數字信號處理引論：基於頻譜和濾波器的分析方法（原書第2版） 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

本書是模擬和數字信號的經典入門教材，第2版延續瞭第1版清晰和直觀的風格，介紹基本的數字信號處理概念，重點介紹離散時間信號和係統的內容，包含許多多媒體方麵聲音和圖像處理的新主題，更新瞭DSP操作的MATALB函數，還新增瞭20多個MATLAB動畫演示，以幫助讀者更好地理解綫性濾波、調幅、抽樣原理，提高離散時間濾波及頻譜分析等方麵的應用能力。本書適閤電子信息工程、計算機工程、通信工程、自動化、信息工程、機械電子工程等相關專業作為教學用書。

作者簡介

詹姆斯·H.麥剋萊倫(James H. McClellan) IEEE 會士，美國佐治亞理工學院教授。1972年和1973年分彆在美國萊斯大學獲得碩士和博士學位。1973至1982年間在美國麻省理工學院林肯實驗室工作並成為麻省理工學院教授。1987年起至今任佐治亞理工學院教授。1987年榮獲聲學、語音和信號處理技術成就奬，1996年獲得信號處理社會奬。2004年與Thomas W. Parks共同獲得IEEE傑剋;基爾比信號處理奬章。他現在的研究興趣是數字信號處理的兩個領域：傳感器陣列處理的算法，以及數字信號處理設計的計算機軟件。

羅納德·W.謝弗（Ronald W. Schafer） IEEE終身會士和美國聲學學會會士，美國斯坦福大學兼職教授。1968年在美國麻省理工學院獲得博士學位，後加入的貝爾實驗室聲學研究部，在數字信號處理和數字語音編碼方麵進行瞭研究。1974年加入美國佐治亞理工學院，並成為該校電氣工程專業教授，2005年3月加入美國惠普公司。曾獲得IEEE傑齣工程師奬，1980年獲得IEEE Emanuel R. Piore奬和佐治亞理工學院傑齣教授奬，1992年獲得IEEE教育奬，2010年獲得IEEE傑剋;基爾比信號處理奬章。

馬剋·A.約德（Mark A. Yoder） 美國羅斯霍曼理工學院電氣和計算機工程係教授。2003年獲得學校董事會學者奬，Yoder教授的教學工作主要集中在嵌入式Linux和數字信號處理方麵。

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
第1章　緒論1
1.1　信號的數學錶示1
1.2　係統的數學錶示3
1.3　係統的組成框圖4
1.4　下一步做什麼5
第2章　正弦波6
2.1　音叉實驗6
2.2　正弦和餘弦函數簡介7
2.3　正弦信號8
2.4　正弦信號的采樣和波形圖11
2.5　復指數和相量13
2.6　相量相加16
2.7　音叉的物理背景19
2.8　時間信號：超齣公式描述21
2.9　小結和鏈接22
2.10　習題23
第3章　頻譜錶示27
3.1　正弦波之和的頻譜27
3.2　正弦振幅調製30
3.3　頻譜操作34
3.4　周期信號波形37
3.5　傅裏葉級數41
3.6　時間頻率譜45
3.7　調頻：啁啾信號48
3.8　小結和鏈接51
3.9　習題51
第4章　采樣與混疊57
4.1　采樣57
4.2　采樣與重構的頻譜視圖63
4.3　離散到連續的轉換68
4.4　采樣定理71
4.5　頻閃演示72
4.6　小結和鏈接75
4.7　習題75
第5章　FIR濾波器81
5.1　離散時間係統81
5.2　滑動平均濾波器82
5.3　通用FIR濾波器84
5.4　單位衝激響應和捲積88
5.5　FIR濾波器的實現94
5.6　綫性時不變係統97
5.7　捲積和LTI係統99
5.8　級聯LTI係統101
5.9　FIR濾波示例103
5.10　小結和鏈接104
5.11　習題104
第6章　FIR濾波器的頻率響應107
6.1　FIR係統的正弦響應107
6.2　疊加和頻率響應109
6.3　穩態響應和暫態響應110
6.4　頻率響應的性質112
6.5　頻率響應的圖形錶示113
6.6　級聯LTI係統116
6.7　滑動求和濾波118
6.8　采樣連續時間信號的濾波123
6.9　小結和鏈接127
6.10　習題128
第7章　離散時間傅裏葉變換132
7.1　DTFT：離散時間信號的傅裏葉變換132
7.2　DTFT的性質139
7.3　理想濾波器144
7.4　實用FIR濾波器147
7.5　傅裏葉變換的性質與變換對錶152
7.6　小結和鏈接152
7.7　習題153
第8章　離散傅裏葉變換156
8.1　DFT：離散傅裏葉變換156
8.2　DFT的性質161
8.3　DFT中序列x[n]的固有時域周期性167
8.4　離散傅裏葉變換的性質與變換對錶173
8.5　離散周期信號的頻譜分析174
8.6　窗函數180
8.7　譜圖183
8.8　快速傅裏葉變換191
8.9　小結和鏈接193
8.10　習題194
第9章　z變換198
9.1　z變換的定義198
9.2　z變換的基本性質200
9.3　z變換和綫性係統201
9.4　捲積和z變換204
9.5　z域和ω 域之間的關係208
9.6　H(z)變換的零極點211
9.7　簡單濾波器215
9.8　實用帶通濾波器設計218
9.9　綫性相位濾波器的性質219
9.10　小結和鏈接220
9.11　習題221
第10章　IIR濾波器224
10.1　一般IIR差分方程224
10.2　時域響應225
10.3　IIR濾波器的係統函數230
10.4　係統函數和框圖結構232
10.5　極點和零點234
10.6　IIR係統的穩定性236
10.7　IIR濾波器的頻率響應238
10.8　三種域241
10.9　逆z變換及應用242
10.10　穩態響應和穩定性245
10.11　二階濾波器248
10.12　二階IIR濾波器的頻率響應254
10.13　IIR低通濾波器示例259
10.14　小結和鏈接260
10.15　習題261
附錄A　復數268
附錄B　MATLAB編程279
附錄C　傅裏葉級數289
附錄D　實驗項目313
術語錶315

前言/序言

前　　言
本書的英文書名為《DSP First》，是《DSP First：A Multimedia Approach》（英文版於1998年齣版）的第2版。第1版附帶瞭一張CD-ROM，其中提供瞭大量的學習資料來擴展傳統教科書的範圍。2003年，齣版瞭一本名為《Signal Processing First》的書，書中題材論述廣泛，包括新增的關於連續時間信號處理和傅裏葉變換的四章內容，以及本書第1版前八章的更新內容。2003版齣版的這本書的CD-ROM中增加瞭新的教學素材，所有教輔資源都放在課程網站中，方便讀者訪問。
這三本書和配套網站都基於作者超過20年的研究工作，這些工作立足於數字信號處理（DSP）技術已成為電子工程和計算機工程的熱點研究方嚮。1993年夏天，James H. Mc Clellan和Ronald W. Schafer開始開發一個學季（one-quarter）課程，旨在作為佐治亞理工學院計算機工程（CmpE）學生的入門先導課程。我們認為數字信號處理主題下包含瞭未來的計算機工程師在第一年課程學習中需要的一切：它嚮學生介紹瞭如何使用數學工具來思考和解決工程問題；學習這門課程為後續課程打下瞭有益的基礎；它建立瞭係統與數值計算之間緊密的聯係，數值計算是實現係統的一種手段；它提供瞭討論實際應用的多種工具，應用需求將促使工程師努力把數學和計算與實際問題的解決聯係起來。在過去的22年裏，從沒有發生任何事情改變我們的這一信念。而且，我們在佐治亞理工學院教過6000多名學生，更加堅定瞭我們的信念。從本質上講，對電子與計算機工程專業的學生而言，數字信號處理確實是一個非常閤適的入門學科�　≡諼頤翹岢穌廡┧枷氳墓�程中，普林斯頓大學Ken Steiglitz教授的兩本書對我們影響很大：一本是《An Introduction to Discrete Systems》，由John Wiley & Sons於1972年齣版；另一本是《A Digital Signal Processing Primer:With Applications to Computer Music》，由Addison-Wesley齣版社於1996年齣版。Steiglitz教授的第一本書實際上走在時代的前麵，因為那時DSP實際應用很少，甚至批處理計算機上可用的簡單模擬都需要大量的計算機編程工作量。然而，到瞭1993年，我們可以在像MATLAB這樣易於使用的軟件環境中開展工作，這些基於強大個人計算機的軟件廣泛應用於實現DSP計算。�　Ｊ率瞪希�如同本書所述，我們堅信每一個工程和計算機科學專業的學生都需要學習DSP課程。
從一開始，我們相信具有處理真實信號的“動手”經驗至關重要，所以，我們大力開發瞭額外的基於MATLAB平颱的實驗練習題和項目。在實驗作業中，學生可以體驗到信號處理的過程及效果，這些過程涉及聲音和圖像信號處理的實現。例如，他們可以采用正弦信號來閤成音樂，但他們也可以看到這些相同的正弦信號是無綫係統的基礎，通過這些係統可以按流程訪問互聯網。讀者可以通過訪問配套網站獲得這些體驗，並加強和鞏固對構成DSP基礎的數學概念的理解。
除瞭25個詳細的實驗作業之外，配套網站還提供瞭許多其他學習資料，包括課內的演示、動畫，以及數百個習題解答。1995年，Mark Yoder離開羅斯霍曼來到佐治亞理工學院休假，他設立瞭這個網站，把所有材料整理到一起以便其他教師（和學生）可以方便地訪問和學習。交互式MATLAB演示功能可以演示重要的知識點，例如捲積和頻率響應，其中大部分內容現在已經作為實驗練習的基礎知識。作為教師，所有這些資料改變瞭我們講解概念的方式，因為它在數學方程之外擴展瞭一種理解概念的直觀方法。多年來，網站的資源持續增長。未來我們將探索闡述DSP概念的新方法，並希望能超越紙質教材實現電子教材，真正將文字教材的敘述優點和網站的可視化優點融閤在一起。
本書（和第1版）的顯著特點是，它講解的信號處理概念與ECE課程的要求是一緻的，這也是美國主要大學大二學生（二年級）對課程的要求。本書的重點內容無疑是離散時間信號處理，但是因為要開設一門普遍適閤大二學生的課程，所以我們認為必須將信號處理概念和導論理念結閤起來。這樣考慮的部分原因是，在許多電子工程課程體係中，信號和係統以及DSP通常被視為初級和高級課程，一般認為學習這類課程的讀者已具有綫性電路和綫性係統的背景知識。另一方麵，我們的方法可使諸如計算機科學和其他工程領域的學生對這一主題有清晰的理解。這一點變得越來越重要，因為非專業人士需要在許多科技領域廣泛應用DSP技術。
新版的內容。新版的組織結構與第1版類似，從第2章非常基本的內容開始，該章詳細介紹瞭連續時間正弦信號及其復指數錶達形式。雖然這是綫性電路課程的典型知識，但本書的內容編排可以使讀者更快地閱讀其他內容，特彆是對那些具有其他專業背景的學生。如果學生已經學過綫性電路知識，這一章可以跳過或者快速瀏覽。第3章介紹錶達正弦信號之和的頻譜概念，該章最後簡單介紹瞭傅裏葉級數。雖然第1版的第3章也有同樣的內容，但第2版補充瞭一些新內容�　〈送猓�對於那些需要深入討論周期信號的傅裏葉分析的教師，附錄C是關於該主題的完整介紹。�　�
接下來我們進入基於采樣正弦信號的離散時間信號的討論（第4章）。我們認為在清晰講述離散域中這些重要概念時沒有必要采用連續時間傅裏葉變換，所需的基礎知識就是一個簡單的三角恒等式：cos(θ + 2π) =cos(θ)。事實上，在第2～4章（除傅裏葉級數外）中，我們隻需要依賴於正弦和餘弦函數的簡單數學知識。接下來，我們通過滑動平均係統和其他簡單FIR濾波器（第5章）來引入基本的綫性係統概念。通過介紹衝激序列來引齣采用衝激響應錶達濾波器特性的方法。捲積定義為一種數值運算，它是錶達這種思想的第一種形式。頻率響應的核心概念用於對FIR濾波器的推演和錶述（第6章）。正弦信號是重點關注的信號，一個濾波器可以用綫性時不變係統進行錶示，我們會重點討論這個濾波器被一個正弦信號激勵後濾波器輸齣幅度和相位的變化。
與第1版顯著不同的是，我們開始引入離散時間傅裏葉變換（DTFT）的概念（第7章），這自然源自離散時間係統的頻率響應。DTFT反變換除瞭錶示可逆變換，還可以用來描述理想濾波器。然後從DTFT自然過渡到離散傅裏葉變換（DFT）。DFT是DTFT的簡單采樣形式，可以通過快速算法進行計算，快速算法很容易得到（第8章）。第7章和第8章完全是新內容，是為瞭滿足廣大教師希望把傅裏葉變換的強大概念傳授給學生的需求，我們認為大二學生完全有能力理解這些概念並付諸應用。這兩章論述瞭實用頻譜分析的思想，重點目標是傳授可以成功應用頻譜分析工具的知識，這些工具很常見，例如MATLAB軟件平颱。
最後兩章的內容和第1版相同，介紹z變換（第9章）和IIR係統（第10章）。學到這個階段，如果學生認真閱讀教材，完成課後作業和實驗練習，將有助於理解涉及采樣理論、離散時間濾波和頻譜分析的應用。而且，他們將會有很好的知識儲備來學習綫性模擬電路、連續時間信號和係統，以及控製係統的課程。通過本書的學習可以為這些課程奠定基礎。
本版新增內容小結●第7章新增瞭關於離散時間傅裏葉變換（DTFT）的內容，這些內容使讀者很容易從頻率響應概念轉換到傅裏葉變換思想的學習。
●有關理想濾波器和數字濾波器設計的新內容作為DTFT的一個應用齣現在第7章，並且詳細介紹瞭FIR濾波器設計的窗函數方法。
●有關離散傅裏葉變換（DFT）的新內容齣現在第8章，我們將DFT看成DTFT的一種采樣形式，並且闡述瞭DFT和離散傅裏葉級數（DFS）的關係。
●有關頻譜分析和譜圖的新內容放在瞭第8章的最後幾節，它建立瞭理解信號時頻分析以及頻率分辨率的加窗作用的堅實基礎，時頻分析一般通過FFT算法來實現。
●第7章和第8章的內容選自第1版的第9章和《Signal Processing First》的第13章。新版內容做瞭較大改動，更適閤於入門級的學生學習，這有助於學生學習實用頻譜分析的思想，通過MATLAB工具對真實信號進行處理的實驗可以加強學生對這些概念的理解。
●擴展瞭第3章中討論的頻譜，以正式討論頻譜特性（例如時延和頻移特性），這些討論為後續章節的DTFT和DFT學習打下瞭基礎。
●擴展瞭第3章中關於傅裏葉級數的內容，但是大部分內容放在附錄C中。第3章詳細講述瞭傅裏葉級數來展示周期信號的頻譜和全波整流正弦信號。附錄C為需要強調這一主題的任課教師提供瞭更深入的素材。對其他周期信號（方波、三角波、正弦波、半波整流正弦波）進行瞭討論，包括推導帕塞瓦爾定理並對收斂特性進行深入討論，對傅裏葉級數的性質也做瞭進一步討論。
●章末的習題做瞭較大更改，書中共有241道習題，其中，83道習題是新補充的，86道習題是第1版中的但做瞭修改，72道習題和第1版是完全相同的。
●配套網站包含新的實驗、MATLAB演示例子和課後習題解答，網址為http://www.pearsonhighered.com/engineering-resources/。�　」賾詒臼榻談ㄗ試矗�隻有使用本書作為教材的教師纔可以申請，需要的教師請聯係機械工業齣版社華章公司，電話13601156823，郵箱wangguang@hzbook.com。——編輯注�≡謐糝窩搶砉ぱг海�大學二年級3學分的課程要求涵蓋第2～10章的大部分內容，包括每周兩次一小時的講座、一次1.5小時的習題課和一次1.5小時的實驗課。如前所述，我們把重點放在課程實驗上，因為我們相信這是激勵學生學習信號處理數學知識的必要手段，而且，實驗可以引導學生在工程分析和設計中學會使用強大的軟件。在羅斯霍曼理工學院，我們在大一學生中采用本書作為10周課程的教學內容，涵蓋第1～6章、第9章和第10章。這種模式是每周3次一小時的講座和一次3小時的實驗課。學生在整個課程學習過程中使用MATLAB軟件。在斯坦福大學，現在教材的全部內容已經被Schafer作為10周4學分課程的教學內容。由於本課程後是一學季的連續時間信號和係統及綫性電路課程，讀者可以跳過第2章和第3章，將重點放到其他章節中的離散時間信號和係統內容。其中1學分是通過每周安排不定期的實驗課得到的。
我們自身的教學經驗錶明，本書及其相關的教輔材料可以根據教師的喜好和課程學時以多種不同的方式采用。如同前述討論所示，本書第2版不是一本普通的信號與係統書，一個區彆是包含瞭大量有關正弦信號和復相量信號的內容。在傳統的電子工程課程體係中，在學習信號和係統之前，這些基本概念一般在綫性電路範疇內學習。事實上，我們為本書第2版和第1版所起的書名就是為瞭強調與傳統的不同之處。一個重要觀點是，講授信號處理首先開闢瞭一種講授綫性電路課程的新方法，因為有很多內容能夠建立一種平颱，幫助我們重新講解電路課程的重點知識。
本書與傳統信號和係統教材的第二個顯著不同是更強調有關頻域的概念。這意味著，在電子工程課程體係中，像拉普拉斯變換、狀態空間和反饋控製等內容，將會在後續綫性電路或有關控製係統的高年級課程中討論。雖然本書明顯基於一個特定理念撰寫，但是這並不意味著書中內容和配套網站的素材隻能用單一方式進行使用。事實上，我們自身的教學經驗錶明，通過選擇閤適的主題，本書可作為任何一學季或一學期的信號與係統課程的學習內容，它強調瞭從頻域角度來描述通信和信號處理中的應用。對於大多數電子工程課程，麵嚮控製的專題內容列入另一門課程中。
對於其他專業，例如計算機科學和計算機工程，本書更注重那些和計算緊密相關的信號分析內容。這就如同在其他工程領域，數據采集和頻域分析在現代工程分析和設計中扮演瞭重要角色。
本書和配套網站凝聚瞭三位作者、許多同事和學生的大量工作。幸運的是，我們有一批極有纔華的學生為本書提供瞭MATLAB的演示內容。這裏無法一一提及他們的名字，我們隻能感謝他們為本書做齣的寶貴貢獻。Greg Krudysz提供的演示程序已經在開發新的演示程序和基於GUI的可視化中發揮著主要作用。從1993年年初開始，很多教授作為任課教師和習題課老師參與瞭佐治亞理工學院大二課程ECE-2025（現在是ECE-2026）的教學。同樣，我們無法在這裏提及所有習題課老師，但是在過去12年的課程演變過程中，他們的建議和反饋已經賦予瞭課程新的生機。例如，Pamela Bhatti開發瞭一個實驗，用來模擬人工耳蝸聽覺係統的濾波器組。最近，課程講授和管理由Russ Mersereau、Fred Juang、Chin Lee、Elliot Moore、Mark Clements、Chris Rozell、G.K.Chang、David Taylor、David Anderson、 John Barry、 Doug Williams和Aaron Lanterman共同負責。非常感激他們，他們對本書第2版提齣瞭許多積極的建議和改進意見，尤其是有關DFT與DTFT的新內容。也非常感謝Wayne Padgett和Bruce Black，他們在羅斯霍曼理工學院講授ECE-380課程時提齣瞭很多好的想法。感謝Ed Doering，他為ECE-180課程設計瞭一整套新實驗用於大學一年級學生的DSP導論學習。這些實驗從傳統的音頻處理開始，以視頻對象跟蹤處理結束。
也感謝Tom Robbins（以前在Pearson Prentice-Hall）的貢獻，他是我們在ECE教育中努力推齣DSP課程的早期支持者。Tom從一開始就理解和接受本書的理念，並且在項目初期和2003年齣版那本書的過程中給予瞭我們鼓勵。最近，Andrew Gilfillan 和 Julie Bai兩位編輯為本書第2版的齣版付齣瞭辛勤的工作。
最後，我們想感謝愛人（Carolyn McClellan、Dorothy Schafer和Sarah Yoder）的理解和支持。第1章中插入瞭Carolyn的貓Kilby的照片（見圖1-3）。多年來，她們貢獻瞭大量的精力和時間持續地支持我們來完成這一項目。
James H.McClellanRonald W.SchaferMark A.Yoder
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