本書主要在《時域離散信號處理》(國防科技大學(xué)出版社,1994年出版)的基礎(chǔ)上進行改寫。與原版相比,新版的改進和特點主要體現(xiàn)在以下四個方面:
第一,對原版結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整和優(yōu)化。將數(shù)字信號處理從內(nèi)容上劃分為離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器兩大模塊,按照“算法→應(yīng)用→快速算法(FFT)”介紹離散傅里葉變換,按照“IIR→FIR→實現(xiàn)”介紹數(shù)字濾波器。
第二,突出數(shù)字信號處理對象的重要特點,不過多重復(fù)前修課程內(nèi)容。按照“時域分析→頻域分析→z域分析”的思路,對“信號與系統(tǒng)”中離散時間信號與系統(tǒng)的知識點進行了歸納和總結(jié),強調(diào)數(shù)字信號處理的主要對象是時域離散且有限長的一段信號樣本。
第三,增加了大量MATLAB例程。MATLAB交互性好,集成度高,易于上手,號稱“草稿紙”式的編程語言,也是深入理解數(shù)字信號處理的一把“萬能鑰匙”。本書大部分例題都采取先進行理論分析和解答,再用MATLAB仿真驗證的思路,全部MATLAB源代碼都可以在配套實驗教材《信號處理仿真實驗》(第二版)(清華大學(xué)出版社,2020年出版)中掃描二維碼下載。
第四,增加了信號處理雜談。實事求是地說,傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理課程概念抽象,公式偏多,是一門令人“望而生畏”的專業(yè)基礎(chǔ)課。出版本書的一個重要目的就是要把數(shù)字信號處理建設(shè)成為一門“有溫度”的課程,因此最后一章專門收集整理了一些有關(guān)信號處理的人物軼事、歷史鉤沉和奇談怪論,以饗讀者。
本書一共9章,其中第1章為緒論,第2章復(fù)習(xí)前修課程內(nèi)容,第3~5章介紹離散傅里葉變換,第6~8章介紹數(shù)字濾波器,第9章為信號處理雜談,具體內(nèi)容安排如下:
第1章主要介紹數(shù)字信號處理的發(fā)展歷史、特點和常見應(yīng)用,給出數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本框架,并詳細介紹模擬頻率、模擬角頻率和數(shù)字頻率這三種頻率的定義和關(guān)系。
第2章主要復(fù)習(xí)歸納離散時間信號與系統(tǒng)的內(nèi)容。首先復(fù)習(xí)模擬信號的采樣與插值重構(gòu),然后按照時域、頻域和z域的順序,分別對離散時間信號與離散時間系統(tǒng)進行分析。
第3章主要介紹離散傅里葉變換(DFT)的理論和性質(zhì)。首先介紹周期序列的離散傅里葉級數(shù),在此基礎(chǔ)上引出有限長序列的離散傅里葉變換,重點介紹離散傅里葉變換的定義和性質(zhì),最后介紹頻域采樣定理和線性調(diào)頻z變換算法。
第4章主要介紹離散傅里葉變換的應(yīng)用,包括利用離散傅里葉變換來分析模擬信號的頻譜,利用離散傅里葉變換來計算兩個有限長序列的線性卷積和線性相關(guān)。
第5章主要介紹離散傅里葉變換的快速算法,即快速傅里葉變換(FFT)。首先分析離散傅里葉變換的運算復(fù)雜度和運算特點,給出算法提速的可能途徑,隨后介紹按時間抽取的FFT算法(DITFFT)和按頻率抽取的FFT算法(DIFFFT),包括算法流程、特點和運算量,最后介紹FFT算法在工程實現(xiàn)中的一些經(jīng)驗技巧。由于FFT算法是“加速版”的DFT算法,關(guān)于DFT算法的應(yīng)用,都可以(應(yīng)該)用FFT算法來實現(xiàn)。
第6章主要介紹無限長單位脈沖響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計。首先介紹數(shù)字濾波器的基本概念,包括數(shù)字濾波器的分類、技術(shù)指標的定義以及設(shè)計的一般步驟,隨后介紹模擬原型低通濾波器的設(shè)計和模擬域頻率變換方法,最后介紹如何將設(shè)計好的模擬濾波器映射為數(shù)字濾波器,包括脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。
第7章主要介紹有限長單位脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計。首先介紹線性相位FIR數(shù)字濾波器的特點及約束條件,隨后介紹通過窗函數(shù)法和頻率采樣法來設(shè)計線性相位的FIR數(shù)字濾波器,最后對IIR和FIR數(shù)字濾波器的特點和應(yīng)用情況進行對比。
第8章主要介紹數(shù)字濾波器的實現(xiàn),包括數(shù)字濾波器的各種實現(xiàn)結(jié)構(gòu),以及在實現(xiàn)過程中遇到的量化效應(yīng)問題。首先介紹IIR數(shù)字濾波器的5種基本結(jié)構(gòu)和FIR數(shù)字濾波器的5種基本結(jié)構(gòu),隨后介紹量化誤差的來源、數(shù)字濾波器的系數(shù)量化效應(yīng)和極點位置靈敏度,最后介紹數(shù)字濾波器運算中的有限字長效應(yīng),并給出降低量化累積誤差的建議。
第9章給出了一些有趣的信號處理雜談,包括采樣定理的命名之爭,幾經(jīng)波折才誕生的離散傅里葉變換思想,天才高斯有機會改寫信號處理的歷史等。本章內(nèi)容大多來源于傳說或典故,或者來自于互聯(lián)網(wǎng)上的高談闊論,也包括作者多年的教學(xué)總結(jié)和經(jīng)驗,仁者見仁,智者見智,請大家批判閱讀,不要迷信。
“數(shù)字信號處理”是一門與工程實踐緊密結(jié)合的專業(yè)基礎(chǔ)課,基本知識點包括離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器,落腳點就是各種工程實踐,因此必須堅持“從工程實踐中來,到工程實踐中去”的學(xué)習(xí)理念。課堂上學(xué)到的各種理論和算法,不僅需要通過適量的習(xí)題來鞏固和加深理解,更需要通過實驗來驗證,最終目的就是能夠解決工程實踐問題。在工程實踐中,通過軟件編程、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、外場試驗和數(shù)據(jù)處理等,可以反過來加深或修正自己的理解,真正做到知行合一。
本書可作為高等院校電子信息類本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課教材,也可供信號處理領(lǐng)域工程技術(shù)人員參考。本課程的教學(xué)參考學(xué)時為56學(xué)時,其中理論授課38學(xué)時,上機實驗18學(xué)時。建議學(xué)時安排為: 第1章2學(xué)時,第2章2學(xué)時,第3章4學(xué)時,第4章6學(xué)時,第5章4學(xué)時,第6章6學(xué)時,第7章6學(xué)時,第8章4學(xué)時,在第5章和第8章講授完畢后,可分別進行2學(xué)時的隨堂測試,第9章供學(xué)生課外自行閱讀。
本書在編寫過程中參考了國內(nèi)外眾多同行的優(yōu)秀教材,吸取了歷年來聽課專家和選課學(xué)生的寶貴建議,還采納了微信公眾號、知乎、百度百科、個人網(wǎng)站、論壇等互聯(lián)網(wǎng)上的豐富資源。
皇甫堪教授、樓生強教授、吳京教授、辛勤副教授、安成錦副教授、游鵬副教授先后提出了大量寶貴建議,博士生陳沛鉑、徐國權(quán)、禚江浩、張一帆,碩士生顧尚泰、蔣博、元志安、周笑宇、劉心溥等參與了文稿校對、圖形繪制、程序驗證等工作,在此一并表示感謝。老同學(xué)鄧彬為本書題寫了書名,在此表示感謝。清華大學(xué)出版社文怡編輯與作者進行了大量的溝通,在此表示誠摯的謝意。
限于作者本身的學(xué)識和經(jīng)驗,書中難免有錯誤和疏漏之處,懇請廣大讀者和專家不吝賜教。
作者
于長沙·德雅村·國防科技大學(xué)
2020年7月
第1章緒論
1.1數(shù)字信號處理簡介
1.2數(shù)字信號處理系統(tǒng)基本框架
1.3本書內(nèi)容安排
第2章離散時間信號與系統(tǒng)
2.1模擬信號的采樣與插值重構(gòu)
2.1.1模擬信號的理想采樣
2.1.2模擬信號的實際采樣
2.1.3模擬信號的插值重構(gòu)
2.2時域分析
2.2.1常用的典型序列
2.2.2序列的周期性
2.2.3線性時不變系統(tǒng)
2.2.4穩(wěn)定系統(tǒng)和因果系統(tǒng)
2.2.5常系數(shù)線性差分方程
2.3頻域分析
2.3.1離散時間傅里葉變換(DTFT)
2.3.2幾種傅里葉變換的關(guān)系
2.3.3系統(tǒng)的頻率響應(yīng)
2.4z域分析
2.4.1z變換與z反變換
2.4.2z變換的性質(zhì)
2.4.3z變換與其他變換的關(guān)系
2.4.4系統(tǒng)函數(shù)
習(xí)題
第3章離散傅里葉變換(DFT)
3.1周期序列的離散傅里葉級數(shù)(DFS)
3.1.1離散傅里葉級數(shù)的定義
3.1.2離散傅里葉級數(shù)的性質(zhì)
3.2有限長序列的離散傅里葉變換(DFT)
3.2.1離散傅里葉變換的定義
3.2.2離散傅里葉變換與其他變換的關(guān)系
3.2.3圓周移位與圓周卷積
3.3離散傅里葉變換的性質(zhì)
3.4頻域采樣定理
3.4.1頻域采樣
3.4.2頻域插值重構(gòu)
3.5線性調(diào)頻z變換(CZT)
習(xí)題
第4章離散傅里葉變換的應(yīng)用
4.1分析模擬信號的頻譜
4.1.1頻譜的近似過程
4.1.2增加數(shù)據(jù)長度: 提高頻譜分辨率
4.1.3數(shù)據(jù)補零: 提高頻譜采樣密度
4.2計算有限長序列的線性卷積
4.2.1線性卷積和圓周卷積的關(guān)系
4.2.2重疊相加法和重疊保留法
4.3計算線性相關(guān)
習(xí)題
第5章快速傅里葉變換(FFT)
5.1DFT運算復(fù)雜度分析
5.1.1DFT的運算瓶頸
5.1.2DFT的運算特點
5.2按時間抽。―IT)的FFT算法
5.2.1算法原理
5.2.2算法特點
5.2.3運算量分析
5.3按頻率抽。―IF)的FFT算法
5.4FFT算法的應(yīng)用技巧
習(xí)題
第6章無限長單位脈沖響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計
6.1數(shù)字濾波器的基本概念
6.1.1數(shù)字濾波器的分類
6.1.2數(shù)字濾波器的技術(shù)指標
6.1.3數(shù)字濾波器的設(shè)計概述
6.2模擬原型低通濾波器的設(shè)計
6.2.1模擬低通巴特沃思濾波器
6.2.2模擬低通切比雪夫Ⅰ型、Ⅱ型濾波器
6.2.3模擬低通橢圓濾波器
6.3模擬域頻率變換
6.3.1歸一化低通→低通
6.3.2歸一化低通→高通
6.3.3歸一化低通→帶通
6.3.4歸一化低通→帶阻
6.4模擬濾波器映射為數(shù)字濾波器
6.4.1脈沖響應(yīng)不變法
6.4.2雙線性變換法
習(xí)題
第7章有限長單位脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計
7.1線性相位FIR數(shù)字濾波器的特點
7.1.1線性相位的約束條件
7.1.2幅度函數(shù)的特點
7.1.3零點位置的特點
7.2窗函數(shù)設(shè)計法
7.2.1設(shè)計原理
7.2.2六種常見的窗函數(shù)
7.2.3設(shè)計實例
7.3頻率采樣設(shè)計法
7.3.1設(shè)計原理
7.3.2誤差分析與改進措施
7.4IIR與FIR數(shù)字濾波器的比較
7.4.1特點對比
7.4.2發(fā)展對比
習(xí)題
第8章數(shù)字濾波器的實現(xiàn)
8.1數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的表示方法
8.2IIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)
8.2.1直接Ⅰ型
8.2.2直接Ⅱ型(典范型)
8.2.3級聯(lián)型
8.2.4并聯(lián)型
8.2.5轉(zhuǎn)置型
8.3FIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)
8.3.1直接型(卷積型、橫截型)
8.3.2線性相位型
8.3.3級聯(lián)型
8.3.4頻率采樣型
8.3.5快速卷積型
8.4量化與量化誤差
8.4.1數(shù)的二進制表示
8.4.2定點制的量化誤差
8.4.3量化噪聲通過線性時不變系統(tǒng)
8.5數(shù)字濾波器的系數(shù)量化效應(yīng)
8.6數(shù)字濾波器運算中的有限字長效應(yīng)
習(xí)題
第9章信號處理雜談
9.1數(shù)字信號處理與DSP
9.2采樣定理命名之爭
9.3頻率家族
9.4z域是什么域
9.5那些年,我們一起學(xué)過的傅里葉
9.6藏在高斯筆記里的FFT算法
9.7不得不說的分貝
9.8生活中的濾波器
9.9無處不在的噪聲
附錄A本書符號
附錄B本書所用MATLAB函數(shù)總結(jié)
參考文獻