数字信号处理第4版（中文版）.pdf

数字信号处理第4版（中文版）.pdf 经典好书 ，不要客气。目录第1章信号和信号处理4.4Lm离散时间系统的时域特性………1081.1信号的特征与分类4.5简单互连方案1132典型的信号处理运算…4.6有限维LT离散时间系统…1141.3典型信号举例84.7I离散时间系统的分类1211.4典型的信号处理应用……154.8Lm离散时间系统的频域表示……1221.5为什么要进行数字信号处理244.9相位延迟和群延迟…………130第2章时域中的离散时间信号274.10小结1332.1时域表示………………………274.11习题…………………………1332.2序列的运算139鲁自鲁·普·即普带·t·曹·鲁音·自曾音·4.12 MATLAB练习……2.3有限长序列的运算…第5章有限长离散变换14024典型序列与序列表示………415.1正交变换………1402.5抽样过程……………………485.2离散傅里叶变换…………1412.6信号的相关…5.3DIFT与DFT及其逆之间的关系…1452.7随机信号545.4圆周卷积2.8小结…555.5有限长序列的分类15229习题…………………………5556DFT对称关系……………………1562.10 MATLAB练习…595.7离散傅里叶变换定理158第3章频城中的离时间信号…615.8傅里叶域滤波3.1连续时间傅里叶变换…615.9计算实序列的DFT……3.2离散时间傅里叶变换…5.10用DF实现线性卷积16533.离散时间傅里叶变换定理…5.11短时傅里叶变换17334离散时间序列的能量密度谱……765.12离散余弦变换17635带限离散时间信号5.13Har变换…………1836用 MATLAB计算DTFT曾4·鲁··非香母·●785.14能量压编性质…3.7展开相位函数……………………785.15小结…18538连续时间信号的数字处理795.16习题………………………………1863.9带通信号的抽样………………………905.17 MATLAB练习3.10抽样和保持运算的效果…鲁非章第6章z变换……………………·1973.11小结…●咖●●·自●6.1定义………1973.12习题6.2有理z变换………2003.13 MATLAB练习63有理z变换的收敛域…………201第4章离散时间系统·1006.4逆z变换4.1离散时间系统举例…6.5z变换定理…………………2104.2离散时间系统的分类…10466有限长序列卷积的计算……2174.3冲激和阶跃响应…1076.7传输函数……………2181368小结……2279.7ⅢR数字滤波器的计算机辅助设计…36569习题2279.8小结……3686.10 MATLAB练习…………………2369.9习题···号·省非·非·。。368第7章变换域中的LT离散时间系统……2379.10 MATLAB练习…3727.1基于幅度特征的传输函数分类237第10章F数字滤波器设计37472基于相位描述的传输函数分类……24310.1预备知识37473线性相位FR传输函数的类型……24810.2基于加窗傅里叶级数的FR滤波器74简单数字滤波器……………256设计…………………………3777.5互补传输函数26910.3等波纹线性相位FIR滤波器的计算机76逆系统∴……273辅助设计………………………3887.7系统识别276104设计最小相位FR滤波器7.8数字二端口网络………27910.5用 MATLAB设计数字滤波器3957.9代数稳定性测试…28010.6计算高效的FIR数字滤波器的7.10小结284设计7.11习题10.7小结…………4167.12 MATLAB练习295108习题…第8章数字滤波器结构10.9 MATLAB练习4228.1框图表示297第11章功SP算法实现…42582等效结构11.1基本问题…42583基本FR数字滤波器结构…30011.2用 MATLAB进行结构仿真和8.4基本ⅢR数字滤波器结构…34验证…………43385用 MATLAR实现基本结构……30811.3计算离散傅里叶变换……43886全通滤波器…31011.4基于序号映射的快速DFT算法…4498.7参数可调谐低通皿R数字11.5用 MATLAB计算DF和DDFr……45滤波器对31711.6滑动离散傅里叶变换…45688IR抽头级联格型结构…31911.7在窄频带上计算DFT45789IR级联格型结构…………322118数字表示………………4608.10mR传输函数的并联全通实现…3271.9溢出的处理…811可调谐数字滤波器…11.10小结………………8.12数字滤波器结构的计算复杂度33611.11习题8.13小结………………………336l1.12 MATLAB练习…4708.14习题……………………………337第12章有限字长效应的分析…4728.15 MATLAB练习………………34512.1量化过程和误差……472第9章mR数字滤波器设计7122定点数的量化………………47391预备知识·。也自曲。自音●t·自·自·非·。。34712.3浮点数的量化…92皿R滤波器设计的双线性变换法…350124系数量化效应的分析…47593设计低通皿R数字滤波器…35412.5AD转换噪声分析……48394高通带通和带阻IR数字滤波器126算术舍人误差分析………………490设计…………512.7·动态范围缩放……4929:5皿R滤波器的谱变换…………358128…低阶I滤波器的信噪比……50096用 MATLAB设计皿R数字滤波器…363129低灵敏度数字滤波器503412.10用误差反馈减少乘积舍入误差…507第14章多抽样率滤波器组和小波……57012.11mR数字滤波器中的极限环14.1数字滤波器组香曾香………57012.12FT算法中的舍入误差…51414.2双通道正交镜像滤波器组57412.13小结51614.3完全重构的双通道FR滤波器组…58212.14习题……………51714.4L通道QMF组………58812.15 MATLAB练习……………52114.5多层滤波器组……………………595第13章多抽样率数字信号处理基础……52314.6离散小波变换59713.1基本抽样率转换器件……………52314.7小结13.2用于抽样率变换的多抽样率结构…53114.8习题……………………60413.3抽取器和内插器的多级设计…537i4.9 MATLAB练习61013.4多相分解539附录A模拟低通滤波器设计611135任意率抽样率转换器545附录B设计模拟高通、带通和带阻滤波器…62713.6奈奎斯特滤波器………55313.7CC抽取器和内插器附录C离散时间随机信号……632●·.一·昏。要↓56013.8小结…562參考文献……64113.9习题索引………………65213.10 MATLAB练习………56815第1章信号和信号处理信号在日常生活中扮演了重要的角色。常见的信号有语音、音乐图片和视频信号等。信号是自变量(如时间距离位置温度和压力等)的函数。例如,语音和音乐信号表示空间上某个点的气压,它是时间的函数;黑白图片将光强度表示为两个空间坐标的函数;电视中的视频信号由称为帧的图像序列组成,它是两个空间坐标和时间这三个变量的函数。我们遇到的大多数信号都是自然产生的。然而,信号也可以通过人工合成或计算机仿真生成。信号携带着信息,而信号处理的目的就是提取信号所携带的有用信息。信息提取的方法取决于信号的类型以及信号中信息的本质。因此,粗略地讲,信号处理研究信号的数学表示以及用以提取信号所含信息而对信号进行的算法运算。信号可以用原自变量域中的基函数或者用变换域中的基函数表示。同样,信息提取处理可以在信号的原始域或变换域中进行。本书主要涉及信号的离散时间表示和相应的离散时间处理本章给出了信号和信号处理方法的概述。首先讨论信号的数学描述和信号的分类;接着,详细讨论些典型的信号,并且描述它们所携带信息的类型,接下来通过例子给出并演示一些常用的信号处理运算;随后简要地讲述一些典型的数字信号处理应用;最后讨论数字信号处理的优点和缺点。1.1信号的特征与分类根据自变量的本质以及定义该信号函数的值,可定义不同类型的信号。例如,自变量可以是连续的或离散的。同样,信号也可以是自变量的连续的或离散的函数。此外,信号可以是实值函数或一个复值函数。信号可以由一个或多个源产生。在前一种情况下,它为标量信号;而在后一种情况下,它为向量信号,通常也称为多通道信号。一维(1-D)信号是单个自变量的函数,二维(2D)信号是两个自变量的函数,多维(MD)信号是多个自变量的函数。语音信号是一个一维信号,其中自变量是时间。图像信号,如照片,是一个二维信号,其中的两个自变量是空间的两个变量。黑白视频信号的每一帧是一个二维图像信号,它是两个离散空间变量的函数,每一帧在离散时间上按顺序出现。因此,黑白视频信号可以看成是一个三维(3-D)信号,其三个自变量分别是两个空间变量和一个时间变量。彩色视频信号是由分别表示红、绿、蓝(RCB)三原色的三个三维稽号组成的三通道信号,在传输中,将RGB电视信号转换成由亮度分量和两个色度分量组成的另一种三通道信号。在自变量的指定值上信号的值称为信号的振幅,作为自变量的函数的振幅变化称为波形。对于一维信号,自变量通常为时间若自变量是连续的;该信号称为连续时间信号;若自变量是离散的,该信号称为离散时间信号。连续时间信号定义在时间的每个时刻而离散时间信号仅在特定的离散时刻取值,而在这些时刻之间,信号没有定义。因此,离散时间信号实质上是数字的一个序列。具有连续振幅的连续时间信号通常称为模拟信号,语音信号就是模拟信号的一个例子。在日常生活中经常遇到的模拟信号通常以自然方式产生。用有限个数字表示离散振幅值的离散时间信号称为数字信语音号。存储在光盘中的数字化音乐信号就是一种数字信号。具有连续振幅值的离散时间信号称为抽样数据示例号在时钟的两个时刻间保持固定电平(通常是两个值之一)。图11示例了这四种类型的乐赛信号这一类信号出现在开关电容(SC)电路中。因此,数字信号可以看成是量化后的抽样数据信号后,具有离散振幅值的连续时间信号称为化矩形窗信号[Se93],这种信号出现在数字电路中,其中信通常可以清楚地看出信号在其数学表达式中的函数依赖关系。对于一维连续时间信号,连续自变量田像通常用t表示;而对于一维离散时间信号,离散自变量通常用n表示。例如,u()表示一个一维连续时间信号,而{[n]}表示一个一维离散时间信号。离散时间信号中的每个成员u[n]称为一个样本。在许多示例12数宇信号处理—基于计算机的方法(第四版)应用中,离散时间信号是通过对原连续时间信号以相等的时间间隔抽样产生的。若定义离散时间信号的离散时刻是等间隔的,则离散自变量n可以被归一化,从而取为整数值。帐时间时间===={一一一(a)时间时间,t图11(a)模拟信号;(b)数字信号;(c)抽样数据信号;(d)量化矩形窗信号对二维连续时间信号,两个自变量通常是空间坐标,常用x和y表示。例如,黑白图像的强度可以表示为u(x,y)。彩色图像u(x,y)由表示红绿、蓝三原色的三个信号组成:r(r, y)u(r,y)=g(r,y)此外,数字化后的图像是二维离散信号,其两个自变量是通常表示为m和n的离散化的空间变量,因此,数字图像可以表示为m,n]。同样,黑白视频序列是三维信号,可用u(x,y,)表示,其中x和y表示两个空间变量,t表示时间变量。而彩色视频信号是向量信号,它由表示红绿蓝三原色的三个视频信号组成。依据信号是否能被唯一的描述的确定性可对信号进行另一种分类。可由一个明确定义的过程(如通过一个数学表达式或规则,或通过查找表)来确定的信号称为确定信号;而一个由随机方式产生且不能提前预测的信号称为随机信号。本书主要探讨离散时间确定信号的处理。然而,由于实际的离散时间系统是用有限字长来存储信号和实现信号处理算法的,所以有必要提出一些工具来分析有限字长对离散时间系统性能的影响。为此,将某些相关信号表示为随机信号,并用统计的方法进行分析,就会比较方便。下一节将介绍一些典型的作用在模拟信号上的信号处理运算1.2典型的信号处理运算在实际中使用了不同类型的信号处理运算。对模拟信号而言,大多数信号处理运算通常都在时域进行,而对离散时间信号来讲,时域和频域运算均被用到。对上述任何一种情况,所需的运算是通过一些基本运算的组合来实现的。尽管在某些应用中,些运算可以离线实现,但它们通常还是实时的或准实时的实现。2.1简单时域运算时域中三个最基本的信号运算是尺度缩放延迟和相加。足度编放是直接将信号与一个正的或负的常数相乘。对模拟信号而言,若相乘常数(称为增益)的幅度大于1,则该运算通常称为放大;若相乘的常数第1章信号和信号处理3幅度小于1,则该运算称为衰减。因此,若x()是一个模拟信号,则尺度缩放运算产生信号y(t)=ax(t),其中α是尺度缩放常量延迟运算产生一个原信号延迟副本。对于模拟信号x(),y(t)=x(t-t0)是x()延迟t后的信号,其中t通常被假定为一个正数。若o是负数,则对应的运算是一个超前运算。许多应用需要通过两个或多个信号的运算来生成新信号。例如,y(t)=x1(以)+x2(t)-x3(1)是三个模拟信号x1(t)、x2()和x(通过相加产生的信号。另一个基本运算是两个信号的相乘。两个信号x1(t)和x2()的相乘产生信号y(t)=x1(t)x2()。另外两个基本运算是积分和微分。模拟信号x(t)的积分生成信号y(t)=|x(x)dr,而x(l)的微分得到信号(t)=dx(t)/d上面前三种基本运算,即尺度缩放、延迟和相加,也适用于离散时间信号,这将在本书后面详细讨论。另外两个运算,即积分和微分运算,在离散时间域只能近似实现。接下来我们介绍一些通常用到的复杂信号运算,它们是通过两个或多个基本运算的组合实现的。其中有一些运算的特性通过使用连续时间傅里叶变换在频域中比较容易理解。连续时间信号x(t)的连续时间傅里叶变换X(j2)定义为①X(2)De(1.1)X(j2)称为x(的频谱。1.2.2滤波使用得最广泛的一种复杂信号处理运算是滤波,其主要目的是根据指定的要求改变频谱。实现这种运算的系统称为滤波器。例如,滤波器可以设计成允许信号中某些特定频率的成分通过而阻止其他频率成分。滤波器允许通过的频率范围称为通带,而滤波器阻止通过的频率范围称为阻带。根据滤波运算的性质可以定义不同的滤波器类型。在大多数情况下,模拟信号的滤波运算是线性时不变的。若滤波器用一个冲激响应h(t)来表征,则滤波器对应于输人的输出y()可以用卷积积分来描述:y(2)h(t- xdr(1.2)这里假设在输人信号作用时滤波器是零初始条件的松弛状态。在频域中,上式可表示为r(js2)=H(S2)X(j2)(1.3)其中Y(]2)X(j2)和H(j2分别表示y(t)x()和h(t)的连续时间傅里叶变换。低通滤波器允许低于某个特定频率f(称为通带边界频率)的所有低频成分通过,并阻止所有高于f(称为阻带边界频率)的高频成分。高通滤波器可通过所有高于某个通带边界频率f的高频成分,并阻止所有低于阻带边界频率∫的低频成分。带通滤波器通过两个通带边界频率f和2之间的所有频率成分,其中f。此时可以将被噪声干扰的信号通过一个截止频率为的低通滤波器来恢复期塑信号,其中几0HHr(js2)设x()表示实数模拟信号,其连续时间傅里叶变换为X(jm)。实数信号的幅度谱具有偶对称性,而相位谱具有奇对称性。因此,实数信号x(t)的频谱X()包含了正负频率,可以表示为①在许多国家(包括中国)中,电力线产生50Hz的噪声。