数字信号处理 PDF下载

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内容简介

本书介绍了数字信号处理的基础知识、基本原理、基本分析方法和处理技术。具体内容包括：引言、离散时间信号与系统、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、IIR数字滤波器设计、FIR数字滤波器设计、数字信号处理系统的实现。书中每章*后小节有MATLAB例题和程序，以便学生能尽快掌握重要软件的使用；每章*后都有关键知识点概要，以便学生复习和考研时参考；书中每节都有对应知识点习题，每章结束还有综合习题，书后附有参考答案。本教材一些补充内容可以扫描二维码进行拓展学习。在编写本书时，注意处理好与“信号与系统”课程的关系，并与本书作者所编写的《信号与系统》教材在体系结构、内容衔接等方面合理安排，且采用统一的文字符号，既保证课程的完整性，又避免大量的重复。本书叙述通俗易懂，条理清晰，可作为高等院校通信工程、电子信息工程、光电技术、自动控制及计算机等专业的教材，也可供有关科技人员参考。

作者简介

1.共参加国家十多项"863”和自然基金项目研究工作；2.共参加十多项省部级新技术研究和系统研制工作；3.多次参加省级和校级教学改革工作；4.参加并主持几十家工矿企业技术改造工作，取得较好社会和经济效益。5."高性能图像与视频超分辨支撑理论与应用技术”，江苏省科学技术奖三等奖，2013年；

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目 录
第1章 引言 （1）
第2章 离散时间信号与系统 （6）
2.1 离散时间信号——序列 （6）
2.1.1 离散时间信号的表示及典型序列 （6）
2.1.2 周期序列 （7）
2.1.3 序列的运算及参数特征 （9）
2.1.4 序列的产生 （12）
2.2 离散时间信号的傅里叶变换（DTFT） （13）
2.2.1 序列DTFT的定义 （13）
2.2.2 DTFT的特点与性质 （14）
2.2.3 DTFT定理 （16）
2.3 离散时间信号的z变换 （18）
2.3.1 z变换定义及其收敛域 （18）
2.3.2 逆z变换 （20）
2.3.3 z变换的性质 （20）
2.3.4 z变换与DTFT的关系 （23）
2.4 离散时间系统 （24）
2.4.1 线性时不变（LTI）离散系统 （25）
2.4.2 LTI离散系统的单位脉冲响应 （27）
2.4.3 LTI离散系统的线性常系数差分方程 （27）
2.4.4 LTI离散系统的系统函数与频响特性 （28）
2.4.5 LTI离散系统的因果性与稳定性 （31）
2.5 离散时间系统处理连续时间信号 （33）
2.5.1 连续时间信号的数字化处理 （33）
2.5.2 连续时间信号的采样及采样定理 （34）
2.5.3 由采样序列重构带限信号 （36）
2.6 用MATLAB分析和实现离散时间信号和系统 （37）
本章关键知识点概要 （41）
综合习题 （44）
第3章 离散傅里叶变换 （47）
3.1 周期序列的离散傅里叶级数 （47）
3.1.1 4种形式的傅里叶变换 （47）
3.1.2 离散傅里叶级数 （49）
3.1.3 DFS的性质 （51）
3.2 有限长序列的DFT （54）
3.2.1 DFT的定义 （54）
3.2.2 DFT和DTFT的关系 （55）
3.2.3 频域采样 （56）
3.2.4 频域插值 （57）
3.3 DFT的性质 （59）
3.3.1 线性 （59）
3.3.2 循环移位 （59）
3.3.3 对偶性 （61）
3.3.4 圆周共轭对称性 （61）
3.3.5 循环卷积 （62）
3.3.6 帕斯瓦尔定理 （64）
3.4 用DFT实现线性卷积 （65）
3.4.1 两个有限长序列的线性卷积 （65）
3.4.2 循环卷积和线性卷积的关系 （66）
3.4.3 用DFT计算线性时不变系统的响应 （67）
3.5 连续信号的DFT分析 （68）
3.5.1 非周期连续时间信号的频谱分析 （68）
3.5.2 利用DFT对连续信号谱分析时应注意的几个问题 （69）
3.6 用MATLAB计算离散信号的DFT （72）
本章关键知识点概要 （76）
综合习题 （78）
第4章 快速傅里叶变换 （81）
4.1 DFT的运算量分析 （81）
4.2 按时间抽取的基2-FFT算法 （82）
4.2.1 算法原理 （82）
4.2.2 DIT-FFT算法特点 （85）
4.2.3 按时间抽取FFT算法的其他形式流图 （86）
4.3 按频率抽取的基2-FFT算法 （87）
4.3.1 算法原理 （87）
4.3.2 DIF-FFT算法特点 （89）
4.3.3 按频率抽取的FFT算法的其他形式流图 （90）
4.4 线性调频z变换算法 （91）
4.4.1 算法原理 （91）
4.4.2 线性调频z变换的快速算法 （92）
4.5 FFT算法的应用 （93）
4.5.1 用FFT计算IDFT （93）
4.5.2 实序列的DFT计算 （93）
4.5.3 用FFT实现线性卷积 （94）
4.6 FFT的MATLAB实现 （97）
本章关键知识点概要 （101）
综合习题 （104）
第5章 IIR数字滤波器设计 （105）
5.1 数字滤波器设计的基本概念 （105）
5.1.1 数字滤波器及其设计方法概述 （105）
5.1.2 理想数字滤波器 （106）
5.1.3 全通系统与最小相位系统 （107）
5.2 模拟滤波器的基本概念与设计方法 （110）
5.2.1 模拟滤波器的物理可实现性 （110）
5.2.2 模拟低通滤波器的设计方法 （110）
5.2.3 贝塞尔（Bessel）滤波器 （116）
5.3 IIR数字滤波器设计 （117）
5.3.1 脉冲响应不变法 （118）
5.3.2 双线性变换法 （121）
5.4 数字滤波器的频率变换 （123）
5.4.1 模拟域的频率变换 （124）
5.4.2 数字域的频率变换 （125）
5.4.3 高通、带通和带阻数字滤波器设计 （127）
5.5 用MATLAB函数设计IIR数字滤波器 （128）
本章关键知识点概要 （131）
综合习题 （133）
第6章 FIR数字滤波器设计 （135）
6.1 线性相位FIR数字滤波器的特性 （135）
6.1.1 线性相位特性 （135）
6.1.2 线性相位FIR滤波器的幅度函数 （136）
6.1.3 线性相位FIR滤波器的零点特性 （140）
6.2 窗函数设计法（时间窗口法） （141）
6.2.1 窗函数设计法的基本原理 （141）
6.2.2 几种常用的窗函数 （144）
6.3 频率采样设计法 （148）
6.3.1 频率采样法设计原理 （148）
6.3.2 频率采样法的设计步骤 （149）
6.4 FIR数字滤波器的等波纹设计 （152）
6.4.1 等波纹最佳一致设计的基本思想 （152）
6.4.2 remez函数与remezord函数 （154）
6.5 FIR滤波器与IIR滤波器的比较 （155）
6.6 用MATLAB函数设计FIR数字滤波器 （156）
本章关键知识点概要 （159）
综合习题 （160）
第7章 数字信号处理系统的实现 （162）
7.1 数字滤波器结构 （162）
7.1.1 数字滤波器的结构框图和信号流图 （162）
7.1.2 IIR数字滤波器结构 （163）
7.1.3 FIR数字滤波器结构 （167）
7.2 数的表示与量化误差 （173）
7.2.1 二进制数的表示 （173）
7.2.2 定点制的量化误差 （174）
7.3 输入信号的量化误差 （176）
7.3.1 A/D转换的量化效应 （176）
7.3.2 量化误差统计模型及信噪比 （177）
7.3.3 量化误差通过线性系统 （179）
7.4 数字滤波器的系数量化效应 （180）
7.4.1 系数量化对零、极点位置的影响 （181）
7.4.2 系数量化效应的统计分析 （182）
7.5 数字滤波器的运算量化效应 （184）
7.5.1 IIR数字滤波器的乘法运算量化效应 （185）
7.5.2 FIR数字滤波器的运算量化效应 （190）
7.5.3 IIR数字滤波器的极限环振荡效应 （191）
7.6 FFT实现中的量化误差分析 （194）
7.6.1 定点FFT计算中量化效应分析 （194）
7.6.2 定点FFT计算中输入序列的动态范围 （195）
7.7 用MATLAB分析数字信号处理系统与量化效应 （197）
本章关键知识点概要 （200）
综合习题 （202）
习题参考答案 （203）
参考文献 （211）

前沿

前；；；言
当前，“数字化”或“数码化”不再是新名词，每天每个人都在和它们打交道。它们既包括一般家庭中的电视机、影碟机、数码相机等，也包括几乎人手一部的手机，以及众多服务场合中形形色色的电脑和用户终端等，还包括专门行业的特殊诊测设备，如大多数汽车安装的卫星定位和导航设备，医院的B超、CT（X射线断层扫描）、MRI（核磁共振），石油天然气的勘探、提炼、输送设备，国防系统中的雷达和各种新式武器装备等，所有这些产品或设备，其核心技术就是本教材要讨论的“数字信号处理”。
总的说来，“数字信号处理”仍是一门年轻的学科，是随着超大规模集成电路技术和计算机技术的发明和兴起，迅速发展和应用起来的。而随着应用的广泛和深入，其发展速度及其对各门学科和社会生活方方面面的影响，都已达到了惊人的程度。因此，许多高校将“数字信号处理”课程作为电子类本科生的必修课程和研究生的学位课程。
本书作者长期从事“信号与系统”和“数字信号处理”两门课程的教学工作，这两门课程是高等学校电子信息类专业的核心课程，也是“电子信息类”课程群中的姊妹课程，前者为后者的先修课程，根据作者多年对两门课程的教学探索和实践总结，在两门课程内容体系的组成、架构和衔接等方面形成了独特的认知和理解：这对于降低学生负担、提高学习效率、在有限的学时内系统完整掌握课程内容、学习方法尤为重要。我们首先编写出版了《信号与系统》教材，并先后修订了4次，2016年推出了第5版，得到了广大高校师生的喜爱，并被国内多所大学选作教材；在此基础上，我们组织编写了这本《数字信号处理》教材；2本教材在体系结构、内容安排等方面一脉相承，并采用了统一的文字符号，便于学生阅读和学习掌握。
本教材面向理工科电子类的学生群体，主要有以下几个方面的特点：
（1）立足专业基础。教材内容必须涵盖大多数高校研究生入学考试所必需的基础内容，不追风，即不涉及或少涉及本学科的新理论和新技术，以减少篇幅，达到夯实学生专业基础的目的。本教材重点是信号频谱分析的实现——离散傅里叶变换（DFT）理论及应用方面，和系统（主要是数字滤波器）的设计和实现方面。
（2）做好桥梁纽带。“数字信号处理”是一门介于专业基础课和专业课之间的课程，教学中既强调其基础理论又说明其应用背景，把两者较好地结合起来，成为学生应用理论分析处理实践实际问题的桥梁纽带。例如关于信号的频谱分析，既强调其数学理论基础，即连续信号傅里叶变换的数学描述，但更重视实际实现，即DFT的物理实现，并关注从理论到实现过程中的一些物理现象，如分辨率、时长、采样率等参数的意义，引导具有强烈兴趣的同学能跟踪并深入实用信号（如随机信号功率谱）相关处理中的许多问题及研究发展。
（3）善用现代工具。“工欲善其事，必先利其器”，目前大量的计算机编程软件、仿真软件为数字信号处理的仿真和可视化提供了重要的工具，这些工具的使用既有利于加强学生对概念的理解，又能通过直观的展示增强学生的成就感，激发他们的学习兴趣，更是今后进一步学习和研究所不可缺少的手段。教材引入了国际流行的用于科学计算的MATLAB语言，多数例题都给出了相应的MATLAB程序，它们既说明了应用MATLAB解决信号处理问题的强大功能，又便于学生验证书中的例题和进一步利用MATLAB去完成书中的实验和习题。
（4）关键知识点总结。每门课程都有自己的重要知识点，认真归纳、总结和梳理这些知识点是学好该课程的重要环节之一。在本教材中，我们在每章的最后增加了该章关键知识点概要，使得本书不但可以作为学生每章复习的参考，而且也可用于本课程期末考试，以及研究生入学考试的总复习，在不增加本书篇幅及学生购书成本的情况下，实现了“一书多用”的效果。
（5）适应互联网的发展，部分内容以扫描二维码形式出现。由于通信与电子信息类的新知识和新技术层出不穷，原来的专业课程课时被压缩，造成许多重要知识点被删除，因此，本教材尝试将被删除的内容放在网站，有需要的学生可以通过扫描二维码得到相应的内容，进行自学从而提高其理论水平，并完善其知识结构。受教材篇幅的限制，有些例题的其他解法没有在教材中列出，同样读者可以扫描相应位置的二维码看到相关内容，更好地丰富教材的内容，扩大学生的知识面。
（6）习题合理分解。本教材将习题进行了合理分解，每节后安排适量与本节知识点相关的基本习题，方便强化相关知识点的训练，便于师生的同步课程学习；每章后设计一些综合题，通过综合习题的训练可以更好地融会贯通相关理论与方法。既方便老师布置作业，又便于学生有针对性地加强训练。
本课程的参考学时数为56学时，包含实验8学时。建议授课学时数安排：第1章1学时，第2章6学时，第3章9学时，第4章8学时，第5章10学时，第6章6学时，第7章8学时。与本教材配套的电子课件、MATLAB程序与部分习题答案，可以登录电子工业出版社的华信教育资源网：www.hxedu.com.cn免费下载。
本教材由钱玲统稿，其中第1, 2, 7章由谷亚林编写，第3, 4章由王海青编写，第5, 6章及各章有关的MATLAB内容由钱玲编写。本书由宋耀良教授审稿并提出了许多宝贵的意见，作者所在教研室的各位同仁也对本书出版提供了很多帮助，在此一并表示诚挚的谢意。

编著者；；；
于南京理工大学
作者的电子邮件地址是：qianling@mail.njust.edu.cn

作者编著的、与本教材配套的姊妹课程教材《信号与系统》（ISBN 978-7-121-31470，电子工业出版社），欢迎一并选作教材。