资 源 简 介
本书阐述了数字信号处理的基本原理，重点介绍了离散傅里叶变换的原理及其快速算法FFT在信号处理中的应用,深入讨论IIR和FIR数字滤波器的设计。第2版前言数字信号处理》教材自2004年出版以来,得到广大读者的关注,该教材于2001年被列为普通高等教育“十五”国家级规划教材,2003年被列为高等教育百门精品课程教材建设计划精品项目。本次修订经过近年来的教学研究与实践,对此教材的体系和内容进行了较为系统地完善和更新。修订后的教材体系与内容得到同行专家的高度评价,并被列为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。本次修订进一步优化教材体系,突出基本原理和基本方法,按照认知规律组织教材内容,注重知识的呈现方式。进一步整合教学内容,文字叙述更加简洁,以全新的角度阐述了某些教学内容,如信号的时域抽样、DFT快速算法等。例题和习题体现数字化技术及其工程应用。修订后的教材力求原理更加清晰,概念更加明确,层次更加分明。在此新版教材中,结合教学实践深入研究了一些读者普遍关注的间题,并以全新的视角阐述这些知识的内涵。1.可否适当介绍离散信号与系统分析的内容?离散信号与系统分析是信号分析和系统设计的理论基础,也是“信号与系统”和“数字信号处理”课程承上启下的内容。因此有必要在“数字信号处理”课程中,简要介绍离散信号时域和频域分析的基本理论、信号的时域抽样定理和频域抽样定理、离散系统z域分析的基本理论和系统函数。2.如何理解DFT的作用?信号的 Fourier变换从理论上解决了如何从时域映射到频域,而DFT解决了利用数字化方法实现信号的频域分析。DFT利用信号 Fourier变换所建立的信号时域与频域之间的内在关系,即时域的离散化对应频域的周期化,时域的周期化对应频域的离散化,实现了由DF℃分析四种信号的频谱。3.如何阐述FFT算法?重点介绍FFT算法的重要作用和基本思想。DFTl第2版前言解决了利用数字化方法实现信号与系统分析,但DFT计算效率极低,无法满足实时性的要求。FFT解决了DFT计算的有效性,为DFT的实际应用铺平了道路。FFT算法的基本思想是将长序列DFT分解为短序列的DFT,再由短序列的DFT表示长序列的DFT。由于旋转因子W的周期性、对称性和可约性,由短序列的DFT表示长序列的DFT的过程十分简洁。根据基2时间抽取FFT算法的基本思想,可以非常清晰地引入基4时间抽取FFT算法和混合基FFT算法,形成FFT算法的完整概念。4.如何介绍IR和FIR数字滤波器的设计?利用系统的频域分析和系统函数的基夲概念,根据IR和FIR数字滤波器的特性和系统函数的特点,介绍IR和FIR数字滤波器设计的基本方法,以及它们的频率特性及适用范围。在IR数字滤波器设计中,突出模拟低通滤波器设计是基础,模拟滤波器到数字濾波器的转换是核心。在FIR数字滤波器设计中,强调FIR数字滤波器可设计成具有线性相位特性,重点阐述基于时域近似的窗口法和基于频域近似的频率取样法,以及优化设计的基本思想和主要方法。5.如何引入某些新内容?根据信号的抽取和内插理论引入多速率信号处理,实现信号的抽样速率转换,并以此为基础简述滤波器组的概念及分析方法。从信号的 Fourier变换、信号的短时 Fourier变换的不足,引入信号的小波(wavelet)变换。从信号表示的角度阐述信号时频分析的数学概念和工程概念,从信号小波变换的应用展现信号时频分析的特点。在信号处理系列教材建设过程中,统筹规划“信号与系统、数字信号处理、信号分析与处理实验”课群体系,已编著出版普通高等教育“十一五”国家级规划教材《信号与系统》、《信号分析与处理实验》、《数字信号处理学习指导与习题精解》、《信号与系统学习指导与习题精解》、《数字信号处理电子教案》、《信号与系统电子教案》,形成了立体化的教材体系,提供了丰富的教学资源夲书由陈后金、薛健、胡健、郝哓莉、杨娜编著,陈后金对全书进行了整理和统稿。钱满义和高海林给予了许多帮助。本书由北京交通大学吴湘淇教授审阅,并提出了改进建议,在此深表感谢。限于编者水平,书中错误及不妥之处在所难免,恳请读者批评指正编者2008年3月第1版前言随着信息技术的不断发展,新的信号处理的理论和技术不断涌现。信息科学与技术研究的核心内容主要是信号的获取、传输和处理、识别及综合等。信号是信息的载体,系统是信息处理的手段。因此,作为研究信号和系统的基本理论与方法的数字信号处理教材,应跟踪信息技术发展趋势,积极吸收国内外教研成果。为此,编者在研究国内外最新同类教材的基础上,结合多年教学经历,重新组织和编写了本教材,使它具有以下几个方面的特色在教材的观念上,体现教材不仅是人类知识的载体,也是人类思维方法和认知过程的载体。教材的体系结构循序渐进,教材的内容深入浅出,符合认知规律。努力实现在教材学习的过程中,既能够获取有效的知识,又能够锻炼和提高自主学习能力。在教材的体系上,正确处理局部与整体的辩证关系。根据电气信息学科的技术基础课程“路、场、信号处理”的知识体系,确立信号处理系列课程的体系,以信号分析为基础、系统分析为桥梁、处理技术为手段,突出理论和方法中所蕴涵的数学概念、物理概念和工程概念,实现原理、方法和应用的有机结合。在教材内容上,体现经典与现代相结合、基本理论与工程技术相结合、解析方法与计算机辅助方法相结合的特点。在介绍经典的理论与方法的基础上,适当引入现代信号处理的理论与方法,体现基础性、时代性和先进性,如较系统地介绍了信号处理的多速率分析、信号的时频分析及小波分析等新内容。数字信号处理是技术性很强的课程,本书引入 MATLAB仿真分析软件的介绍,突出信号处理理论的技术应用,如在信号谱分析、滤波器设计、信号的时频分析及应用等内容中,都利用 MATLAB实现其工程应用本教材于2001年被评为普通高等教育“十五”国家级规划教材,2003年列入高等教育出版社“高等教育百门精品课程教材建设计划”精品项目,同时也是北京交通大学国家工科基础课程电工电子教学基地的系列教材之一。本书编者ll第1版前言长期从事信号与系统、数字信号处理的系列课程教学与研究,立体化建设信号处理教材。纵向按信号与系统、数字信号处理进行系列化建设,已主编出版了北京市精品立项教材《信号与系统》,主持建设的《信号与系统》课程2003年被评为国家精品课程;横向按理论教材、教学辅导、电子教案、实验教材、试题库等进行多媒体建设。本教材的出版得到了教育部、高等教育出版社、北京交通大学教务处和电子信息工程学院的大力支持。本书共分9章,第1~7章是经典的数字信号处理内容,第8~9章中大部分是现代的数字信号处理内容。根据不同学科专业的需求,适当地选取第8~9章中的教学内容,建议学时为48~64学时。数字信号处理是技术性较强的课程,该教材配备了大量的基于 MATLAB的例题和习题,应充分利用 MATLAB仿真软件以加深对课程原理与方法的理解。第1章是信号与系统课程、数字信号处理课程之间承上启下的内容,也是后续章节的信号频谱分析和系统设计的理论基础。本章简要总结了离散信号与系统的时域、频域和z域分析的主要内容,引入了最小相位系统及全通滤波器的概念,并简要介绍了信号的时域抽样和频域抽样。第2章首先回顾四种信号 Fourier变换,从信号表达的角度引入了有限长序列的离散 Fourier变换(DFT),介绍了DFT的性质,着重介绍了利用DFT分析连续信号频谱的原理和方法,并列举了多个基于 MATLAB的信号谱分析的例题,力求从数学概念和工程概念阐述分析过程中出现的混叠现象、泄漏现象和栅栏现象第3章主要介绍了DFT的快速算法FFT,重点分析了基2时间抽取FFT和基2频率抽取FFT的算法原理,并介绍了基4时间抽取FT算法和线性调频z变换算法,为进一步学习信号处理的其他快速算法莫定基础。第4章重点介绍了无限脉冲响应(IR)数字滤波器设计的基本思想与基本方法,简要介绍了模拟滤波器的设计过程,并阐述了脉冲响应不变法与双线性变换法的特点,给出了多个利用 MATLAB设计IR数字滤波器的例题。第5章首先讨论了有限脉冲响应(FIR)数字滤波器的时域特性和频域特性,重点介绍了线性相位FIR数字滤波器的设计方法,即窗口法和频率取样法,并简单介绍了FR数字滤波器的优化设计方法,给出了利用不同设计方法由MATLAB设计FIR数字滤波器的例题,分析了不同设计方法中的误差原因,比较了各设计方法的优越性。第6章简要介绍了随机信号的特征描述,重点介绍了经典功率谱估计的基本原理和改进方法,在此基础上,简要介绍了现代功率谱估计的基本原理和基本方法,并给出了利用 MATLAB进行随机信号功率谱估计的例题。第7章主要介绍了IR和FR数字滤波器的基本结构,并分析了有限字长第1版前言Ⅲ对信号处理和系统实现可能产生的影响,利用 MATLAB讨论了数字濾波器在不同结构下的有限字长效应。第8章简要介绍了多速率信号处理的基本概念,从频域讨论了在离散域实现信号的抽取和内插的基本原理,并简要介绍了多速率信号处理中半带滤波器和两通道滤波器组的基本设计方法。第9章在讨论信号 Fourier变换的基础上,引入了信号短时 Fourier变换,根据信号展开的理论引入了信号小波变换,从多分辨分析(MRA)的角度阐述了信号小波变换的数学概念,从滤波器组的角度分析了信号小波变换的物理概念,从信号时频分析的角度展现了信号小波变换的工程概念,并给出了许多基于MATLAB的信号小波变换及应用的例题,以加深理解信号小波分析的理论和方法。本书由陈后金主编,第1、4、5、8章由薛健执笔,第6、7章由胡健执笔,陈后金执笔第2、3、9章,并对全书进行了整理和统稿。郝蛲莉提供了部分素材,钱满义和髙海林也给予了许多帮助。本书由北京交通大学吴湘淇教授审阅,并提出了许多具体建议,在此深表感谢。限于编者水平,书中错误及不妥之处在所难免,恳请读者批评指正。编者2004年5月于北京交通大学电子信息工程学院目录第1章离做信号与系统分杬1.1离散时间信号1.2离散时间系统1.3离散时间信号的频域分析1.4离散时间系统的频域分析231.5离散时间信号的复频域分析281.6离散时间系统的复频域分析341.7全通滤波器与最小相位系统351.8信号时域抽样与信号重建399利用 MATLAB实现离散信号和系统分析441.10习题491.11 MATLAB习题52第2章离做 Fourier变换542.1有限长序列的 Fourier分析542.2离散 Fourier变换的性质2.3离散 Fourier变换与z变换的关系利用DFT计算线性卷积2.5利用DFT分析连续非周期信号的频谱26利用 MATLAB实现信号DFT的计算862.7习题902.8 MATLAB习题日录第3章离散 Fourier变换快速算法933.1基2时间抽取FF算法943.2基2频率抽取FFT算法1013.3实序列的DFT计算1043.4IDFT的快速计算方法1063.5基4时间抽取FFT算法1083.6混合基FFT算法1123.7习题114第4章IR数滷波器的设计1164.1模拟低通滤波器设计1184.2模拟域频率变换1264.3脉冲响应不变法1334.4双线性变换法1374.5IR数字滤波器的基本结构1414.6利用 MATLAB设计IIR数字滤波器1464.7习题1534.8 MATLAB习题155第5章FI数事濾波器的设计1575.1线性相位FIR数字滤波器的特性157窗函数法设计线性相位FIR数字滤波器16453频率取样法设计线性相位FIR数字滤波器17454线性相位FIR数字滤波器的优化设计1775.5FIR数字滤波器的基本结构1845.6利用 MATLAB设计FIR数字滤波器1875.7习题1985.8 MATLAB习题201
