《数字信号处理》立足于工程应用型本科的教学实践,系统地讲授了数字信号处理的基本概念、基本原理、重要算法和实现应用。在讲授的过程中,先对离散时间信号和系统进行了时域和频域的分析,强调了DTFT、ZT、DFT等基本变换和性质,然后分析了FFT算法及其应用,另外还重点讲授了IIR DF和FIR DF两种数字滤波器的设计原理、设计方法,并分析了数字系统的结构与误差问题,最后对其他特殊滤波器、多采样技术做了介绍。作为独立章节,《数字信号处理》介绍了MATLAB及其在数字信号处理中的应用,并给出了丰富的典型程序。另外,每章均针对各知识点安排了丰富的例题和习题供读者参考。
《数字信号处理》可以作为电子信息类本科专业教材和其他相近专业的教学参考,也可以作为相关领域工程技术人员的参考书。
20世纪70年代以来,信息科学与技术的飞速发展深刻地影响和改变着人们的生活方式,随处可见的3G手机、数字电视、智能计算机、卫星遥感等领域中都有它们的应用,而数字信号处理则是其中的关键环节之一。由于数字信号处理在信息社会中获得了广泛应用并产生了巨大影响,“数字信号处理”也就成为高等院校电子信息类专业本科阶段的一门重要专业基础必修课,同时它也是其他相关学科的重要选修课程。
数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术,是模拟信号处理的发展和变革。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波,因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域,一般通过模数转换器实现;而数字信号处理的输出也经常要变换到模拟域,这是通过数模转换器实现的。数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备,如数字信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)等。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点,这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。在数字信号处理领域,工程师们常常在一些特定域中研究数字信号,如时域(一维信号)、空间域(多维信号)、频域、复频域等。
正因为数字信号处理的专业性和重要性,也就使得数字信号处理教材的编写显得非常重要。数字信号处理课程的基本体系是由A.V.奥本海姆1975年在《数字信号处理》中建立的,这是本课程的第一本综合图书,此书多次再版,后定名为《离散时间信号处理》,是本学科的经典教材,在海内外广有影响。近年,Sanjit K.Mitra的《数字信号处理——基于计算机的方法》一书吸收了数字信号处理学科的最新发展,也是颇具代表性的教材。其他国外流行的数字信号处理教材也多有引进,对国内学科的发展起到了很好的促进作用。
近三十年来,为适合我国情况自编的数字信号处理教材也有许多,虽然它们的知识体系没有超出国外的经典教材,但其教材内容和结构更加规范,更适合我国的本科教学情况。清华大学程佩青的《数字信号处理教程》和胡广书的《数字信号处理——理论、算法与实现》的知识体系最为完备,也有相当理论深度,是国内第一批教材,为我国数字信号处理学科的发展奠定了基础;西安电子科技大学高西全、丁玉美的《数字信号处理》和东南大学吴镇扬的《数字信号处理》都多次再版修订,教辅配套,流行很广。很明显,这些教材多是针对重点大学重点学科的要求编写的,对于一般院校和面向工程的应用型本科,作为参考书较好,但作为教材有时显得不太合适,所以,针对应用型本科的实际教学要求编写一本难度适中、兼顾理论深度和应用需要的教材就很必要了。
本书根据教育部电子信息类教材编审委员会制定的教学大纲编写而成,作者都是在教学一线有丰富经验的教师。文稿源于上课的教案以及教学体会,并融入作者多年来在信号处理领域的研究成果,同时参考了国内外较新的同类教材和参考文献。在此对经典数字信号处理教材和相关参考文献的作者表示衷心感谢。
本书的结构和内容安排如下:绪论主要介绍了数字信号处理的基本概念和特点,以及数字信号处理系统的基本组成和应用领域;第1章和第2章分别从时域和频域介绍和分析离散时间信号与系统的基本知识,是本书的理论基础之一;第3章讲述了离散傅里叶变换(DFT),比较了各类离散变换的关系,介绍了频域采样的基本知识以及DFT的应用问题;第4章介绍了快速傅里叶变换(FFT),包括按时间抽选(DIT)的基2 FFT算法和按频率抽选(DIF)的基2 FFT算法;第5章讲述了无限长单位脉冲响应数字滤波器(IIR DF)的设计方法,包括脉冲响应不变法和双线性变换法,以及各类在模拟域和数字域的原型变换;第6章讲述了有限长单位脉冲响应数字滤波器(FIR DF)的设计方法,主要包括窗函数法和频率采样法;第7章介绍了数字信号处理的实现,包括滤波器的结构问题以及数字信号处理中的误差问题;第8章介绍了几种特殊滤波器,分析了它们的性能特点;第9章结合前面的理论内容,介绍了MATLAB在数字信号处理中的应用,特别是数字信号与系统的分析以及数字滤波器的设计。本书参考教学时数为48~64学时,任课教师可根据具体情况安排选择使用。
本书编写人员及所负责内容为:绪论、第7章和第8章由沈卫康编写,第1章、第2章和第4章由宋红梅编写,第3章、第5章和第6章由宋宇飞编写,第9章由潘子宇和宋宇飞共同编写,魏峘提供了部分习题和图片。全书由沈卫康、宋宇飞任主编,负责统稿;宋红梅任副主编。本书的编写和出版得到了清华大学出版社和南京工程学院通信工程学院等单位的大力支持和帮助,在此表示诚挚的谢意。
由于作者的学识有限,书中难免有疏漏和不妥之处,欢迎读者批评指正,以便本教材可以进一步修订完善。
编 者
绪论
第1章 时域离散信号与系统
1.1 引言
1.2 时域离散信号——序列
1.2.1 序列的表示方法
1.2.2 常用的典型序列
1.2.3 序列的运算
1.3 时域离散系统
1.3.1 线性系统
1.3.2 时不变系统
1.3.3 线性时不变系统及其输入与输出之间的关系
1.3.4 系统的因果性和稳定性
1.4 时域离散系统的输入与输出描述——线性常系数差分方程
1.4.1 线性常系数差分方程
1.4.2 线性常系数差分方程的求解
1.5 模拟信号的数字处理方法
1.5.1 采样定理及AD转换器
1.5.2 从离散信号恢复出连续时间信号
本章小结
习题
第2章 时域离散信号与系统的频域分析
第3章 离散傅里叶变换
第4章 快速傅里叶变换
第5章 无限长单位脉冲响应数字滤波器(IIR DF)设计
第6章 有限长单位脉冲响应数字滤波器(FIR DF)设计
第8章 其他类型的数字系统
第9章 数字信号处理的MATLAB实现
参考文献