本書系統(tǒng)地闡述數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論、基本分析方法和實現(xiàn)方法。全書共8章，主要包括：緒論，離散時間信號和離散時間系統(tǒng)，離散時間信號與系統(tǒng)的變換域分析；包括離散傅里葉變換及快速算法，IIR數(shù)字濾波器設(shè)計，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器設(shè)計。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)，多速率信號處理基礎(chǔ)MATLAB仿真實驗。各章中均安排有豐富的思考題和習(xí)題。本書提供配套電子課件、習(xí)題解答和程序代碼等。
目 錄
緒論 1
0.1 信號、系統(tǒng)與信號處理 1
0.2 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成與數(shù)字信號處理學(xué)科內(nèi)容 3
0.3 數(shù)字信號處理的特點 4
0.4 數(shù)字信號處理的發(fā)展及應(yīng)用 5
第1章 離散時間信號和離散時間系統(tǒng) 7
1.1 連續(xù)時間信號的采樣 7
1.1.1 理想采樣 7
1.1.2 矩形脈沖采樣 11
1.2 離散時間信號——序列 12
1.2.1 序列的表示方法 13
1.2.2 序列的基本運算 13
1.2.3 常用典型序列 17
1.2.4 用單位脈沖序列表示任意序列 21
1.3 離散時間系統(tǒng) 21
1.3.1 線性系統(tǒng) 21
1.3.2 非移變系統(tǒng) 23
1.3.3 線性非移變系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)與線性卷積和 23
1.3.4 線性非移變系統(tǒng)的性質(zhì) 23
1.3.5 因果系統(tǒng) 24
1.3.6 穩(wěn)定系統(tǒng) 26
1.4 離散線性非移變系統(tǒng)與差分方程 28
1.4.1 用差分方程描述離散線性非移變系統(tǒng) 28
1.4.2 遞推法解差分方程 29
思考題 31
習(xí)題 31
第2章 離散時間信號與系統(tǒng)的變換域分析 34
2.1 Z變換 34
2.1.1 Z變換的定義和收斂域 34
2.1.2 逆Z變換 38
2.1.3 Z變換的性質(zhì) 43
2.2 用單邊Z變換解差分方程 50
2.3 離散時間傅里葉變換 52
2.3.1 離散時間傅里葉變換的定義 52
2.3.2 離散時間傅里葉變換的性質(zhì) 54
2.3.3 Z變換與拉普拉斯變換、離散時間傅里葉變換的關(guān)系 56
2.4 離散時間系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)和頻率響應(yīng) 58
2.4.1 系統(tǒng)函數(shù)與差分方程的關(guān)系 59
2.4.2 因果穩(wěn)定系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù) 59
2.4.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)的意義及幾何確定 61
2.4.4 數(shù)字全通系統(tǒng)與最小相移系統(tǒng) 64
思考題 69
習(xí)題 69
第3章 離散傅里葉變換及快速算法 74
3.1 傅里葉變換的幾種可能形式 74
3.2 離散傅里葉級數(shù) 77
3.2.1 離散傅里葉級數(shù)的導(dǎo)入 77
3.2.2 離散傅里葉級數(shù)的性質(zhì) 80
3.3 離散傅里葉變換 82
3.3.1 離散傅里葉變換的導(dǎo)入 83
3.3.2 DFT的性質(zhì) 85
3.3.3 DFT性質(zhì)的應(yīng)用 90
3.4 頻率采樣理論 94
3.4.1 頻率采樣 94
3.4.2 內(nèi)插 95
3.4.3 DFT與DTFT和Z變換的關(guān)系 97
3.5 利用DFT計算模擬信號的傅里葉變換 99
3.5.1 利用DFT計算模擬信號的傅里葉變換 99
3.5.2 利用DFT計算模擬信號的傅里葉變換可能造成的誤差 101
3.5.3 用DFT進行譜分析的有關(guān)參數(shù)選擇原則 104
3.6 傅里葉變換的快速算法——快速傅里葉變換FFT 104
3.6.1 DFT運算的特點及減少計算量的途徑 105
3.6.2 按時間抽取的基-2 FFT算法 106
3.6.3 按頻率抽取的基-2 FFT算法 112
3.6.4 快速傅里葉逆變換IFFT 114
3.6.5 N為復(fù)合數(shù)的FFT算法 114
3.7 線性卷積的FFT算法 117
3.7.1 有限長序列線性卷積的FFT算法 117
3.7.2 分段卷積 118
3.8 線性調(diào)頻Z變換 122
思考題 126
習(xí)題 126
第4章 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計 130
4.1 數(shù)字濾波器設(shè)計的基本概念 130
4.1.1 數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo) 130
4.1.2 數(shù)字濾波器設(shè)計的基本步驟 132
4.2 模擬濾波器的設(shè)計 132
4.2.1 由幅度平方函數(shù)確定系統(tǒng)函數(shù) 133
4.2.2 巴特沃斯模擬低通濾波器的設(shè)計 134
4.2.3 切比雪夫模擬低通濾波器的設(shè)計 137
4.2.4 橢圓濾波器 144
4.3 模擬濾波器映射成數(shù)字濾波器的方法 144
4.3.1 沖激響應(yīng)不變法 144
4.3.2 雙線性變換法 147
4.4 IIR數(shù)字濾波器的頻率變換方法 151
4.5 設(shè)計舉例 155
思考題 158
習(xí)題 159
第5章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計 161
5.1 線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點 161
5.1.1 線性相位條件 161
5.1.2 線性相位FIR濾波器的幅度特點 163
5.1.3 線性相位FIR濾波器的零點分布特點 166
5.2 窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器 167
5.2.1 設(shè)計原理 167
5.2.2 矩形窗截斷的影響 168
5.2.3 常用窗函數(shù) 170
5.2.4 窗函數(shù)法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的基本步驟 173
5.2.5 設(shè)計舉例 174
5.3 頻率采樣法設(shè)計FIR濾波器 177
5.3.1 設(shè)計原理 177
5.3.2 線性相位約束條件 177
5.3.3 過渡帶采樣的優(yōu)化設(shè)計 180
5.3.4 頻率采樣法設(shè)計線性相位FIR數(shù)字濾波器的步驟 181
*5.3.5 頻率采樣的兩種方法 183
5.4 FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)化設(shè)計 185
5.5 IIR和FIR數(shù)字濾波器的比較 189
思考題 190
習(xí)題 190
第6章 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn) 192
6.1 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) 192
6.1.1 IIR濾波器的基本結(jié)構(gòu) 193
6.1.2 FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu) 195
6.1.3 數(shù)字濾波器的格型結(jié)構(gòu) 199
6.1.4 數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu) 203
6.2 數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的有限字長效應(yīng)分析 203
6.2.1 二進制數(shù)的表示和量化 204
6.2.2 A/D變換的量化效應(yīng) 207
6.2.3 系數(shù)量化對數(shù)字濾波器的影響 211
6.2.4 數(shù)字濾波器定點制運算中的有限字長效應(yīng) 217
6.3 實時數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法 223
思考題 224
習(xí)題 224
第7章 多速率信號處理基礎(chǔ) 227
7.1 整數(shù)因子抽取 227
7.2 整數(shù)因子插值 230
7.3 采樣率的分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)換 231
7.4 多速率系統(tǒng)的多相濾波結(jié)構(gòu) 232
7.4.1 抽取器與插值器的恒等變換 232
7.4.2 抽取和插值的多相濾波器結(jié)構(gòu) 233
思考題 234
習(xí)題 235
第8章 MATLAB仿真實驗 237
8.1 實驗1 時域中的離散時間信號與系統(tǒng) 237
8.1.1 實驗?zāi)康?237
8.1.2 實驗原理 237
8.1.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 237
8.1.4 實驗內(nèi)容和步驟 244
8.1.5 實驗報告要求 244
8.2 實驗2 離散時間系統(tǒng)的響應(yīng) 245
8.2.1 實驗?zāi)康?245
8.2.2 實驗原理 245
8.2.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 246
8.2.4 實驗內(nèi)容和步驟 249
8.2.5 實驗報告要求 249
8.3 實驗3 變換域中的離散時間信號 249
8.3.1 實驗?zāi)康?249
8.3.2 實驗原理 249
8.3.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 251
8.3.5 實驗報告要求 254
8.4 實驗4 變換域中的線性移不變離散時間系統(tǒng) 254
8.4.1 實驗?zāi)康?254
8.4.2 實驗原理 254
8.4.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 255
8.4.4 實驗內(nèi)容和步驟 255
8.4.5 實驗報告要求 256
8.5 實驗5 連續(xù)時間信號的數(shù)字處理 256
8.5.1 實驗?zāi)康?256
8.5.2 實驗原理 257
8.5.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 257
8.5.4 實驗內(nèi)容和步驟 257
8.5.5 實驗報告要求 258
8.6 實驗6 數(shù)字濾波器設(shè)計 258
8.6.1 實驗?zāi)康?258
8.6.2 實驗原理 258
8.6.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 259
8.6.4 實驗內(nèi)容和步驟 263
8.6.5 實驗報告要求 264
8.7 實驗7 交互式圖形用戶界面的使用 264
8.7.1 實驗?zāi)康?264
8.7.2 實驗原理 264
8.7.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 264
8.7.4 實驗內(nèi)容 269
8.7.5 實驗報告要求 269
8.8 實驗8 有限字長效應(yīng)的MATLAB分析 270
8.8.1 實驗?zāi)康?270
8.8.2 實驗原理 270
8.8.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 270
8.8.4 實驗內(nèi)容與步驟 271
8.8.5 實驗報告要求 272
8.9 實驗9 雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測 272
8.9.1 實驗?zāi)康?272
8.9.2 實驗原理 273
8.9.3 MATLAB相關(guān)基礎(chǔ) 275
8.9.4 實驗內(nèi)容和步驟 275
8.9.5 實驗報告要求 275
參考文獻 276
第2版前言
本書是《數(shù)字信號處理》一書的第2版，第2版保留了上一版概念清晰、重點突出、論述系統(tǒng)、深入淺出、易于理解、便于自學(xué)的特點。主要修訂為：
1．對上一版各章節(jié)中部分內(nèi)容進行修訂并對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的錯誤進行訂正；
2．考慮到該課程不僅理論性強，同時具有很強的實踐性，由方敏執(zhí)筆增寫了“第8章MATLAB仿真實驗”作為實驗指導(dǎo)；
3．考慮到MATLAB有專門的書籍可查，刪除了各章中的有關(guān)MATLAB的內(nèi)容及附錄；
4．由于篇幅與學(xué)時的限制，刪除了“4.2.5模擬高通、帯通及帶阻濾波器設(shè)計”；
5．根據(jù)當(dāng)前流行的數(shù)字信號處理實現(xiàn)方法，重寫了第6.3節(jié)；
6．部分習(xí)題做了修改和增刪。
第2版不僅可作為理論教學(xué)的教材，同時也為實驗教學(xué)提供參考與指導(dǎo)。
本書可作為高等學(xué)校電子信息工程、通信工程、生物醫(yī)學(xué)工程、電氣工程、信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、自動化等專業(yè)本科生的理論課教材和實驗指導(dǎo)書，也可作為相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的參考書。
由于作者水平所限，第2版可能仍存在不少不妥甚至錯誤之處，懇請讀者批評指正。
作 者
2014年6月于重慶大學(xué)
前 言
數(shù)字信號處理是高等學(xué)校電子與電氣類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)該掌握數(shù)字信號處理的基本理論、基本知識和基本方法。本書根據(jù)教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會對數(shù)字信號處理課程的教學(xué)基本要求，詳盡地闡述了數(shù)字信號處理領(lǐng)域中的基本概念、基本理論、基本分析方法和設(shè)計實現(xiàn)方法。
本書包括7章。第1章討論從連續(xù)到離散的過渡——連續(xù)時間信號的采樣，離散時間信號與系統(tǒng)的一些基本概念、基本表達、基本運算及差分方程的建立與時域求解；第2章討論離散時間信號和離散時間系統(tǒng)的變換域分析方法包括Z變換和離散時間傅里葉變換，研究離散時間系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)和頻率響應(yīng)；第3章涉及數(shù)字譜分析，包括離散傅里葉變換及其快速算法研究；第4章和第5章討論數(shù)字濾波器設(shè)計的理論和方法，第4章討論IIR數(shù)字濾波器設(shè)計，第5章討論FIR數(shù)字濾波器設(shè)計；第6章討論數(shù)字信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)問題，包括數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號處理中的有限字長效應(yīng)以及數(shù)字信號處理的軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)簡介。第7章討論多速率信號處理基礎(chǔ)，主要涉及整數(shù)因子抽取和插值，有理數(shù)倍的采樣率轉(zhuǎn)換和濾波器多相結(jié)構(gòu)�？紤]到MATLAB作為數(shù)字信號處理研究中的重要工具使用頻繁，本書在各章中均有運用MATLAB來完成相應(yīng)的分析運算的內(nèi)容，希望能有助于讀者對原理的理解與方法的掌握。最后在本書的附錄中給出了MATLAB簡介，以翤讀者。
本書受重慶市教改課題 “信號與信息處理課程群立體化資源建設(shè)與共享”和“重慶大學(xué)十一五教材基金”資助。田逢春教授審讀了全書，并提出了寶貴的修改意見，方敏老師、仲元紅老師、吳華老師站在任課教師的角度，也提出了寶貴的意見，裴光術(shù)、梁輝、運明華、張松、袁虎、李波、劉海峰、楊毅、王雅蘭等在本書的繪圖、計算機程序的編寫、資料收集及最后的編排等方面做了大量的工作，在此一并表示感謝！
限于作者的水平，不妥及錯誤之處在所難免，懇切希望讀者予以批評指正。
作 者
2010年11月于重慶大學(xué)
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