的。例如，圖5��1所示的理想低通濾波器的頻率特性為
　　H（ejω）=
　　1，|ω|≤ωp
　　0，ωp＜ω≤π
　　（5.1）
　　很容易求齣對應的衝激響應為
　　h(n)=
　　12π∫ωp-ωp
　　ejωndω=
　　ωp/π，n=0
　　sin(ωpn)/(πn),n≠0
　　（5.2）
　　圖5��2（a）所示是式（5.2）錶示的理想低通濾波器的衝激響應的圖形（ωp=π/4），它是一個非因果序列，所以不可能實現。還可以證明它不是絕對可和的，因而也是不穩定的。
　　圖5��2理想低通濾波器的單位衝激響應
　　……

前言/序言

　　第2版前言
　　本書第1版是《電子信息學科基礎課程係列教材》之一，但在教材使用過程中，普遍覺得內容的深度和廣度不是很適閤近年來加強基礎、減少學時、精簡教學內容的要求。例如，多速率數字信號處理的內容實際上已超齣對本科生的要求。即使在有關數字信號處理基礎理論即離散傅裏葉變換和數字濾波器的內容中，也有一些內容的深度超齣對本科生的要求。例如，時間抽取基2FFT算法的實現，DFT的處理增益，計算DFT的其他快速算法，數字濾波器的浮點實現，IIR濾波器中乘法運算捨入噪聲的統計分析，數字濾波器的浮點實現，利用MATLAB分析數字濾波器的有限字長效應，綫性相位FIR濾波器振幅響應的統一錶示，微分器和Hilbert變換器等。但是，這些卻又是數字信號處理應用中的重要內容。因此，在對本書第1版修訂後將其從係列教材獨立齣來，作為各領域中從事數字信號處理理論研究和工程應用人員的參考書。修訂後的第2版相較於第1版，內容沒有大的變動，隻是改正瞭第1版中的一些錯誤，並對文字做瞭一些修改。
　　作者
　　2017年10月
　　於華中科技大學
　　第1版前言
　　本書是普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材，適閤作為信息與通信工程、自動化、計算機、電子科學與技術、測控技術與儀錶、生物醫學工程、雷達、聲呐等理工科專業的本科生的教材，也適閤作為這些專業的科研人員和技術人員的參考書。學習本書之前，讀者需具有信號與綫性係統的基礎知識。
　　信息科學是研究信息的獲取、傳輸、處理和應用的科學。數字化、網絡化和智能化是信息技術發展的方嚮，其中數字化是網絡化和智能化的基礎。因此，數字信號處理成為信息科學中內容異常豐富、發展非常迅速和應用十分廣泛的一門學科。作為本科生的一門重要專業基礎課，數字信號處理課程應當把數字信號處理學科的基礎理論、基本概念和基本方法作為重點內容。這些內容主要包括離散時間信號和離散時間係統的時域和頻域分析方法，離散傅裏葉變換及其快速算法，以及數字濾波器等理論，這些正是本書的主要內容。學習完本書後，讀者就有條件進一步學習有關的研究生課程。
　　數字計算機和信號處理在眾多領域的廣泛應用，促使數字信號處理學科産生齣許多分支學科。如果把這些分支學科看成是由數字信號處理的某些“根”衍生齣來的，那麼，這些“根”應該包括： 多速率信號處理和濾波器組、自適應濾波器、時頻分析、非綫性信號處理。這四方麵內容的理論基礎則是被稱為經典數字信號處理兩大支柱的離散傅裏葉變換（discrete Fourier transformation，DFT）及其快速算法（fast Fourier transformation，FFT）和數字濾波器，本書正是以這兩方麵的核心內容為基礎展開的。這兩方麵的核心內容的理論基礎，是離散時間信號和離散時間係統的基本理論。考慮到與“信號與綫性係統”課程內容的銜接，本書沒有重復其中有關連續時間信號和係統的理論，隻是重點復習並深化解釋瞭離散時間信號和係統理論中的某些重要概念，如數字頻率、序列的抽取和內插、循環捲積、頻譜混疊、離散時間係統的因果性和穩定性等概念。此外，本書特彆強調瞭正弦序列和復指數序列的離散時間傅裏葉變換在理論和實際應用中的重要作用。
　　關於離散傅裏葉變換及其快速算法，本書重點闡述瞭DFT的物理意義、DFT的幅度、時間軸和頻率軸、幾種傅裏葉分析方法之間的聯係等重要概念； 特彆對矩形序列的DFT進行瞭詳細分析； 對加窗截斷在DFT中引起的頻譜泄漏現象和序列補零對DFT的影響等問題，從理論與實際的結閤上進行瞭深入分析。DFT不僅是重要的理論成果，而且已經成為綫性濾波、譜分析、相關分析等應用領域的重要工具。DFT之所以重要，不僅由於它能夠成功地對離散時間信號和係統進行頻域描述和分析，而且還由於它具有許多行之有效的快速計算方法，其中應用最為廣泛的一類方法就是FFT。本書對FFT的常用算法及其MATLAB實現方法進行瞭詳細介紹。此外，還對FFT在計算綫性捲積和實現分段捲積等應用中需要考慮的實際問題，例如輸入數據的采集和處理、算法程序的編寫、處理增益，以及FFT計算結果的解讀等進行瞭討論。
　　關於數字濾波器，本書用瞭第4和第5兩章篇幅進行討論。第4章分兩大部分，第一部分對FIR和IIR濾波器的各種結構進行全麵介紹； 第二部分詳細討論濾波器實現中的有限字長效應。第5章，全麵介紹FIR和IIR數字濾波器的各種實用設計方法，也對微分器和Hilbert變換器的設計進行瞭介紹。所有設計方法的MATLAB實現是本章的重點之一。第6章，討論多速率數字信號處理和濾波器組。除瞭對取樣頻率轉換的理論和方法、取樣頻率變換的多相濾波器實現和多速率信號處理的典型應用等進行介紹外，還對正交鏡像濾波器組的理論和設計方法進行瞭介紹。有關濾波器組的理論和方法涉及比較廣泛的內容，其中許多屬於研究生課程的內容，因此，本章隻局限於介紹均勻濾波器組的基本理論。
　　本書的主要特點是強調基本概念、基礎理論和基本方法，注意突齣重點和分散難點，注意理論與實際的結閤。因此，本書通過大量例題和習題介紹瞭如何利用MATLAB解決實際應用問題。
　　限於作者水平，書中疏漏之處在所難免，希望讀者不吝賜教。
　　作者2010年12月
　　於華中科技大學

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