[离散时间信号处理](中文版)教材+答案-奥本海姆.pdf

[离散时间信号处理](中文版)教材+答案-奥本海姆.pdf内饗简介本书为关国麻省理工苧院〔Mm)著名教授A.V.奥4海姆和佐治亚理工宁院(GI著名教搅RW.诳弗等人所著,系缆论述了高散时网懵号处理的基木理论和方法,是回际信号处理饭城中的经典权戚教材。1999年修订后推出了第2版,惨订后的第2版更强调基础性和基本内容,全书由厉来的12章縮为11章,内容更加精练除保持了第1版基本概念消楚层次安排合理,条理潸晰,系统性强的特点外,还大幅度增加了剑题和习题,并将习題按堆度和筧杂温度重新组合,属时增加了一些内容和习题答案,使木书更适合大学本科生和相关专业的研究生学习本书从第1版问世以来,一直是国际上颇受欢迎的大学本科高年级和研生教材,相信经过修订的第2版更会得到我国广大读者的肯睐。本书可供从事数字信号理工作的科技人员高等学校有关专业的高年级学生、研究生及教师使用Authorized translation from the English language edition published by Prentice-Hall, IncCopyright C 1999All rights reserved. No part of this bouk may be reproduced ur LransTIiLted in any form or by anymeans, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any inforirtati on storageretrieval system, without permission from the PublisherChinesc simplified language edition published by Xi an Jiaotong University PresCopyright (C) 2000本书中立简体字版由美国 Prentice出版公司授权西安交通大学出版社出版发行,未经出版者书面许可不得以任可方式复制和抄袭本书的任何部分。版权所有,科印必究。图书在版编目[CPP数据离散时间信号处理:第2版八美)奥本海姆( Oppenheim,A.V.)泽书监:四安交通大学酸社,0,了R)#:树集,黄婕国IsBN7-5605-1465-0离…Ⅱ①臭…⑨谢③巴…④刘…位黄Ⅲ.离散信芎:时同信号一信号处理高等学校-教材Ⅳ.TTv9117中国版本图书馆CI数据核字(2001)第063531号西安交遹大学出版社出版发行两安市兴庆南路25号邮政編码:710049电话:(029)2668315〉陕西省轻T印劬厂即装各地新华书店啞铂开本;787m×1mmm116印张:45.25字数:1092千字200年9月第1版2001年9月第1次印刷印数:0001~5000定价;78.00元陕娅出图字25-200071号发行科电话:(029》26683572667874译者的话看教字信号处理学科理论和方法的日臻完善,处理于段和技术的日益先进,以及所涉及的应用领城愈来愈广泛,有必要将20多年来陆续在各大学开设的数字信号处理”课程完全定位在大学本科生的层面上。这是译者认为作者在谖书第1版(1989年〕出版10年后推出第2版的最主要初衷。这本教材的第一代是作者于1975年写的《 Digital Signal Processing》一书。当时这门!只在少数几所大学,而且毫无例外地都在研究生的层次上开设。到了1989年,作者推出了第二代的《 Discrete-Time Signal Processing》,这时这门课已在大多数大学开设,其对象是研究生和大学本科高年级学生。该书的伓系和内容较前已做了大幅度的调整。进入20世纪90年代,这门课几乎毫无例外地在各大学水科生中开设,而且所盖的学生的专业领堿也大为括宽。这一狀况基本上与我国情况相符。这一过程既反映出学科发展、技术进步和应用广泛的进程,也伴随着在教材内容和组织上的)变过程。针对以本科生为主的教材,又西临着发展如此迅速,内容如此丰富和涉及应用领域如此广泛的这祥一本教材,应域首先考虑的是什么问趣?作者认为对于这样一类教材应该首先考虑的是;不是要企图去“涵盖”学科发屐中的方方面面,而应该努力去“揭开”它的最基础和最核心的东西,并要让广大学生和工程师们易于接受。正因为如此,才使作着已写就的几本书普遍受到欢迎,广泛被采用,并经久不变,视为经典著作,有很高的声誉。基于北,本书在第1版的基础之上作了如下处理(1)由于在过采样的A①,D∧A转换和教于滤波器实现中,多采祥率信号处理理论和方法的重要性,而大大扩充了这方面的内容;由于在数据压縮标准中所起的核心作用而增加了余弦奕换。(2)由于倒谱概念及其同态变换方法从本科生的层面上看并不是一↑最基本的内容而在正文中被除,改在习题中作为扩充内容,或者拟放在研究生的专题课中去讨论。(3)大大加大习题(由原371道题扩大到588道题)和例题(由原113道题扩大,二F到137道题)的数量,并将每一例题都冠以标题,以突出它的作用。4)重組习题。将习题分为3个档次(基本题深入題和扩充题)和4种类型,并对第1类基本题给出答。除此以外,我们认为第1版和第2版就基本上属于大同小异了。该书第1版中译自198年出版以来,已获得较好反响。我们再次联手及时将第2版中译本奉献给读者,昐望能为读者所接受,并诚恳接受来自各方面的批评和指正。本书前言和前6章由刘树棠译,后5章及附录由黄建国译。黄建圓的研究生刘科伟和孙敷参与部分翻译和译稿的整理工作。西北工业大学张群飞副教授在整个工作过程中给予了很大的支持。译者对此均表示诚孝地感谢。感谢西安交遁大学出版社总編颊鸿森教授、白居宪编审和总編办主任赵丽萍劍編审在组织出版和编轷工作中所給予的支持。最后,对我们的家人孙漪和郑家梅网志,在她们自已繁忙的工作之余所给子的帮助和支持,特别是在近几年来持续不断的翻译工作中所给予的鼓勵和忍耐精神表示深深地愧疚和衷心地感谢。刘树業于西安交逼大学货建国于西北工业大学前言这本书是我们于1975年出版的 digital signal Processing,》一书第二代的继线。在当时,数字信号处翔的拦术领城虽处于它的初期,但是巳经显露出的一些基本原而可以将它们组织成一个完整而有关联的整体。尽管当时在几所学校已终有了这样一些课,但是几乎全都是属于研究生的课程。量初的教科书就是专门为这类课程写就的。到了1985年,研究的步伐和集成电路技术都表明数字信号处理该实现它在70年代就昴簖出的大濬力了。数字信号处理()所萌发出的重要性清楚地表明对原书进行修订和更新内容是势在必行的了。然而,在筹划那个修订本时,由于已经出现的很多变化,很显然最合适的是在原书的基础之上重写-本新书,南同时又让原书仍然可以出售。我们将那本新书定名为《 Discrete-Time Signal Processing》以强调该书所讨论的大部分理论和设计方法一般郁是面向离散时间系统应用的。到了1989年,《 Iscrete Time Signal Processing}这本书出版时,DSF的基本原理已经普遗在大学本科阶段讲授了;有时甚至作为在有关线性系统第一门课中的一部分内容,或者在第3和第4学年稍徽高深一些的档次上讲授,或者作为最初的研究生专题课中讲授。因此,认为在像线性系统、采样、未采样率倍号处埋、应用以及谱分析等方面的内容处置上大为扩展一整是合适的。另外,还用更多的例题来强调和说明一些重要概念。同时,我们还将那些业已表明对离散时间信号处理的理解不是最拈本的一些内容进行∫删除和淞貓。我们始终把精心构造的例题和家庭作业放在重要的地仰,所以这本新书包括∫400多个习题。在这10年内,或者说自从《 Discrete-Time Signal Processing》出版以来,些重要的新概念已经建立数字集成电路的容量成指数增长,以及涌现出村益扩大的应用领域;然而所包含的基本原理和基础性的内容仍然基本上是相差不多的,尽管在突出的重点上理解上和教学方法上作了一些垂炼。因此,作为在今天強调基本原理的一本教科书,我们来看一看对于《 Discrete- Time Signal Pmcessing》-书为使其仍具有当代水平而需要仆么的时候发现所需要的变化是远远少于先前的在构思现在这本修订本时,我们的主导原则是:本基础性教科书的主要目的是要揭示一个学科而不是要包罗一个学科。为此,现在这个修订本的目的就是要让离散时间信号处理这一学科甚至对大学生和实际工程师们都更加以可理解和接受,而不用在基本内容范围上怍出过多考盧。为了这个月的,由于多速率信号处理在过采桦的模数(AD)数模(D/A)转换和教字滤器实现巾的重要性,我们大大扩展了在这方面的内容。由于余弦变换在数据压缩标准中起着核心的作用,也增添了余弦变换的讨论。同时,还删除了我们认为在现在的讨论范围内不人重要的一些内容,者是放在更为深人一些教科枵和高年级研究生课程中史为合近些的内容。有一些从正文中删除的概念(如有关倒谱的基本结果)已祭放在新的謀外习题中了这—修订本强调的-个主要部分是而向家庭作业和刨题上。我们已经显著地增大了剑题的数量,这些例魎在说明和運解基本概念上是很重妥的。我们也增加了家庭作业的习题数量,并将这些习题按它们旳难虔和复杂程度迸行了重新組织,再从中挑选了一部分题给出了谷案。供讲授本书用的教师参考手琚可从出版商处获得,其中包括了本书全部习题的最新题解;这些题解是MT的TiIe和 Maya said以及GT的 Jordan rosenthaL和 Greg Slabalygh准备的这本手册还包括了我们在MrT,cIT和 University of Massachusetts Dartmouth教这广课时所用的一些考试题。和早先的教科书一样,4书是假定读者已具备高等微积分的背景并在复数和复变西数基础方面有较好的掌握。另外,为了使讨论对更为广泛的读者可接受,我们删除了使用复数围线积分。包括拉普拉斯变换和傅里叶变换在内的对连续时间信号的线性系统理论有些了解仍然是一个基本的前提而这些在大多数电气和机械工程系大学本科的课程安排中都是会有的。有了这些背景之后,这本书就自成体系了;尤其是,不要求预先在离散时间信号、z变换、离散傅里叶变换等这些方面的知识。在有些章的硝后部分会涉及一些像量化噪声这样的内容,这就要求有随机信号方面的础知识。在第2章和附录A中都将对此作简单介绍。在很多信号处理课中要包括一些在计算机上完成的作业已是习以为常的了。本书的很多习题都可以很簦易地转变成用计算机来解的练习题。和本书的第1版相同,我们都有意地没有给出用以实现本书历述算法的特定教件。这样做有许多理由,其中最主要的是:在众多的个人电脑和工作站上都有可资利用的各种各样廉价的信号处理软件包,可用于演示和实现信号处理。这些软件包都有详细地注释,良好的技术支持以及方便的用户界面,便于学生使用。再者,这些软件本身都处在一个不断完善的过程中,我们极力主张,在裸堂上用的软件应该是经过不断考验和更新的版本。在越来越多的学生都比较早地学习了 MATLAE,我们对这份热情也予以首背。然而,我们在推崇利用计算工具(如 MATLAB)的强大功能来创建应用本秒的理论和基本原理的倒题和例证的某一陈述时,不要让编程语法和款件环境的功能分散了应类出的概念和所采用的途猝。我们坚信,亲身经历的东西有很大的价值。的确是这样,像MATLAB这样的教件工具能计学生在自坦的个人电脑上实昵很复杂的信号处理系统,而且我们想列一旦学生在基本理论上是很自信的话会对这种实现有很大的好处;他就的够区分出是概念主的错误还是编程上的镥误。为此,教手册中还包括了一#,建议在两本巖价的书中,即(Computer-Based Exercises for Signal Processing Using MATLAB 5> by McClellan, et al., HCUmputer Explorations in Signals and Systems-I sing MATLAB) by Buck, Daniel and Singer, 3排这方面的作业。这两本书都能从 Prentice-Ha2nc.得到。建议将这些计算机练习书中的作业与在本书中某些特定的节、例题和习题联系起来。这将允许敏师来安排计算机怍业以便与课堂上所讲的内容和例题联系在一起并可以将这些计算机作业与常规的书面作业联系起来以增强在题中所表明的基本概念本书在材料的组织上为大学本科生和研究生的使用都提供了相当大的灵活性。典型的供大学本科生一学期用的选修课可以盖第2章2.0~2.9节第3章;第4章4.0-46节集5章5,0-5.3节;第章60~6.5节;第7章7073节以及74~7.5节的简单介绍。如果学生在一般的信号与系统课程中已学过离散时间信号与系统,则可以很快地掠过第2第3和第4章,而出富裕的时间米学习第8章。作为年级研究课程除了上述内容外,还可以包括第5章余下的部分,4.7节有关多采样平信号处理的讨论,4.8节有关量化问趣的简单介绍,以及或许还可以包岳在4.9十讨论的有关在A①和DA转换器中噪声形成的介细。年级的研究生课还应该包括在6.6-6.9节所讨论的量化问题74节和7.节最优FR滤波器的讨论,以及第8章全部离散傅里叶变换和第9章利用FFT的离散傅里叶变换的计算等内容。在第10章的很怎例子能有效地加强对DPT的讨论。在两学期的研究生裸中,除了应包括本书的全部内粹外,还可以包括一些另外的更为先进的一些专题。第2章介绍了离散时间信号与系统的蔫本类型,并定义了系统的基本性质,诸妇线性、时不变性、稳定性和因果性等。本书的主要着眼点是放在线性时不变系统上,这是因为有许多成熟的方法可以用于这兴系统的分析与设计尤其是在这一章屮通过卷积利建立了线性时不变系统的时域表示法,并引入了由线性常系数差分方所描迷的一类线性时不变系统。在第6章还将对该类系统做更咩细地讨论。在第2章还通过傅里叶变换引入了倍号与系统的频域表小法。第2章重点放在利用傅里叶变换来表示序列,也就是把序列表示为一组复指数的线性组合,以及建立傅里叶变换的基本性质上在第3章,作为傅里叶变换的推广建立了z变换。这一章重点放在z变换的基本定理和性质上,以及对逆变换运算的部分分式展开法上。第5章将广泛深入地讨论刻何利用在第3和第4章所得到的结果来表示和分析绲性时不变系统。在离散时间信号是通过对连续吋间信号周期釆样而得到的情况下,第4章详细讨论了这两类信号之间的关系,其中包括奈奎斯特采样定理。封外,还讨论了离散时间信号增采样和减采样,这些在多果样率信号处理系统和采样率转换中都会用到。这一章以在从连续时间到离散时间转换中所還到的某些实际问题的讨论作为结束,其中包括为避免混叠而采用的预滤波,当离散时间信号用数字表示时幅度量化效应的建模以及在简化模数(A)和数模(D/A)转换过程中利用过采样的问题等。第5章利用在前面名章中建立的概念详细地研究线性时不变系统的各种性质。我们定义类理想频率选择性滤波器,并对由线性常系数差分方程所描述的系统建立了系统函数和零极点表示法,而该类系统的实现将在第6章详细讨论。同时,在第5章还定义并讨论∫群延迟、相位响应和相位失真,以及系统的幅度响应和相位响应之间的关系,其中包括对最小相位全通和广义线性相位系统等的讨论第6章集中讨论由线性常系数差分方程播述的系统,并用方框图和线性号流断表示这类系统本章的大部分内容是建立各种重要的系统结构,并比较它们之间的一些性质。这些时沦和各种滤波器结构的重要性都基于这样一个事实:在离散时间系统的具体实现中,系数的不淮确性和运算误差的影响都与所采用的具体结构切关。无论在具体实现中所用的技术是数字的还是离散时间模报的,这些基本问题都是类似的。本章是在数字实现的范畴内,通过对数字滤波器的系数量化和运算舍入噪声影响的讨论来阐明这些间题的。第6章主要羌注的是线性常系数差分方程的表示和实现,而第7章则讨论为了逼近某期望的系统响应而获得这类差分方程系数的步骤,其设计方法分为无限脉冲响应(IR)速泼器设计和自限脉冲响应(FIR)滤波器改计两大类。在连续时间线性系统理论中,傅里叶变换主要是作为表示信号与系统的一种分析工具。与此对照,在离散时间情况下,很多信号处理系统和算法则涉及到要直接计算傅里叶变换尽管傅里叶变换本身是不能计算的,但它的采样形式,即离散傅里叶变换(DFT)却是可以计算出来的,并且对有限长信号来说,其DT就是该信号的完全傅里叶表示第8章详细讨论离散傅里叶变换及共性质,以及它与离散时间傅里叶变换的关系。这一章还将介绍离散余弦变换Ⅲ这一变换在包括音频和视频压缩的许多应用中正在起着越来越重要的作用。第9章将介绍并讨论许多重要的用于计算或产生离散体里叶变换的各种算法,其中包拓 Goertzel算法、快速傅里叶变换(FFT)算法,以及线性调频(鸟声)变换算法等。有了前面这几章,特别是第23,5和8章的背景,第10章集中讨论如何利用离散傅里叶变换对信号进行傅里叶分析。如果没有对前面所涉及到的问题,以及对MFT与傅里叶变换之间的关系有一个透彻的理解,那么利用DT对个实际信号进行分析时往往会导致混滑和曲解。在第10章将会提到许多这样的问题。关于利用依时傅里叶变换对具有时变特性的信号由进行傅里叶分析的问题也将作适当的讨论第11章介绍离散希尔伯特( Hilbert变换a这种变换出现在各种不同的实际应用中,其中包括逆滤波、实带通信号的复数表示、单边带调制技术以及许多其它的方面。在这一版中,我们感谢并欢迎 John Buck教授的加盟。当他在MT还是一名学生以及最近作为 University of Massachusetts Dartmouth的一名成员时,通过他对这门课的讲授,一直长期对本书作出了贡献。在这一版中,整个的修订工作,家庭作业的重新组织,以及许多例题的补充他都承担着主要的责任对于木书第2版的问世,他对这项工作所表现出的深刻理解和献身精神是毫无疑问的Alan v OppenheimRonald w. Schafer致谢在准备这本书的两个版本的过程中,我们一直有幸得到许多河事、学生和朋友们的宝贵帮助建议和支持。多年来,我们的很多同事在MI和 GwIgia Tech与我们一起使用这本教科书进行教学,并从他们的看法和反馈中得益理浅。这些同事包括MIT的 Arthur Baggeroer,Sidney Burrus, Meir Feder, Jae Lim, Bruce Musicus, Hamid Nawab, Gregory Wornell tt VictorZue等教授,以及在 Geogia Tech的 Tom Barnwell, Mark Clements, Monty Hayes, Jim Mccblan, Russ Mersereau, David Schwartz, Mark Smith, Vijay Madisetti, Doug Williams Fu Tong Zhou等教投在我们学术生涯的大部分时间里,MT和 Geogia Tech始终为我们的研究和教学工作提供了一个激的环境,并对这一任务提供了积极有效的鼓励和支持。另外,RWS要对W. Kelley Mosley的友誼和支持,以及 John and Mary Franklin Foundation通过JhnaMarilu McCarty Chair多年来所给予的支持表示特别地感谢。AVO要对Mr. Ray Stata和Analog Devices,inc,,以及 Ford foundation在MT的信号处理领域所给予慷慨而持续地支持表示深深的谢意,其中包括在电气工程方面的 Distiriguished Professor Chair基金项目和在工程方耐的 Fotc Cha基金项目我们特别感到幸运的是与 Prentice h的共事与合作。我们与 Prentice hall的关系已经有丁多年的经历,并有多个写作项目。来自 Prentice hal的 Eileen Clark, Marcia horton,TomRbrs, Amy Rosen和 Sharyn vitranc对当前这一版本所给予的戴励和支持为我们写出和完成这一任务增加了乐趣。在第2版的出版过程中,非常荣幸地得到很多同事、学生和朋友们的帮助,非常感谢他们费去了大量的宝贵时间帮助我们完成这项工作。特别要对如下诸位表示我们的谢意:M的LiLe和 Maya Said和〔 borgia Tech的 Jordan rosenthal和 Greg slabaugh为本书做了习题的题解, University of Massachusets Dar(rnouth的HDou为基木题做了答案。Wade torres, Akmal Buit和 Fararnarz Fek帮助更新了参考文献。Vivan berman帮助设计丁新的封而。Drala Chupp, Stacy Schultz和 Kay Gilstrap为这个修订本的准备所给予的帮助,并对我们的教学活动提供持续地支持。Matthew scoor和 fHicvanri Alibert在手稿准备过程中有关很多计算机方面的工作所给予的帮助以及以于各位帮助仔细校对了清样Susan Aldermanfon AttwoodJoe ArrowoodChalee asavathirat harHaluk aydinogluAli Behboodian