數(shù)字信號(hào)處理

前言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，新的信號(hào)處理理論和應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。尤其在當(dāng)今的高科技領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)處理有著極為重要的作用和地位，并發(fā)展成為一門極其重要的學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)成為高等工科院校電子信息、通信和控制工程類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。然而由于數(shù)字信號(hào)處理理論和算法本身的抽象性（難于理解），數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)際教學(xué)過(guò)程一直處于教與學(xué)兩難的境地。為此，作者在研究國(guó)內(nèi)外最新同類教材的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年的教學(xué)改革與實(shí)踐成果，以加強(qiáng)基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用為主線，組織和編寫了本書?！　?shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容從根本上講，主要涉及變換和濾波兩大領(lǐng)域。變換是指通過(guò)某種運(yùn)算，在有意義的范圍內(nèi)能夠更清晰地描述信號(hào)的基本特征，以利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行更有效的處理。在眾多變換中，傅里葉變換為基礎(chǔ)和應(yīng)用重點(diǎn)。濾波通常是指從頻域的指標(biāo)要求角度對(duì)信號(hào)的各種頻率成分進(jìn)行取舍和加工，是從系統(tǒng)概念上對(duì)信號(hào)的變換處理?？紤]到數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和實(shí)踐性，本書把信號(hào)處理的基本概念和模擬信號(hào)的數(shù)字化處理也列入教學(xué)范圍。本書緊緊圍繞變換和濾波的基本理論進(jìn)行組織，各章內(nèi)容循序漸進(jìn)，安排合理，重點(diǎn)圍繞基礎(chǔ)變換和濾波的基本算法進(jìn)行論述，分析各種變換及濾波之間的關(guān)系。為加強(qiáng)對(duì)課程內(nèi)容的理解與掌握，突出數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)應(yīng)用及實(shí)際工程應(yīng)用方法，全書每章都針對(duì)主要內(nèi)容給出了MATLAB的實(shí)現(xiàn)方法和程序，讀者可以直接在MATLAB軟件平臺(tái)上仿真實(shí)現(xiàn)?！　∪珪卜?章，內(nèi)容包括數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)、模擬信號(hào)的數(shù)字化、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、Z變換、DFT與FFT、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。教授本書時(shí)，建議課堂教學(xué)時(shí)數(shù)為48學(xué)時(shí)，前兩章內(nèi)容可以根據(jù)教學(xué)情況進(jìn)行取舍?！　”緯舌崌?guó)強(qiáng)統(tǒng)稿。其中，第1、2章由傅江濤編寫，第4、6章由彭勃編寫，第3、5、7章由鄭國(guó)強(qiáng)編寫，第1～7章的部分MATLAB實(shí)現(xiàn)主要由馬華紅編寫。本書在編寫過(guò)程中得到了河南科技大學(xué)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及通信工程系許多同志的大力支持和幫助，在此一并表示誠(chéng)摯的謝意?！　∠抻谧髡咚?，書中難免存在不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地論述了數(shù)字信號(hào)處理的基本原理與概念、基本分析和設(shè)計(jì)方法、算法及MATLAB實(shí)現(xiàn)。全書共分7章，內(nèi)容包括數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)、模擬信號(hào)的數(shù)字化、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、Z變換、DFT與FFT、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)?！　”緯趦?nèi)容安排上突出基本概念和原理，注重各章節(jié)內(nèi)容之間的聯(lián)系，特別是各種信號(hào)變換處理之間的關(guān)系和應(yīng)用。為了加深學(xué)生對(duì)基本理論和方法的理解與應(yīng)用，每一章都結(jié)合主要內(nèi)容，通過(guò)典型例題，說(shuō)明用MATLAB進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的方法，并提供了相應(yīng)的MATLAB程序。讀者可以運(yùn)行這些MATLAB程序，得到數(shù)據(jù)和圖表，形象直觀地認(rèn)識(shí)所討論的主要內(nèi)容。各章均配有一定數(shù)量的習(xí)題和MATLAB上機(jī)實(shí)驗(yàn)，便于讀者更進(jìn)一步地理解、掌握和實(shí)際應(yīng)用所學(xué)概念。　　本書可作為高等工科院校通信、電子信息、計(jì)算機(jī)、信息工程、自動(dòng)控制等相關(guān)專業(yè)的本科教材，也可供從事信號(hào)處理相關(guān)工作的科技工作者參考。

書籍目錄

第1章 數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)　1.1 信號(hào)的基本概念　　1.1.1 信號(hào)的定義　　1.1.2 信號(hào)的分類　1.2 信號(hào)在正交函數(shù)集中的分解　　1.2.1 函數(shù)正交的定義　　1.2.2 正交函數(shù)集的完備性　　1.2.3 信號(hào)分解　1.3 連續(xù)周期信號(hào)　　1.3.1 周期信號(hào)的概念和性質(zhì)　　1.3.2 周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式　　1.3.3 周期信號(hào)的頻譜分析　　1.3.4 周期信號(hào)的傅里葉變換　1.4 連續(xù)非周期信號(hào)的傅里葉變換　1.5 拉普拉斯變換　1.6 信號(hào)的時(shí)頻特性　　1.6.1 信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性之間的關(guān)系　　1.6.2 頻域分析法的特點(diǎn)　1.7 MATLAB實(shí)現(xiàn)　　1.7.1 利用MATLAB進(jìn)行周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分解　　1.7.2 利用MATLAB進(jìn)行周期信號(hào)的頻譜分析　習(xí)題第2章 模擬信號(hào)的數(shù)字化　2.1 采樣　　2.1.1 模擬信號(hào)的特性限制　　2.1.2 采樣信號(hào)的時(shí)頻特性　2.2 頻帶受限信號(hào)的無(wú)失真采樣　　2.2.1 理想采樣　　2.2.2 理想采樣信號(hào)的頻譜　2.3 奈奎斯特采樣定理　2.4 帶通信號(hào)采樣定理　2.5 采樣信號(hào)的內(nèi)插　2.6 量化　　2.6.1 量化器的模型　　2.6.2 量化器的性能　　2.6.3 均勻量化　2.7 采樣和量化的工程實(shí)現(xiàn)　2.8 MATLAB實(shí)現(xiàn)　　2.8.1 模擬信號(hào)的數(shù)字化　　2.8.2 由采樣信號(hào)重構(gòu)模擬信號(hào)　習(xí)題第3章 離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)　3.1 時(shí)域離散信號(hào)　3.2 常用的典型序列　3.3 序列的基本運(yùn)算　3.4 線性時(shí)不變離散系統(tǒng)　　3.4.1 線性系統(tǒng)　　3.4.2 時(shí)不變系統(tǒng)　　3.4.3 單位抽樣響應(yīng)與卷積和　　3.4.4 系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性　3.5 線性常系數(shù)差分方程　　3.5.1 離散時(shí)間系統(tǒng)的差分方程　　3.5.2 線性常系數(shù)差分方程的迭代法求解　3.6 序列的傅里葉變換　　3.6.1 序列傅里葉變換的定義　　3.6.2 序列傅里葉變換的性質(zhì)　3.7 MATLAB實(shí)現(xiàn)　　3.7.1 序列信號(hào)的MATLAB實(shí)現(xiàn)　　3.7.2 常用信號(hào)的SIMULINK實(shí)現(xiàn)　　3.7.3 序列信號(hào)基本運(yùn)算的MATIAB實(shí)現(xiàn)　　3.7.4 線性常系數(shù)一階差分方程的MATLAB求解　　3.7.5 離散時(shí)間序列傅里葉變換的MATLAB實(shí)現(xiàn)　習(xí)題第4章 z變換　4.1 Z變換　　4.1.1 Z變換的定義　　4.1.2 Z變換的收斂域　4.2 Z反變換　4.3 z變換的性質(zhì)和定理　4.4 系統(tǒng)函數(shù)與差分方程　4.5 系統(tǒng)頻率響應(yīng)的幾何表示　4.6 z變換與拉普拉斯變換、傅里葉變換的關(guān)系　　4.6.1 Z變換與拉普拉斯變換之間的關(guān)系　　4.6.2 Z變換與模擬信號(hào)傅里葉變換的關(guān)系　　4.6.3 Z變換與序列信號(hào)傅里葉變換的關(guān)系　4.7 MATLAB實(shí)現(xiàn)　　4.7.1 系統(tǒng)函數(shù)零極點(diǎn)的MATLAB求解　　4.7.2 序列的Z變換和Z反變換的MATIAB求解　　4.7.3 系統(tǒng)頻譜響應(yīng)的MATLAB計(jì)算分析　習(xí)題第5章 DFT與FFT　……第6章 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)第7章 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

章節(jié)摘錄

　　第一章數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)　　傅里葉變換用來(lái)建立以時(shí)間為自變量的信號(hào)與以頻率為自變量的頻譜函數(shù)之間的某種變換關(guān)系。本章內(nèi)容是信號(hào)系統(tǒng)與數(shù)字信號(hào)處理課程的基礎(chǔ)，主要介紹信號(hào)和頻譜分析的一些基本概念，并將連續(xù)周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)、連續(xù)非周期信號(hào)的傅里葉變換以及周期信號(hào)的傅里葉變換加以聯(lián)系和對(duì)比，以便我們更好地學(xué)習(xí)離散時(shí)間序列的傅里葉變換（DTFT）、離散時(shí)間序列的傅里葉級(jí)數(shù)（DFS）和離散傅里葉變換（DFT）?！　?.1信號(hào)的基本概念1.1.1信號(hào)的定義　　人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)和改造過(guò)程都離不開(kāi)對(duì)自然界中信息的獲取。所謂信息，是指存在于客觀世界的一種事物形象，是關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的知識(shí)，一般泛指消息、情報(bào)、指令、數(shù)據(jù)、信號(hào)等有關(guān)周圍環(huán)境的知識(shí)。　　那么，什么是消息呢？所謂消息，是指用來(lái)表達(dá)信息的某種客觀對(duì)象，如電話中的聲音，電視中的圖像，雷達(dá)的目標(biāo)距離、高度、方位等參量。在我們得到一個(gè)消息之后，可能得到一定的信息，而我們所得到的信息與我們?cè)诘玫较⑶耙约暗玫较⒑髮?duì)某一事件的無(wú)知程度無(wú)關(guān)。因此，我們可把信息與消息在含義上的區(qū)別概括為：信息是消息中不確定性的消除（也就是該消息給予受信者的新知識(shí)），消息就是知道了的信息?！　∈裁词切盘?hào)呢？所謂信號(hào)，是指帶有信息的某種物理量，如電信號(hào)、光信號(hào)、聲音信號(hào)等。因此，信號(hào)是指消息的表現(xiàn)形式，而消息則是信號(hào)的具體內(nèi)容。消息一般都不是直接傳輸?shù)?，而必須借助于一定形式的信?hào)才能進(jìn)行傳輸和各種處理。由于信號(hào)是帶有信息的某種物理量，因此這些物理量的變化包含著信息?？梢?jiàn)，信號(hào)是與物理量相聯(lián)系著的。這就為我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究奠定了物理背景。換言之，我們要很好地理解某些信號(hào)，可以思考一下它對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象和蘊(yùn)涵的物理規(guī)律。信號(hào)作為帶有信息的某種物理量，可以是隨時(shí)間變化或隨空間變化的。因此，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以用一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)來(lái)表達(dá)，也可以用函數(shù)的曲線圖形，即信號(hào)的波形來(lái)表示。今后，在本課程中，將把信號(hào)與函數(shù)視做同一概念，不加區(qū)別。除了上述兩種直觀的信號(hào)描述方法以外，還可以用信號(hào)的頻譜來(lái)描述信號(hào)。通常將信號(hào)頻譜視為對(duì)信號(hào)的一種間接描述，而將其數(shù)學(xué)函數(shù)描述和波形描述視為對(duì)信號(hào)的直接描述。其實(shí)，人們一般更傾向于把頻譜作為一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的方法或者手段，而不太強(qiáng)調(diào)它也是信號(hào)的描述方法。這里，描述的含義要靈活地來(lái)理解。

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