數(shù)字信號(hào)處理

前言

　　用數(shù)字化手段來處理信息的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)滲透到幾乎所有的工程領(lǐng)域，如電子、通信、信息、生物醫(yī)學(xué)工程、雷達(dá)、控制以及金融、證券等。近40年來數(shù)字信號(hào)處理理論與技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)形成為一門具有廣泛應(yīng)用前景的學(xué)科，從事電子、通信、信息以及相關(guān)領(lǐng)域的工作人員都有必要學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字信號(hào)處理理論和方法。本書以現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用為背景，突出數(shù)字信號(hào)分析與處理系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用方法，全面系統(tǒng)地介紹了數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)概念、時(shí)域離散信號(hào)與系統(tǒng)的理論與分析方法、傅里葉變換與分析、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、數(shù)字信號(hào)處理軟硬件的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也引入了現(xiàn)代信號(hào)處理重要的工具——小波變換與分析，為讀者掌握數(shù)字信號(hào)處理的理論及應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本書將基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，通過大量的應(yīng)用實(shí)例，讓讀者在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，掌握數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用。本書不強(qiáng)調(diào)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論，在算法設(shè)計(jì)方面并未給出詳細(xì)的數(shù)學(xué)證明，有需要的學(xué)生可參閱其他書籍。本書用了較大的篇幅介紹了一些基礎(chǔ)原理在實(shí)際問題中的應(yīng)用方法，教師可講解其中的一部分，其余大多數(shù)應(yīng)用例子可供學(xué)生自行閱讀，以加深學(xué)生對(duì)基本概念的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大知識(shí)面。本書改變了傳統(tǒng)的單一的理論教學(xué)模式，將近幾年國際流行的科學(xué)計(jì)算MATLAB軟件引入到數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)中。隨著MATLAB軟件功能的日益增強(qiáng)，為數(shù)字信號(hào)處理提供了圖形可視化計(jì)算手段，形象生動(dòng)地揭示了算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程。通過MATLAB進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，能有效地提高數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)效果。本書配有大量的實(shí)驗(yàn)源程序。通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使讀者快速、直觀地掌握數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論及分析方法，從而全面提高解決實(shí)際問題的能力。本書前三章為本課程基本內(nèi)容，后兩章為擴(kuò)展內(nèi)容。由于MATLAB軟件的仿真實(shí)驗(yàn)在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中越來越重要，建議除課堂教學(xué)外，應(yīng)再安排一定時(shí)數(shù)的實(shí)驗(yàn)課程。每章配有大量的習(xí)題，其中部分為理論概念的計(jì)算與證明題。部分習(xí)題需要通過MATLAB上機(jī)驗(yàn)證，只有通過大量的練習(xí)，才能掌握這門課程的基本方法。應(yīng)該指出，本書提供了大量實(shí)際應(yīng)用的例子，但書中所提供的解決方案并非是最優(yōu)的。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新算法不斷涌現(xiàn)，我們的目的只是給讀者一個(gè)應(yīng)用所學(xué)的基本理論來解決實(shí)際問題的框架，大量的實(shí)際應(yīng)用問題還有待于在專門領(lǐng)域中的進(jìn)一步探討。因此我們建議讀者能結(jié)合所學(xué)內(nèi)容廣泛閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。

內(nèi)容概要

本書全面而又系統(tǒng)地介紹了數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和基本方法，大量引入應(yīng)用實(shí)例，將理論與應(yīng)用相融合，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的工程應(yīng)用能力，并將MATLAB軟件引入到教學(xué)中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解，提高解決實(shí)際問題的能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。    本書共分為5章，第1章介紹數(shù)字信號(hào)、數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)，以及結(jié)合MATLAB的信號(hào)系統(tǒng)分析方法；第2章討論數(shù)字信號(hào)處理基本工具：傅里葉變換與分析；第3章介紹數(shù)字濾波器的基本理論、設(shè)計(jì)方法；第4章簡要介紹了現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理有效工具：小波變換及分析；第5章簡述數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)和方法。    本書適宜作為高等院校信息、通信、電子類專業(yè)本科生數(shù)字信號(hào)處理課程的教材，也可供從事數(shù)字信號(hào)處理工作的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 數(shù)字信號(hào)處理概念  1.1 概述    1.1.1 數(shù)字信號(hào)    1.1.2 數(shù)字信號(hào)處理及實(shí)現(xiàn)方法    1.1.3 數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)    1.1.4 數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用  1.2 數(shù)字信號(hào)處理仿真工具M(jìn)ATLAB簡介    1.2.1 MATLAB與數(shù)字信號(hào)處理    1.2.2 序列運(yùn)算、Z變換及系統(tǒng)響應(yīng)的仿真算法    1.2.3 MATLAB應(yīng)用舉例  1.3 本章小結(jié)  習(xí)題第2章 信號(hào)的傅里葉變換與分析  2.1 離散時(shí)間序列的傅里葉變換    2.1.1 DTFT的定義    2.1.2 DTFT的性質(zhì)  2.2 周期序列的離散傅里葉級(jí)數(shù)及傅里葉變換表示式    2.2.1 離散傅里葉級(jí)數(shù)    2.2.2 傅里葉變換表示式    2.2.3 離散信號(hào)的傅里葉變換與模擬信號(hào)的傅里葉變換的關(guān)系    2.2.4 離散信號(hào)的傅里葉變換應(yīng)用——語音合成  2.3 有限長序列的離散傅里葉變換    2.3.1 DFT的定義    2.3.2 DFT與Z變換、DTFT的關(guān)系    2.3.3 DFT的隱含周期性    2.3.4 DFT的性質(zhì)  2.4 頻域采樣定理  2.5 快速傅里葉變換    2.5.1 FFT的基本思想    2.5.2 時(shí)域抽取法基2FFT基本原理    2.5.3 頻域抽取法基2FFT基本原理    2.5.4 DFT的高效算法    2.5.5 大點(diǎn)數(shù)FFT算法的快速并行實(shí)現(xiàn)  2.6 DFT的應(yīng)用    2.6.1 計(jì)算線性卷積    2.6.2 信號(hào)的譜分析    2.6.3 實(shí)際應(yīng)用舉例  2.7 本章小結(jié)  習(xí)題第3章 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)  3.1 數(shù)字濾波系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)    3.1.1 數(shù)字濾波系統(tǒng)的基本概念    3.1.2 FIR濾波系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)    3.1.3 FIR濾波系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)    3.1.4 線性相位FIR濾波器零點(diǎn)分布特點(diǎn)  3.2 數(shù)字濾波器的基本概念    3.2.1 頻率選擇性濾波器    3.2.2 濾波器的技術(shù)指標(biāo)    3.2.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法  3.3 FIR型濾波器的設(shè)計(jì)    3.3.1 模擬低通濾波器    3.3.2 巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)    3.3.3 模擬濾波器的頻率轉(zhuǎn)換——模擬高通、帶通及帶阻濾波器的設(shè)計(jì)    3.3.4 模擬與數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換方法  3.4 FIR型濾波器的設(shè)計(jì)    3.4.1 線性相位FIR濾波器及其特點(diǎn)    3.4.2 利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器    3.4.3 利用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器    3.4.4 FIR濾波器的最優(yōu)等波紋設(shè)計(jì)法  3.5 有限字長效應(yīng)    3.5.1 數(shù)的表示方法對(duì)量化的影響    3.5.2 A／D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)    3.5.3 數(shù)字濾波器的有限字長效應(yīng)    3.5.4 FFT運(yùn)算中的有限字長效應(yīng)  3.6 本章小結(jié)  習(xí)題第4章 信號(hào)的小波變換與分析  4.1 小波變換    4.1.1 小波的基本概念    4.1.2 小波分析    4.1.3 小波分析與傅里葉分析的區(qū)別  4.2 連續(xù)小波變換    4.2.1 連續(xù)小波變換的定義    4.2.2 連續(xù)小波變換的性質(zhì)    4.2.3 幾種常用信號(hào)的連續(xù)小波變換    4.2.4 連續(xù)小波變換的應(yīng)用舉例  4.3 離散小波變換與多分辨率分析    4.3.1 離散小波變換與多分辨率分析的基本概念    4.3.2 快速離散小波變換的塔形算法  4.4 離散小波變換的應(yīng)用    4.4.1 數(shù)據(jù)壓縮    4.4.2 信號(hào)消噪  4.5 本章小結(jié)第5章 數(shù)字信號(hào)處理器  5.1 引言  5.2 數(shù)字信號(hào)處理器的特點(diǎn)    5.2.1 功能特點(diǎn)    5.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)    5.2.3 典型的數(shù)字信號(hào)處理器  5.3 DSP選型  5.4 DSP系統(tǒng)開發(fā)    5.4.1 DSP應(yīng)用系統(tǒng)組成    5.4.2 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程  5.5 部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理器簡介  5.6 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　3）可重復(fù)再生性好數(shù)字系統(tǒng)本身就具有較好的可重復(fù)性，這一點(diǎn)在數(shù)字中繼通信中具有模擬系統(tǒng)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展的各種數(shù)字糾錯(cuò)編解碼技術(shù)，能夠在極為復(fù)雜的噪聲環(huán)境中，甚至在信號(hào)完全被噪聲所淹沒的情況下，正確的識(shí)別和恢復(fù)原有的信號(hào)。4）強(qiáng)大的非線性信號(hào)處理能力借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，盲信號(hào)處理和各種各樣的自適應(yīng)算法，數(shù)字信號(hào)處理目前已經(jīng)具有極為強(qiáng)大的非線性信號(hào)處理能力，同時(shí)，這也是目前數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的主流方向之一。5）便于大規(guī)模集成I）SP處理器體積小、功能強(qiáng)、功耗小、性能價(jià)格比高，從而得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。6）可存儲(chǔ)、運(yùn)算和多維處理對(duì)數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)、運(yùn)算，系統(tǒng)可獲得高性能指標(biāo)，且能進(jìn)行多維處理。這一優(yōu)點(diǎn)使數(shù)字信號(hào)處理不再僅僅限于對(duì)模擬系統(tǒng)的逼近，它可以完成許多模擬系統(tǒng)完不成的任務(wù)。例如，電視系統(tǒng)中的畫中畫、多畫面、各種視頻特技，包括畫面壓縮、畫面放大、畫面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、演員特技制作、特殊的配音制作、數(shù)字濾波器嚴(yán)格的線性相位特性，甚至非因果系統(tǒng)可通過延時(shí)實(shí)現(xiàn)等。利用龐大的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)數(shù)幀圖像信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)的處理。2.不足盡管如此，數(shù)字信號(hào)處理也不可避免地存在著不足之處，主要是其處理速度還不夠高，不能處理很高頻率的信號(hào)，一般只能限于幾十兆赫以下的信號(hào)；其次是算法復(fù)雜、運(yùn)算量大的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)還比較復(fù)雜，價(jià)格比較昂貴。盡管數(shù)字信號(hào)處理有諸多優(yōu)勢(shì)，但從根本上來說，模擬信號(hào)處理還不能完全被數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)代替，主要有以下兩個(gè)方面的原因。（1）模擬信號(hào)處理從根本上來說是實(shí)時(shí)的。盡管以DSP、。FPGA為代表的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)處理速度在很快地提高，但總會(huì)在很多情況下不能達(dá)到實(shí)時(shí)的要求。數(shù)字處理系統(tǒng)依賴于處理器的速度。（2）超高頻信號(hào)處理需要模擬系統(tǒng)來完成。受到采樣定理及處理器性能的限制，數(shù)字處理系統(tǒng)不能處理超高頻信號(hào)。3.研究領(lǐng)域國際上一般將1965年快速傅里葉變換（FFT）的問世作為數(shù)字信號(hào)處理這一學(xué)科的開始，再接下來的40多年時(shí)間里，隨著微電子學(xué)科的發(fā)展和數(shù)字器件速度的飛速提高以及人們對(duì)生活、實(shí)踐、科學(xué)研究的需要，大量的新算法理論和技術(shù)層出不窮。

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