数字信号处理-莱昂斯

数字信号处理-莱昂斯，对于学习数字信号处理有很大的帮助译者序莱昂斯( Lyons,R.G.)编写的教材《 Understanding Digital Signal Processing》(数字信号处理),自1997年出版以来,深受读者欢迎,十分畅销。203年,我国国外高校电子信息类优秀教材(英文影印版)丛书编委会将本书作为国外优秀教材加以引进,由科学出版社影印出版并迅速引起了国内相关读者的强烈反响。2004年,作者在对第1版的内容进行修订和扩充后推出第2版。为了更快地使更多的读者从本书受益,机械工业出版社决定将第2版译成中文,以飨国内读者。我们有幸受出版社委托,承担了该书的翻译任务。本书既对数字信号处理的基本内容进行了系统阐述,又介绍了目前数字信号处理的一些最新技术成果,是一本理论和实践结合得十分恰当的教材。本书一方面详尽地讨论了数字信号处理中的两大基本内容—离散傅里叶变换和数字滤波器,另一方面又深入浅出地介绍了数字信号处理中深入发展的一些新课题。例如,数字通信中的正交信号、采样率变换、频率采样滤波器、希尔伯特变换和某些数字信号处理技巧等。全书以数字信号处理中由于离散化和有限长度数据引起的各种问题为主线,让读者看到这些问题的来龙去脉,并一步一步地引导读者找到解决这些问题的方法。在进入数字信号处理的科学大殿的征程中,帮助读者跨过DSP的一道道门槛,毎进一道门都会使读者感到豁然开朗,别有洞天。全书内容简洁明快且系统全面,文字逻辑性强且诙谐幽默,图片精致细腻。本书对于从事数字信号处理、数字通信技术等研究领域的科技工作者而言,是一本易于入门而又能够迅速掌握该领域新技术进展的良好教材参加本书翻译的有朱光明(前言和第1、10、11章)、程建远(第7、8、9章)、刘保童(第5、6章)、黄翼坚(第12、13章)、赵淑红(第3、4章)、马德堂(附录A、B、C、D、E、FG)和李桂花(第2章、附录H和索引)。黄翼坚对各章做了初步编辑,同时做了翻译过程中大量的联络工作。全书由朱光明统稿,王万银审校。本书能够得以出版,首先要感谢机械工业出版社的支持和信赖。在全书的翻译过程中,由于我们专业知识的不足,实际经验的欠缺,以及英文永平有限等,加上时间较仓促,难免有词不达意之处,甚至有错误的地方,敬请读者批评指正。前本书是1997年出版的教材《数字信号处理》的修订版。同第1版一样,本书的目的是帮助初学者理解数字信号处理(DSP)的新技术。除第1版内容之外,第2版还包括下列内容:补充说明第1版中谱分析和数字滤波的内容,使其对DSP初学者更有价值扩展了正交(复数JQ)信号的范围。在很多例子中,我们使用三维时间和频率曲线来描述这些二维信号,并给出其物理意义。为了更突出正交信号,增加了希尔伯特变换以及如何用希尔伯特变换在实际中生成正交信号的内容讨论了频率域采样、插值FR滤波器和CIC滤波器,比以前的DSP教科书更多地揭示出这些重要滤波器的性质扩展了常用的“数字信号处理技巧”这一章修订了名词术语,以更好地描述现今的DSP技术前言写到这里,作者通常应该告诉读者为什么应该学习DSP,但我不需要这样做,因为DSP在现代工程领域中的重要性已经非常突出。这里我只想说电子学的未来是DSP,有了这本书,你就可以逐步地掌握最先进的DSP专业知识。学习数字信号处理在学习数字信号处理原理以及用语言描述它时,并不要求有熟练的分析技巧或雄厚的数学背景,而只需要一些初等代数的基本知识、正弦波的知识,以及高涨的学习热情。这或许令人难以置信,特别是在翻阅到本书那些看起来相当复杂的图形和公式之后,你会说,这里的内容看起来似乎让人头痛,这不又是一本难以理解的数字信号处理教科书吗?其实不然本书的目的是循序渐进地、清楚地对教学内容加以说明和解释,使你更好地理解它们。你还能回忆起第一次见到别人下棋的情形吗?这种游戏当时看起来奇妙无比、难以捉摸,但现在你已经知道,毎一步棋的移动并不复杂,只要稍微耐心一点,各种规则都很容易学会。下棋的复杂性来自各步棋的组合以及什么时间走哪一步。数字信号处理也是如此。首先我们学习基本规则和过程,然后再综合应用它们。你还会问,如果学习数字信号处理如此容易,那么这一课程为什么会因难以理解而闻名呢?一部分原因在于文献中关于这些题材的经典的表示方法。精细的数学形式有时是难以传达技术信息的。写方程是一回事,从实际的观点解释这些方程的意义又是另一回事,而后者正是本书的目标。通常,数字信号处理理论有两种说明形式:一种是简练的数学方式,读者只得到…个短的、简便的方程,而没有进一步的解释;另一种是囫囵吞枣地塞给读者含有大量复杂变量的方程和诸如“这是显然的”、“在相同条件适用”等片语,这些方程到底说明了什么问题,读者很难明白,他们必须像矿工一样,拿起挖矿的锄头和铲子,戴上头盔,试图从数学表达式的矿山中挖掘出信息(本书给出了几个有成效的开采成果)。你必定曾经多次地追踪过某些方程式的推导过程,在推导之后作者说,他要用一个例子来说明这个方程—但这个例子又是另一个方程!虽然用数学描述数字信号处理是必要的,但我尽力避免因繁琐的数学符号而阻碍读者的学习,因为过多地用方程描述技术会使初学者难以消化本书的内容用通俗的方式表示,正如E.B. White在他的《 Elements of Style》( Macmillan出版公司,纽约,1959)的导论中所说读者很多时候都感到很困惑,好像一个人陷到泥潭中,任何一个作者写作的责任就是很快地排开这些泥潭中的水,将陷到泥潭中的人拉到干燥的地面上,或者至少应该扔给他一根绳子”。我试图避开传统的说教方式,而想使读者在读这本书时就好像朋友在公园里散步谈话一样,所以我只用必要的数学来表达基本理论,然后就用实例来说明这些理论。学习指导学习数字信号处理不是要完成某件事,它是你经历的一个过程。当你加深了对某些题目的理解时,你又会对研究数字信号处理的某些其他方面的问题感兴趣。你希望借助于更多的知识进一步揭示诸如下面图中数字信号处理的其他方面内容。本书只是你学习过程第一阶段的个指南(周期采样如何分析采样信号的谐?如何能改变离散信号的采样率?窗函数如何提高DF的窗如何如何改善数宇滤波测量准确度?工作器的频率响应离散傅里叶变换如何修改谱?数字滤波器离散谱为什么有周期性,什么导致离散傅里数字滤波器中带通纹叶变换的频谱泄漏?波是什么引起的?卷积如何降低谱的噪声和增强信号的检测?如何提高平均的噪声减少效应?信号平均⊙“你明白,我正是以这种方法进行探索研究的。这是我所听到的唯一的研究方法。我提出…一个问题,找到些方法解决问题,但又出现一个新的问题。可能是这个,或者可能是那个吗?你不能想像这对于一个研究人员意味着什么,是什么激发出一个知识分子的热情。你也不可能想像出这些知识分子追求的竟是这种平淡无奇的欢乐。”( Dr. Moreau-H.G. WellsBjlsland of Dr. Moreau中著名的外科医生和动物解剖学家,1896)学习本书的内容,不一定要有一台计算机,但是如果有,肯定会有帮助。DSP模拟软件使初学者能够通过多次测试,反复处理,验证信号数字处理理论。特别是那些能画出信号数据曲线、进行快速傅里叶变换和分析数字滤波器的软件会是非常有用的。当你读本书时,如果你理解较慢,不要灰心。正如希腊数学家 Menaechmus在 Alexander请教他一个数学问题时所说的,“学习数学没有平坦的大路”。 Menaechmus确信地告诉 Alexander学习数学的唯一办法是仔细研究。这同样适用于数字信号处理。还有,如果某些内容你需要读好几次,也不要气馁。虽然本书的概念不像量子物理学那样复杂,不像 Louie louie的歌词那样奇妙,但它们也有一点儿复杂性(难以理解),值得你注意和思考。所以,如果需要,你就慢一点儿,将这些内容读两遍,这样做你会得到乐趣。如果你坚持下去,引用 Susan b. Anthony的一句名言:“失败是不可能的”。引人入胜的各章节内容第1章首先给出全书所用的符号,接着引入离散信号序列的概念,说明它们与连续信号的关系,以及如何在时域和频域描述这些序列。除此之外,第1章还定义了数字信号处理系统框图中的运算符号。最后简要地介绍了线性系统的思想,并说明为什么线性系统使我们在分析中能使用许多强有力的数学工具。第2章介绍在数字信号处理和周期性采样过程中常常误解的问题。虽然掌握对连续信号采样这一概念是直接简单的,但其中有许多数学的微妙技巧需要仔细地思考。该章从简单的低通采样的例子开始,进而讨论带通采样的一些有意义的课题,并定量阐明与这些题目有关的频域中的二义性(假频)。第3章重点讨论数字信号处理的主要课题之一—用于谱分析的离散傅里叶变换(DFT)。首先用详细的例子说明DFT的重要性以及如何理解DFT谱的结果,再进一步讨论用于减少DFT频谱泄漏的窗函数以及由DFT引起的处理增益。最后,作为该章的结论,详细讨论初学者在文献中常遇到的矩形函数的各种变换形式,包括阐明实数和复数正弦信号的DFT第4章介绍在数字信号处理领域产生深远影响的发明—快速傅里叶变换(FFT)。这里阐明普遍采用的以2为基的FFT与DFT之间的关系,定量地讨论利用FF进行数字信号处理所带来的优点,说明为什么FFT有这样的功能,并给出FFT不同的实现结构。该章还给出了一个帮助读者在实践中使用FFT的推荐列表。第5章引入数字滤波的课题,并且从简单的低通有限冲激响应(FR)的例子开始,仔细地分析滤波器的频域幅度响应和相位响应。然后,我们学习窗函数怎样影响FR滤波器以及窗函数怎样用于滤波器设计。我们还提出了将低通FIR滤波器设计转换为带通滤波器和高通滤波器的方法,用例子介绍和说明普遍应用的列梅兹( Remez)交换( Parks mcclellan)FIR滤波器的设计技术。在该章,我们使读者熟悉卷积的过程。在介绍了几个简单的卷积例子之后,我们以强有力的卷积定理的讨论来说明卷积定理为什么对理解数字信号处理如此有用第6章讨论第二类数字滤波器,即无限冲激响应(IR)滤波器。在讨论几种设计IR滤波器的方法时,向读者介绍被称作变换的很有用的数字信号处理的工具。因为变换与连续拉普拉斯变换的关系非常紧密,所以该章一开始就逐步说明拉普拉斯变换的来源、性质以及在学习z变换中的应用。我们将说明IR滤波器是如何设计和实现的,为什么它们的性能与FIR滤波器e“人们必须通过做事来学习,虽然你想像你懂了,但是你不能肯定你已经懂了,你只有试着做了以后才能真正掌握它。”( Sophocles,496-406BC.)目录译者序316实数余弦函数输入的DHT单个频率前言单元的频率响应81第1章离散序列和系统37解释DFT11离散序列及其表示法参考文献841.2信号的振幅、幅度和功率5第4章快速傅里叶变换……………871.3信号处理的运算符号…4.1HFT与DFT的关系……8714离散线性时不变系统概述4.2实际使用FH的一些问题…………881.5离散线性系统4.3FFT软件程序…………901.6时不变系统44基2-FFT算法的推导17线性时不变系统的可交换性…45FT输入输出数据索引中二进制的1.8分析线性时不变系统倒置·,,,····参考文献124.6基2-FF蝶形算法结构第2章周期采样参考文献21假频:频域中信号的二义性…15第5章有限冲激响应滤波器∴…10522低通信号的采样…1851有限冲激响应滤波器概述……10623带通信号的采样215.2FR滤波器中的卷积10824带通釆样中谱的倒置…2753低通FIR滤波器设计116参考文献54带通FIR滤波器设计126第3章离散傅里叶变换55高通FR滤波器设计12731理解DF方程式…56列梅兹交换FR滤波器设计方法…12832DFT的对称性57半带FIR滤波器…13033DFT的线性性质4258FR滤波器的相位响应.13I34DFT的幅度4259离散卷积的一般描述…13435DFT的频率轴参考文献14236DFT时移定理44第6章无限冲激响应漶波器1453.7DFT求逆…4561无限冲激响应滤波器概述…1463.8DFT泄漏4662拉普拉斯变换14739窗63z变换156310DFT花边损失5664IR滤波器设计的冲激响应不变法…16531DFT分辨率、补零和频域采样5765I滤波器设计的双线性变换法176312DFT处理增益66TR滤波器设计的最佳化方法………l83313矩形函数的DFT………6367IR滤波器实现中的陷阱314复数输入的DFI频率响应68用级联结构改进IR滤波器…185315实数余弦函数输入的DFT频率响应…7969IR滤波器和FR滤波器的简要比较…188X参考文献189122二进制数的精度和动态范围303第7章专用的低通FIR滤波器19312.3定点二进制有限字长的影响30371频率采样滤波器被遗忘的技巧……193124浮点二进制格式3147.2插值低通FR滤波器21612.5块浮点二进制格式317参考文献…225参考文献318第8章正交信号227第13章数字信号处理技巧8.1为什么要用正交信号…22713.1无乘法的频率变换…………32l8.2复数的表示22713.2向量幅度的快速估算32783利用复相量表示实信号………23113.3频域加窗…32984关于负频率的几点讨论234134复数的快速乘法…33185频域中的正交信号23413.5实序列FFT的高效算法86频域中的带通正交信号23613.6用正FFT计算逆FFT8.7复下变频…23713.7简化的FR滤波器结构3428.8复下变频的实例239138减小AD转换器的量化噪声3438.9另一种下变频方法24213.9AD转换器测试技术………346参考文献…24313.10使用FFT进行快速FIR滤波…349第9章离散希尔伯特变换∴………24513.11正态分布随机数据的产生35091希尔伯特变换的定义2451312零相位滤波·35I9.2为什么重视希尔伯特变换24713.13锐化的FIR滤波器35293希尔伯特变换的冲激响应13.14带通信号插值94设计一个希尔伯特变换……·25213.15频谱峰值位置算法3549.5时域解析信号的生成13.16FFT旋转因子的计算3569.6解析信号产生方法的比较…25713.17单一音频的检测358参考文献13.18滑动DFT第10章釆样率转换…25913.19频谱细化的FFT36610.1抽取13.20一种实用的谱分析器36810.2插值2631321一个有效的反正切估计算法37010.3·抽取和插值的综合……264I3.22频率解调算法372104多相滤波器……………2651323消除直流成分…37310.5级联的积分器梳状滤波器26913.24传统CIC滤波器的改进参考文献3.25平滑冲激噪声379第11章信号平均2791326有效的多项式估计…38011.1相干平均28013.27高阶FR滤波器的设计38l11.2不相千平均∴……28313.28使用FFT进行时域插值38311.3多个快速傅里叶变换的平均1329用抽取进行频率变换384114时域平均的滤波问题13.30自动增益控制38511.5指数平均29213.31近似包络检波…387叁考文献∴…29713.32正交振荡器388第12章数字数据格式及其影响……2991333双模式平均…121定点二进制格式……299参考文献XI附录A复数的运算395附录F数字滤波器的术话…417附录B几何级数的闭式401附录G频率釆样滤波器一些方程的附录C时间反序和离散傅里叶变换…403推导425附录D均值、方差和标准差…405附录H频率采样滤波器设计参数表…433附录E分贝(dB和dBm)…………………411索引…443