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數(shù)字信號處理-原理.算法與應(yīng)用-(第四版)
本書全面系統(tǒng)地闡述了數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)知識,其中前10章講述了確定性數(shù)字信號處理的知識,包括離散時間信號及系統(tǒng)的介紹、z變換、傅里葉變換、頻率分析以及濾波器設(shè)計等。后4章則介紹了隨機數(shù)字信號處理的知識,主要學習多速率數(shù)字信號處理、線性預(yù)測、自適應(yīng)濾波以及功率譜估計。本書內(nèi)容全面豐富、系統(tǒng)性強、概念清晰。敘述深入淺出,為了幫助讀者深刻理解基本理論和分析方法,書中列舉了大量的精選例題,同時還給出了許多基于MATLAB的仿真實驗。另外,在各章的最后還附有習題,以幫助讀者進一步鞏固所學知識。
本書是數(shù)字信號處理的經(jīng)典教材,作者Proakis是數(shù)字信號處理領(lǐng)域的知名作者
第1章 緒論
1.1 信號、系統(tǒng)及信號處理 1.1.1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成 1.1.2 數(shù)字信號處理與模擬信號處理相比的優(yōu)點 1.2 信號分類 1.2.1 多通道信號與多維信號 1.2.2 連續(xù)時間信號和離散時間信號 1.2.3 連續(xù)值信號與離散值信號 1.2.4 確定性信號與隨機信號 1.3 連續(xù)時間信號與離散時間信號中的頻率概念 1.3.1 連續(xù)時間正弦信號 1.3.2 離散時間正弦信號 1.3.3 諧相關(guān)的復(fù)指數(shù)信號 1.4 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換 1.4.1 模擬信號采樣 1.4.2 采樣定理 1.4.3 連續(xù)幅度信號的量化 1.4.4 正弦信號的量化 1.4.5 量化采樣信號的編碼 1.4.6 數(shù)模轉(zhuǎn)換 1.4.7 數(shù)字信號與系統(tǒng)及離散時間信號與系統(tǒng)的分析 1.5 小結(jié)與參考文獻 習題 第2章 離散時間信號與系統(tǒng) 2.1 離散時間信號 2.1.1 離散時間信號的基本元素 2.1.2 離散時間信號的分類 2.1.3 離散時間信號的簡單處理 2.2 離散時間系統(tǒng) 2.2.1 系統(tǒng)的輸入-輸出描述 2.2.2 離散時間系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖表示 2.2.3 離散時間系統(tǒng)的分類 2.2.4 離散時間系統(tǒng)的互連 2.3 離散時間線性時不變系統(tǒng)的分析 2.3.1 線性系統(tǒng)的分析方法 2.3.2 離散時間信號分解為沖激信號 2.3.3 LTI系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng):卷積和 2.3.4 卷積的性質(zhì)以及LTI系統(tǒng)的互連 2.3.5 因果LTI系統(tǒng) 2.3.6 線性時不變系統(tǒng)的穩(wěn)定性 2.3.7 有限長和無限長沖激響應(yīng)的系統(tǒng) 2.4 由差分方程描述的離散時間系統(tǒng) 2.4.1 遞歸和非遞歸的離散時間系統(tǒng) 2.4.2 由常系數(shù)差分方程描述的線性時不變系統(tǒng)的特性 2.4.3 線性常系數(shù)差分方程的解 2.4.4 線性時不變遞歸系統(tǒng)的沖激響應(yīng) 2.5 離散時間系統(tǒng)的實現(xiàn) 2.5.1 線性時不變系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 2.5.2 FIR系統(tǒng)的遞歸和非遞歸實現(xiàn) 2.6 離散時間信號的相關(guān)性 2.6.1 互相關(guān)和自相關(guān)序列 2.6.2 自相關(guān)和互相關(guān)序列的性質(zhì) 2.6.3 周期序列的相關(guān)性 2.6.4 輸入-輸出相關(guān)序列 2.7 小結(jié)與參考文獻 習題 第3章 z變換及其在線性時不變系統(tǒng)分析中的應(yīng)用 3.1 z變換 3.1.1 z正變換 3.1.2 z逆變換 3.2 z變換的性質(zhì) 3.3 有理z變換 3.3.1 極點和零點 3.3.2 因果信號的極點位置和時域行為 3.3.3 線性時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù) 3.4 z逆變換 3.4.1 圍線積分法求z逆變換 3.4.2 冪級數(shù)展開法求z逆變換 3.4.3 部分分式展開法求z逆變換 3.4.4 有理z變換的分解 3.5 z域線性時不變系統(tǒng)的分析 3.5.1 有理系統(tǒng)函數(shù)的系統(tǒng)響應(yīng) 3.5.2 暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 3.5.3 因果性和穩(wěn)定性 3.5.4 零極點抵消 3.5.5 多階極點和穩(wěn)定性 3.5.6 二階系統(tǒng)的穩(wěn)定性 3.6 單邊z變換 3.6.1 定義和性質(zhì) 3.6.2 差分方程的求解 3.6.3 具有非零初始條件的零極點系統(tǒng)的響應(yīng) 3.7 小結(jié)與參考文獻 習題 第4章 信號的頻率分析 4.1 連續(xù)時間信號的頻率分析 4.1.1 連續(xù)時間周期信號的傅里葉級數(shù) 4.1.2 周期信號的功率密度譜 4.1.3 連續(xù)時間非周期信號的傅里葉變換 4.1.4 非周期信號的能量密度譜 4.2 離散時間信號的頻率分析 4.2.1 離散時間周期信號的傅里葉級數(shù) 4.2.2 周期信號的功率密度譜 4.2.3 離散時間非周期信號的傅里葉變換 4.2.4 傅里葉變換的收斂性 4.2.5 非周期信號的能量密度譜 4.2.6 傅里葉變換和z變換的關(guān)系 4.2.7 倒譜 4.2.8 單位圓上有極點的信號的傅里葉變換 4.2.9 信號的頻域分類:帶寬的概念 4.2.10某些自然信號的頻率范圍 4.3 頻域和時域的信號特性 4.4 離散時間信號傅里葉變換的性質(zhì) 4.4.1 傅里葉變換的對稱性質(zhì) 4.4.2 傅里葉變換的定理和性質(zhì) 4.5 小結(jié)與參考文獻 習題 第5章 LTI系統(tǒng)的頻域分析 5.1 線性時不變系統(tǒng)的頻域特性 5.1.1 對復(fù)指數(shù)和正弦信號的響應(yīng):頻率響應(yīng)函數(shù) 5.1.2 正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng) 5.1.3 周期輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 5.1.4 非周期輸入信號的響應(yīng) 5.2 LTI系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 5.2.1 具有有理系統(tǒng)函數(shù)系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 5.2.2 頻率響應(yīng)函數(shù)的計算 5.3 LTI系統(tǒng)輸出的相關(guān)函數(shù)和頻譜 5.3.1 輸入-輸出相關(guān)函數(shù)和頻譜 5.3.2 隨機輸入信號的相關(guān)函數(shù)和功率譜 5.4 作為頻率選擇濾波器的線性時不變系統(tǒng) 5.4.1 理想濾波器特性 5.4.2 低通、高通和帶通濾波器 5.4.3 數(shù)字諧振器 5.4.4 槽口濾波器 5.4.5 梳狀濾波器 5.4.6 全通濾波器 5.4.7 數(shù)字正弦振蕩器 5.5 逆系統(tǒng)和去卷積 5.5.1 線性時不變系統(tǒng)的可逆性 5.5.2 最小相位、最大相位及混合相位系統(tǒng) 5.5.3 系統(tǒng)辨識與去卷積 5.5.4 同態(tài)去卷積 5.6 小結(jié)與參考文獻 習題 第6章 信號的采樣與重建 6.1 理想的連續(xù)時間信號采樣與重建 6.2 連續(xù)時間信號的離散時間處理 6.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 6.3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 6.3.2 量化與編碼 6.3.3 量化誤差分析 6.3.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 6.4 連續(xù)時間帶通信號的采樣與重建 6.4.1 均勻或一階采樣 6.4.2 交叉或非均勻二階采樣 6.4.3 帶通信號的表示 6.4.4 利用帶通信號表示進行采樣 6.5 離散時間信號采樣 6.5.1 離散時間信號采樣和插值 6.5.2 帶通離散時間信號表示和采樣 6.6 過采樣A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器 6.6.1 過采樣A/D轉(zhuǎn)換器 6.6.2 過采樣D/A轉(zhuǎn)換器 6.7 小結(jié)與參考文獻 習題 第7章 離散傅里葉變換的特性及應(yīng)用 7.1 頻域采樣:離散傅里葉變換 7.1.1 離散時間信號的頻域采樣和重建 7.1.2 離散傅里葉變換 7.1.3 DFT是線性變換 7.1.4 DFT與其他變換的關(guān)系 7.2 DFT的性質(zhì) 7.2.1 周期性、線性和對稱性 7.2.2 兩個DFT的乘法和圓周卷積 7.2.3 DFT的其他性質(zhì) 7.3 基于DFT的線性濾波算法 7.3.1 在線性濾波中使用DFT 7.3.2 長數(shù)據(jù)序列濾波 7.4 利用DFT對信號進行頻率分析 7.5 離散余弦變換 7.5.1 FDCT 7.5.2 IDCT 7.5.3 DCT是正交變換 7.6 小結(jié)與參考文獻 習題 第8章 DFT的有效計算:快速傅里葉變換算法 8.1 DFT的有效計算:FFT算法 8.1.1 直接計算DFT 8.1.2 用分而治之的方法計算DFT 8.1.3 基2 FFT算法 8.1.4 基4 FFT算法 8.1.5 分裂基FFT算法 8.1.6 FFT算法的實現(xiàn) 8.2 FFT算法的應(yīng)用 8.2.1 有效計算兩個實序列的DFT 8.2.2 有效計算2N點實序列的DFT 8.2.3 FFT算法在線性濾波與相關(guān)分析中的應(yīng)用 8.3 用線性濾波法計算DFT 8.3.1 Goertzel算法 8.3.2 調(diào)頻z變換算法 8.4 DFT計算中的量化效應(yīng) 8.4.1 直接計算DFT的量化誤差 8.4.2 FFT算法的量化誤差 8.5 小結(jié)與參考文獻 習題 第9章 離散時間系統(tǒng)的實現(xiàn) 9.1 離散時間系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 9.2 FIR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 9.2.1 直接型結(jié)構(gòu) 9.2.2 級聯(lián)型結(jié)構(gòu) 9.2.3 頻率采樣結(jié)構(gòu) 9.2.4 格型結(jié)構(gòu) 9.3 IIR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 9.3.1 直接型結(jié)構(gòu) 9.3.2 信號流圖和轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu) 9.3.3 級聯(lián)型結(jié)構(gòu) 9.3.4 并聯(lián)型結(jié)構(gòu) 9.3.5 IIR系統(tǒng)的格型結(jié)構(gòu)和格型梯狀結(jié)構(gòu) 9.4 數(shù)的表示 9.4.1 數(shù)的定點表示 9.4.2 二進制數(shù)的浮點表示 9.4.3 舍入與截尾引起的誤差 9.5 濾波器系數(shù)的量化效應(yīng) 9.5.1 濾波器系數(shù)量化效應(yīng)的敏感度分析 9.5.2 FIR濾波器的系數(shù)量化 9.6 數(shù)字濾波器中的舍入效應(yīng) 9.6.1 遞歸系統(tǒng)的極限環(huán)振蕩 9.6.2 尺度變換以防止溢出 9.6.3 數(shù)字濾波器定點實現(xiàn)中量化效應(yīng)的統(tǒng)計描述 9.7 小結(jié)與參考文獻 習題 第10章 數(shù)字濾波器設(shè)計 10.1 整體考慮 10.1.1 因果性及其含義 10.1.2 實際選頻濾波器的特性 10.2 FIR濾波器的設(shè)計 10.2.1 對稱和反對稱的FIR濾波器 10.2.2 使用窗函數(shù)設(shè)計線性相位FIR濾波器 10.2.3 采用頻率采樣方法設(shè)計線性相位FIR濾波器 10.2.4 最優(yōu)等紋波線性相位FIR濾波器的設(shè)計 10.2.5 FIR微分器設(shè)計 10.2.6 希爾伯特變換器的設(shè)計 10.2.7 線性相位FIR濾波器設(shè)計方法的比較 10.3 從模擬濾波器設(shè)計IIR濾波器 10.3.1 用導(dǎo)數(shù)逼近設(shè)計IIR濾波器 10.3.2 用沖激不變設(shè)計IIR濾波器 10.3.3 利用雙線性變換設(shè)計IIR濾波器 10.3.4 通用模擬濾波器的特性 10.3.5 基于雙線性變換的數(shù)字濾波器設(shè)計的一些例子 10.4 頻率變換 10.4.1 模擬域頻率變換 10.4.2 數(shù)字域頻率變換 10.5 小結(jié)與參考文獻 習題 第11章 多速率數(shù)字信號處理 11.1 引言 11.2 以因子D抽取 11.3 以因子I內(nèi)插 11.4 以有理因子I/D轉(zhuǎn)換采樣率 11.5 采樣率轉(zhuǎn)換的實現(xiàn) 11.5.1 多相濾波器結(jié)構(gòu) 11.5.2 濾波器和下采樣器/上采樣器的相互交換 11.5.3 利用級聯(lián)積分器的梳狀濾波器轉(zhuǎn)換采樣率 11.5.4 抽取和內(nèi)插濾波器的多相結(jié)構(gòu) 11.5.5 有理采樣率轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu) 11.6 采樣率轉(zhuǎn)換的多級實現(xiàn) 11.7 帶通信號的采樣率轉(zhuǎn)換 11.8 以任意因子的采樣率轉(zhuǎn)換 11.8.1 利用多相內(nèi)插器任意重采樣 11.8.2 利用Farrow濾波器結(jié)構(gòu)任意重采樣 11.9 多速率信號處理的應(yīng)用 11.9.1 移相器的設(shè)計 11.9.2 不同采樣率數(shù)字系統(tǒng)的接口技術(shù) 11.9.3 窄帶低通濾波器的實現(xiàn) 11.9.4 語音信號子帶編碼 11.10數(shù)字濾波器組 11.10.1 均勻濾波器組的多相結(jié)構(gòu) 11.10.2 復(fù)用轉(zhuǎn)接器 11.11雙通道正交鏡像濾波器組 11.11.1 消除混疊效應(yīng) 11.11.2 準確重構(gòu)的條件 11.11.3 QMF組的多相形式 11.11.4 線性相位FIR QMF組 11.11.5 IIR QMF組 11.11.6 準確重構(gòu)雙通道FIR QMF組 11.11.7 子帶編碼中的雙通道QMF組 11.12M通道QMF組 11.12.1 無混疊和準確重構(gòu)的條件 11.12.2 M通道QMF組的多相形式 11.13小結(jié)與參考文獻 習題 第12章 線性預(yù)測和最優(yōu)線性濾波器 12.1 隨機信號、相關(guān)函數(shù)和功率譜 12.1.1 隨機過程 12.1.2 平穩(wěn)隨機過程 12.1.3 統(tǒng)計(集合)平均 12.1.4 聯(lián)合隨機過程的統(tǒng)計平均 12.1.5 功率譜密度 12.1.6 離散時間隨機信號 12.1.7 離散時間隨機過程的時間平均 12.1.8 均值遍歷過程 12.1.9 相關(guān)遍歷過程 12.2 平穩(wěn)隨機過程的修正表示 12.2.1 有理功率譜 12.2.2 濾波器參數(shù)和自相關(guān)序列的關(guān)系 12.3 前向和后向線性預(yù)測 12.3.1 前向線性預(yù)測 12.3.2 后向線性預(yù)測 12.3.3 格型前向和后向預(yù)測器的最優(yōu)反射系數(shù) 12.3.4 AR過程和線性預(yù)測的關(guān)系 12.4 正規(guī)方程的解 12.4.1 Levinson-Durbin算法 12.4.2 Schur算法 12.5 線性預(yù)測誤差濾波器的性質(zhì) 12.6 AR格型和ARMA格梯型濾波器 12.6.1 AR格型結(jié)構(gòu) 12.6.2 ARMA過程和格梯型濾波器 12.7 用于濾波和預(yù)測的維納濾波器 12.7.1 FIR維納濾波器 12.7.2 線性均方估計的正交性原理 12.7.3 IIR維納濾波器 12.7.4 非因果維納濾波器 12.8 小結(jié)與參考文獻 習題 第13章 自適應(yīng)濾波器 13.1 自適應(yīng)濾波器的應(yīng)用 13.1.1 系統(tǒng)標識或系統(tǒng)模型 13.1.2 自適應(yīng)通道均衡器 13.1.3 電話通道數(shù)據(jù)傳輸中的回聲消除 13.1.4 對寬帶信號中的窄帶干擾的抑制 13.1.5 自適應(yīng)線譜增強器 13.1.6 自適應(yīng)噪聲消除 13.1.7 語音信號的線性預(yù)測編碼 13.1.8 自適應(yīng)陣列 13.2 自適應(yīng)直接型FIR濾波器——LMS算法 13.2.1 最小均方誤差準則 13.2.2 LMS算法 13.2.3 隨機梯度相關(guān)算法 13.2.4 LMS算法的性質(zhì) 13.3 自適應(yīng)直接型濾波器——RLS算法 13.3.1 RLS算法 13.3.2 LDU因式分解與平方根算法 13.3.3 快速RLS算法 13.3.4 直接型RLS算法的性質(zhì) 13.4 自適應(yīng)格子-梯型濾波器 13.4.1 遞歸最小二乘方格子-梯型算法 13.4.2 其他格型算法 13.4.3 格子-梯型算法的性質(zhì) 13.5 小結(jié)與參考文獻 習題 第14章 功率譜估計 14.1 基于有限長信號觀察的功率譜估計 14.1.1 能量密度譜計算 14.1.2 隨機信號的自相關(guān)和功率譜估計:周期圖 14.1.3 使用DFT的功率譜估計 14.2 功率譜估計的非參數(shù)化方法 14.2.1 Bartlett方法:平均周期圖 14.2.2 Welch方法:平均修正的周期圖 14.2.3 Blackman和Tukey圖基方法:平滑周期圖 14.2.4 非參數(shù)的功率譜估計器的性能特征 14.2.5 非參數(shù)的功率譜估計器的計算需求 14.3 功率譜估計的參數(shù)化方法 14.3.1 自相關(guān)和模型參數(shù)之間的關(guān)系 14.3.2 AR模型參數(shù)的Yule-Walker求解方法 14.3.3 AR模型參數(shù)的Burg求解方法 14.3.4 AR模型參數(shù)的非約束條件的最小二乘方求解方法 14.3.5 AR模型參數(shù)的順序估計方法 14.3.6 AR模型階數(shù)的選擇 14.3.7 功率譜估計的MA模型 14.3.8 功率譜估計的ARMA模型 14.3.9 一些實驗結(jié)果 14.4 濾波器組方法 14.4.1 周期圖的濾波器組實現(xiàn) 14.4.2 最小方差譜估計 14.5 功率譜估計的本征分析方法 14.5.1 Pisarenko 諧波分解方法 14.5.2 具有白噪聲的正弦信號的自相關(guān)矩陣的本征分解 14.5.3 MUSIC算法 14.5.4 ESPRIT 算法 14.5.5 階數(shù)選擇準則 14.5.6 實驗結(jié)果 14.6 小結(jié)與參考文獻 習題 附錄A 隨機數(shù)字發(fā)生器 附錄B 線性相位FIR濾波器設(shè)計的轉(zhuǎn)換系數(shù)表 參考文獻 習題答案 索引
譯者序
本書是數(shù)字信號處理的經(jīng)典教材,是作者在多年教學的基礎(chǔ)上編寫而成的。其版本不斷更新,內(nèi)容涵蓋了離散時間信號、系統(tǒng)和現(xiàn)代數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)知識。本書的每一章均從基本概念入手,詳細闡述各種基本理論與分析方法,并在介紹中給出了許多數(shù)字信號處理的應(yīng)用實例,以及基于MATLAB的仿真實驗。在學習完本書以后,學生即可掌握數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)知識及實際應(yīng)用。 本書作者John G. Proakis是美國東北大學電子與計算機工程系的教授,其研究方向為數(shù)字通信與數(shù)字信號處理,主要包括自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)通信系統(tǒng)、自適應(yīng)均衡技術(shù)、多徑衰落信道的通信、雷達偵測、信號參數(shù)估計、通信系統(tǒng)建模與仿真、最優(yōu)化技術(shù)、統(tǒng)計分析等,已多次出版《數(shù)字信號處理》和《數(shù)字通信》等經(jīng)典著作。第二位作者Dimitris G. Manolakis工作于美國麻省理工學院林肯實驗室,主要研究方向是數(shù)字通信與數(shù)字信號處理。他們在本書中融入多年的教學及實踐經(jīng)驗,并且注重理論與實際相結(jié)合。 本書共分為14章及兩個附錄,其中前10章講述了基本數(shù)字信號處理知識,依次為:緒論、離散時間信號與系統(tǒng)、z變換及其在LTI系統(tǒng)分析中的應(yīng)用、信號的頻率分析、LIT系統(tǒng)的頻域分析、信號的采樣與重建、離散傅里葉變換的特性及應(yīng)用、DFT的有效計算:快速傅里葉變換算法、離散時間系統(tǒng)的實現(xiàn)、數(shù)字濾波器設(shè)計。后4章介紹了高級數(shù)字信號處理,包括多速率數(shù)字信號處理、線性預(yù)測和最優(yōu)線性濾波器、自適應(yīng)濾波器以及功率譜估計。附錄A介紹隨機數(shù)發(fā)生器,附錄B摘錄了用于線性相位FIR濾波器設(shè)計的轉(zhuǎn)換系數(shù)表。最后,作者還給出了參考書目及精選習題答案。 參加本書翻譯工作的有方艷梅、劉永清、梁小萍、楊銳、屈振華,由方艷梅和劉永清完成全書的審校工作。 限于譯者水平,本書疏漏之處在所難免,敬請讀者批評指正。 譯者 本書是數(shù)字信號處理的經(jīng)典教材,是作者在多年教學的基礎(chǔ)上編寫而成的。其版本不斷更新,內(nèi)容涵蓋了離散時間信號、系統(tǒng)和現(xiàn)代數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)知識,其每一章均從基本概念入手,詳細闡述各種基本理論與分析方法,并在介紹中給出許多數(shù)字信號處理的應(yīng)用實例,以及基于MATLAB的仿真實驗。 本書可作為電子工程、計算機工程、信號處理以及通信工程等專業(yè)的本科和研究生教材,也適合于教師和廣大科技工作者參考使用。 John G. Proakis:美國東北大學電子與計算機工程系的教授,其研究方向為數(shù)字通信與數(shù)字信號處理,主要包括自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)通信系統(tǒng)、自適應(yīng)均衡技術(shù)、多徑衰落信道的通信、雷達偵測、信號參數(shù)估計、通信系統(tǒng)建模與仿真、最優(yōu)化技術(shù)、統(tǒng)計分析等,已多次出版《數(shù)字信號處理》和《數(shù)字通信》等經(jīng)典著作。 Dimitris G. Manolakis:工作于美國麻省理工學院林肯實驗室,主要研究方向是數(shù)字通信與數(shù)字信號處理。 前 言 本書是作者近幾年來在為本科生和研究生講授數(shù)字信號處理課程的基礎(chǔ)上編寫的,主要介紹離散時間信號、系統(tǒng)和現(xiàn)代數(shù)字處理的基礎(chǔ)知識,以及它們在電子工程、計算機工程和計算機科學等專業(yè)方面的應(yīng)用。本書可作為本科生在離散系統(tǒng)和數(shù)字信號處理方面的一學期或兩學期課程的教材,同時也可作為一年級研究生在數(shù)字信號處理方面的一學期課程的教材。 本書假定學生事先已掌握了積分學(包括常微分方程)和連續(xù)時間信號的線性系統(tǒng)的知識(包括拉普拉斯變換)。雖然本書第4章將描述周期或非周期信號的傅里葉級數(shù)和傅里葉變換,但我們期望讀者在先修課程中已經(jīng)了解了這部分內(nèi)容。 本書在理論知識和實際應(yīng)用之間進行了較好的折中。書中提供了大量經(jīng)過精心設(shè)計的習題,以便幫助學生掌握課程的內(nèi)容。解答手冊僅供教師下載。此外,在出版社的網(wǎng)站上為教師準備了圖表及幻燈片。 在本書的第四版中,我們增加了關(guān)于自適應(yīng)濾波器的新章節(jié),并陸續(xù)修改和更新了關(guān)于多采樣率數(shù)字信號處理、信號采樣和重構(gòu)等章節(jié)。同時,增加了關(guān)于離散余弦變換的新內(nèi)容。 第1章描述模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程所涉及到的操作。描述了正弦信號的采樣過程,解釋了混疊問題,并且對信號量化和數(shù)模轉(zhuǎn)換的一般術(shù)語進行了描述,但分析部分將留待后續(xù)章節(jié)描述。 第2章主要論述時域的線性時不變(移不變)離散時間系統(tǒng)和離散時間信號。導(dǎo)出了卷積和,并根據(jù)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)周期將其分為有限長沖激響應(yīng)(FIR)和無限長沖激響應(yīng)(IIR)。描述了由差分方程表征的線性時不變系統(tǒng),并得到了具有初始條件的差分方程的解。本章最后總結(jié)了離散時間相關(guān)性問題。 第3章介紹z變換,包括雙邊z變換和單邊z變換,并給出了確定逆z變換的方法。論述了在線性時不變系統(tǒng)的分析過程中如何使用z變換,并證實了系統(tǒng)的重要特性都與z域特征有關(guān),如因果性和穩(wěn)定性。 第4章論述頻域中的信號分析。描述了連續(xù)時間信號和離散時間信號的傅里葉級數(shù)和傅里葉變換。 在第5章中,通過頻率響應(yīng)函數(shù)表征了頻域中的線性時不變(LTI)離散時間系統(tǒng),并確定了對周期和非周期信號的響應(yīng)。描述了一些重要類型的離散時間系統(tǒng),包括諧振器、槽口濾波器、梳狀濾波器、全通濾波器和振蕩器等。同時,也考察了一些簡單FIR和IIR濾波器的設(shè)計。此外,還介紹了最小相位、混合相位和最大相位系統(tǒng)的概念,以及去卷積的問題。 第6章講述連續(xù)時間信號的采樣以及由采樣信號重構(gòu)原始信號的內(nèi)容。所涉及的范圍包括帶通信號的采樣和重構(gòu),離散時間信號的采樣及模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換過程。本章中還包含有對過采樣的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的處理。 第7章討論DFT的性質(zhì)和應(yīng)用。描述了用DFT執(zhí)行線性濾波的兩種方法,并說明了使用DFT對信號進行頻率分析的方法。本章最后討論了離散余弦變換。 第8章涉及DFT的有效計算。本章描述了基2、基4和分裂基快速傅里葉變換(FFT)算法,以及FFT算法在卷積和相關(guān)計算中的應(yīng)用。對于用線性濾波計算DFT的方法,介紹了Goertzel算法和線性調(diào)頻z變換兩種方法。 第9章介紹IIR和FIR系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。包括直接型、級聯(lián)型、并聯(lián)型、格型和帶抽頭的格型濾波器結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。本章同時分析了在數(shù)字實現(xiàn)FIR和IIR系統(tǒng)過程中的量化效應(yīng)。 第10章介紹數(shù)字FIR和IIR濾波器的設(shè)計技術(shù)。設(shè)計技術(shù)包括離散時間的直接方法和通過各種變換將模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的方法。 第11章介紹采樣率變換及其在多采樣率數(shù)字信號處理中的應(yīng)用。除了描述了通過整數(shù)和有理數(shù)因子的抽取和插值之外,還介紹了對于任意因子的采樣率轉(zhuǎn)換方法,以及多相位濾波器結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。本章還討論了數(shù)字濾波器組、二通道的正交鏡像濾波器(QMF)和M通道的QMF組。 第12章介紹線性預(yù)測和最優(yōu)線性維納濾波器。本章還描述了求解歸一化方程的Levinson-Durbin算法和Schur算法,以及AR格型和ARMA格型抽頭濾波器。 第13章介紹基于LMS算法和遞歸最小平方(RLS)算法的單通道自適應(yīng)濾波器。直接型FIR和格型RLS算法及濾波器結(jié)構(gòu)均在本章介紹。 第14章講述功率譜估計。描述了不帶參數(shù)的方法和基于模型(帶參數(shù)的)的方法,還描述了基于特征組合的方法,包括MUSIC和ESPRIT。 事先已經(jīng)學習過離散系統(tǒng)的高年級學生,可以先快速瀏覽第1章至第5章的內(nèi)容,然后仔細學習第6章至第10章的內(nèi)容。 對于研究生一年級的數(shù)字信號處理課程,前6章供學生復(fù)習離散時間系統(tǒng),教師可以快速瀏覽大部分內(nèi)容,然后講述第7章到第11章的內(nèi)容,再選講第12章至第14章的部分內(nèi)容。 本書中提供了很多例題和近500道習題。部分習題的答案列在本書的后面。很多習題可以通過類似MATLAB這樣的軟件包在計算機上得到數(shù)值解。學生還可以使用本書配套的手冊Student Manual for Digital Signal Processing with MATLAB。MATLAB軟件是本教材的基本軟件工具。教師可能還希望參考其他一些包含基于計算機練習的補充教材,例如,由C.S.Burrus等編寫的Computer-Based Exercises for Signal Processing Using MATLAB (Prentice Hall,1994)。 我們受益于很多有才華的同事,他們通過閱覽本書前幾版提供了許多有價值的建議,其中有W.E.Alexander,G.Arslan,Y.Bresler,J.Deller,F(xiàn).DePiero,V.Ingle,J.S.Kang,C.Keller,H.Lev-Ari,L.Merakos,W.Mikhael,P.Monticciolo,C.Nikias,M.Schetzen,E.Serpedin,T.M.Sullivan,H.Trussell,S.Wilson和M.Zoltowski。我們同時基于R.Price的建議及其他相關(guān)見解,增加了關(guān)于分裂基FFT算法的內(nèi)容。最后,我們要感謝許多那些已畢業(yè)的學生的建議和意見,特別是A.L.Kok,J.Lin,E.Sozer和S.Srinidhi,他們協(xié)助準備了幾幅圖表和解答手冊。 JOHN G.PROAKIS DIMITRIS G.MANOLAKIS
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