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基本信息

书名：数字信号处理及应用

定价：119元

作者：Newbold, Richard

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-09-01

ISBN：9787111513407

字数：300000

页码：588

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

本书着眼于数字信号处理过程中的实际应用，详细介绍了有限冲激响应数字滤波器、数字频率合成、信号调谐、数字锁相环、信道滤波器、数字自动增益控制等。另外，书末还附加了C/C 语言编写的FORTRAN程序。

目录

作者介绍

文摘

序言

我从事数字硬件设计工作已30多年了，期间也自学了一些简单的软件设计。我软件方面的工作主要是为了验证硬件设计的正确性，包括位级仿真、微码生成、汇编代码、FORTRAN、C/C 以及编写了基于微软Windows的面向图形的测试平台，这些软件设计都是用来验证我设计的数字产品操作的合理性。
　　在数字信号处理（DSP）尚处于萌芽期，我就开始了我的数字设计生涯。在那些日子里，所有的数字设计均以小规模集成（SSI）电路形式实现，它们不比4位的加法器和8到1位的多路复用器复杂多少。我毕业后就职的家公司就主要从事DSP早期阶段的工作。
　　DSP算法主要依赖重复的乘加运算。我见过的个数字乘法器需要整个设备底盘来完成一次16×16的乘法。这个乘法器耗费了太多的硬件，因此为了提高效率，它与其他处理独立任务的硬件分时复用。这个设备的传输延时也非常大，以至于当时构建出的硬件系统能工作在5MHz的系统时钟下都被视为是高科技的。
　　当时“硅谷”这一术语尚未创建，可见那时的技术发展水平。也正是在那段时间，一家名为Intel的不知名的小公司，正在加利福尼亚山景城米德菲尔路365号一幢非常小的办公楼内运转。Intel研发出了世界上块微处理器，它是一台4位机，称为4004微计算机。这枚处理器是为日本东京的Nippon Calculating Machine Corporation（NCMC）设计的。随着4004的引入，数字时代也随之改变。数字技术迅猛发展，硬件设计几乎每年都在更新。
　　项目计划需求总要用到正在开发的技术，设计工程师经常面临用现有的技术实现未来的设计任务。这种矛盾很大程度上促进了业界不断制造出更低功耗、更快及更复杂的设备和系统。再回头看看，似乎DSP总是走在发展的前沿。硅谷几乎每天都有初创企业诞生。
　　随着集成电路生产商不断制造出更高速和更低功耗的处理器，DSP技术不断壮大并成熟。熔线连接可编程逻辑器件问世，很快发展成为可重复编程的逻辑器件，并进一步发展为现场可编程逻辑阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和面向应用的集成电路（ASIC），它们现在仍在使用中。另外一些公司开始致力于生产超高速的砷化镓和磷化铟集成电路，他们会教工程师如何用他们的流程进行设计和制造出面向应用的设计。
　　支持这些复杂器件的编程和测试的设计工具，也已发展成了一流的软件应用。FPGA公司甚至不惜承受巨大的挑战，为DSP设计提供一个称为“核（core）”的DSP电路库，只需通过简单的按键操作就可以使其进入到FPGA设计中，而无需设计者知道这个电路是如何工作的。
　　在30年的从业生涯中，我翻阅了大量的DSP参考书。这些书的内容几乎都相同，不同的作者用自己不同的方式诠释了相同的主题。通过阅读不同的作者对相同问题的处理方法，让我从不同的角度审视了DSP处理技术，同时也填充了我对这个问题在理解上的诸多空白。这些书由业界的资深人士撰写，为我们在DSP设计方面提供了良好的技术基础。
　　然而，市面上却缺少关于专门处理日常应用中DSP问题和算法的参考书。通常来说，这些应用的DSP算法常常是来自于口述、设计指导以及设计经验。随着时间的推移，所有的设计工程师都会（在他们的头脑中）积累一个包含电路、设计过程、算法和技术等的工具库，这些都是他们付出时间、汗水以及经历了成功、失败、演算和无数次碰壁之后获得的经验。遗憾的是，这些工具库并未被记载下来，所以其他工程师无法访问到工具库中的这些珍贵信息。绝大部分的工程师都是涉密人员，所以在他们求职时，大都不愿意公开自己宝贵的商业机密。
　　在DSP设计中，有许多在我熟悉的工程参考书里并未详细记载的灰色区域。这些灰色区域通常不会触及这样的问题，比如我该如何设计能实现这样或那样DSP关键功能的电路。
　　例如，我所熟悉的DSP参考书中，并没有详细讨论过类似复数字信号的使用、实或复数字信号的频谱、复到实信号的转换、数字信号的转化或数字频率合成的概念等应用。
　　我也从没有看到过一篇关于如何设计一个用于数字调谐应用中的数控振荡器（NCO）的详细文献、如何设计用于脉冲编码调制（PCM）复用应用中的弹性存储器、数字锁定环（DLL）或数字自动增益控制（dAGC）的文献。
　　在如今市面上各种各样的DSP书籍中，很少有对面向应用问题的详细讨论，包括多相滤波器（PPF）、级联的积分梳状（CIC）滤波器以及数字信道器（有时又称传输复用器）的应用。这些多功能电路，在很多应用中都可能看到，比如频分多路（FDM）到时分多路（TDM）的转换、混合控制、宽带扫描仪以及无线天文学中的宽带拦截处理等，这里仅仅举这几个例子。所有这些问题都可以归结为一个问题“数字信号处理中的实际应用”。
　　本书的编写目的  本书旨在将我个人工具库中的部分内容与大家共享，旨在填充DSP灰色区域的一部分。我希望能为实际的设计应用提供一些有用的信息和DSP设计技术。
　　在DSP设计界，有许多DSP参考书可以被视为“圣经”。其中的很多书，以及资深业界人士撰写的技术论文，本书中都有引用。本书的目的并非重复许多前作者已经做过的工作。本书中不会涉及标准DSP概念的解释以及延伸，因为其他作者已经讨论得足够深入了。本书的目的就是作为已经出版的众多DSP教材的面向应用的补充。
　　本书读者对象  本书针对有一定DSP知识和开发经验的人群。本书适用于即将进入信号处理领域的本科生和大学毕业生。本书也适用于有一定DSP设计经验的业界工程师以及从事常见DSP硬件或软件的设计与实现的技术人员，本书可以为这些技术人员提供宝贵的资源。
　　本书内容  本书收集了一些常见的DSP应用，将其整理为一系列教程。前4章详细地回顾了用于分析、设计和构建复数字处理系统所需的数学工具。剩下的9章详细讨论了业界常用的一些的信号处理应用。附录附录参见华章网站：。——编辑注中是关于混合语言编程的深入讨论。下面给出每一章的主要内容。
　　.  章：数字频率概述  该章阐述了数字频率及其与系统采样率的关系，并给出了一个特定数字频率值的数学表示以及如何确定数字正弦波的所有采样值。
　　第2章：复变量概述  该章对复变量进行完整的回顾。读了该章之后，一个没有这方面知识的人也可以熟练地使用这一有用的数学工具进行信号处理电路和系统的设计与开发。首先，该章给出了复数的定义和性质，然后再一步完整地讨论了留数定理。留数的计算为工程师们提供了计算数字系统冲激响应的一种简便方法。
　　第3章：傅里叶变换概述  该章对傅里叶级数以及连续和离散的傅里叶变换（分别为CFT和DFT）进行了深入的回顾。讨论了变换性质的推导、变换对、帕塞瓦尔（Parseval’s）定理、能量及功率谱密度（PSD）关系的推导。另外，对DFT的频谱泄漏、带通滤波器和低通滤波器模型也进行了研究。信号处理的讨论包括窗的使用、相干与非相干处理增益以及信号识别。尽管这部分内容是扩展的，我们还是在这里写出来，旨在让没有傅里叶级数或傅里叶变换相关背景的读者，也可以在进行信号处理应用时熟练地使用它们。
　　第4章：z变换概述  该章对z变换进行了全面回顾，详细讨论了零极点图、反z变换、收敛和系统稳定性。在阅读该章之后，对z变换毫无知识的人也可以用这些知识来分析复数字系统，从而推导出一个系统的频率响应，确定系统的稳定性，并计算出系统的冲激响应。此外，读者还将学习到如何在实际情况中用z变换来修改现有设计，或为了提高其性能，或为了更改其参数以并入其他系统中。
　　第5章：FIR数字滤波器  该章的重点在于有限冲激响应（FIR）数字滤波器的设计。这里不会重复那些由资深作者们编著的理论材料中的内容。几乎所有的DSP文献都对数字滤波器的历史、原理、结构、计算以及传统的设计技术泛泛而谈。而在这里，我们则要针对某些更常用的滤波器类型，对它们的一种设计和实现方法进行重点讨论。该章的目标有两个。首先，为了建立一个系统的概念，我们会给出数字滤波器的简要概述。其次，我们将基于Parks-McClellan优滤波器设计程序，来实现几种类型的数字滤波器，以此来演示计算机辅助设计的方法。完整的程序清单参见附录A。
　　第6章：多速率FIR滤波器设计  该章详细讨论了用于变信号采样率的数字滤波器的设计。设计者常常会遇到这样的任务，将信号的采样率增加或减少某一整数或分数倍。改变一个数字信号的采样率有好几种方法。这些方法全都会用到数字滤波器，我们常常称之为“多速率滤波器”。有些多速率滤波器可能比其他的更适用于某种特定速率改变的应用中。该章将讨论三种采样率改变情况，它们分别使用到下面三种滤波器：
　　1）多相滤波器。适用于中等大小速度变化率的方法。
　　2）半带滤波器。适用于速度变化率为2的倍数的一种有效方法。
　　3）CIC滤波器。适用于大速率变化的、计算量又节省的滤波器。
　　第7章：复信号到实信号的转换  该章详细讨论了复信号转换成实信号的方法。这是一种常见的信号处理功能，但如何实现这一重要问题，却很少能在工程参考书中找到。在利用前端调谐器的数字系统中可见到复信号处理的范例。这些系统可以广义地归类于“数字无线电”，其中的宽带输入信号的频率向上或向下搬移，然后将其通过一个带通或低通滤波器，提取出我们感兴趣的某些窄带频率。从数学上看，调谐功能就是将实输入信号转换为复信号。接着，滤波后的窄带信号再以复数形式处理，从而按照特定应用指定的任意方式实现。在此处理过程完成后，复信号再转换为实数形式并输出。
　　第8章：数字频率合成  在DSP应用领域中，很多时候都会用到数控振荡器，简写为NCO。NCO就是可编程振荡器，它在用户指定频率和相位输出数字正弦波。这个正弦波可以被编程固定在某个频率上，也可以在一个频带内扫频或跳频。该正弦波可以具有常数相位，也可以编程为多个相位或可切换相位。根据NCO应用场合的需求不同，它可以是一个简单或复杂的设备。NCO的一个典型应用是产生一个可编程的复正弦波，将带通信号向下搬移到基带，然后进行滤波和后续处理，类似于调频无线电中的本振信号。该章包含了能清楚说明NCO的设计及其所有内部处理功能的详细图示。该章还给出了很多仿真，以图示方式说明NCO如何产生信号。
　　第9章：信号调谐  该章深入讨论了连续模拟域和离散数字域中的信号调谐问题。调谐即将信号从一个频率域搬移到另一个频率域。在处理通信信号时，为了简化数据流的过程，就常常将中心频率在f1处的一个带限信号搬移到另一中心频率f2处。该章说明了如何向上和向下搬移实信号和复信号频谱的方法。
　　0章：弹性存储器  在他们的从业生涯中，大多数工程师都设计过两个或多个采用同步数据流的数据处理系统间的接口。但是，若他们要设计的是采用异步数据传输的两个或多个处理系统或数据流的接口呢？该章中，术语“异步”指每一组数据流均按自己的时钟建立时间队列，该时钟由一个独立的时钟振荡器生成。每一组同步数据流的频率和相位都是相似的，但一定又不会完全相同。因为每个时钟振荡器的输出频率随时间和温度而改变，所以都是的。在许多情况下，这些时钟可能相差几千赫兹。该章将说明如何用一个弹性存储器来同步这些系统。
　　1章：数字化的数据锁定环  假设给你一个时分多路或TDM系统，其数据流由两个或多个独立的异步支路复合而成。我们该怎样对这些支路解复用，然后再为每条支路合成一个独立的比特时钟，使其与复用前的原始时钟在平均意义上相等呢？该信号类似于承载了多个较低级支路的较高级电话PCM复用。这只是众多可能例子中的一个。对原始支路之间原本就是异步复用的支流，在解复用时，也会遇到相同的问题。答案就是需要使用一个数字化的数据锁定环，或称为DLL。DLL的原理非常简单，它先利用弹性存储器来合成一个比特流时钟，然后再用此时钟同步解复用比特流或支路，而无需对原始时钟的频率有任何先验知识。该章对如何为相关应用设计DLL进行了非常深入的研究。
　　2章：信道化滤波器组  该章首先对其整体功能进行了探讨，再深入地研究数字信道器（有时称为传输复用器）的设计方法。正如之前所提到的，这种多功能电路会出现在许多信号处理应用中。信道化器可以简单地用单个集成电路取代数以百计的接收机。该章中，我们将设计一个可同时处理多达2000路独立等带宽信号的信道化器。
　　3章：数字自动增益控制  该章详细讨论了Ⅰ型和Ⅱ型数字自动增益控制，或称为dAGC。在很多电子系统中，一个重要的功能就是自动增益控制。通常，AGC是一个非线性反馈电路，如果设计不好，就会不稳定。该章旨在设计一个dAGC电路，推导其工作参数，并进行仿真，然后再用图示说明其暂态响应、环路误差的稳态操作、环路增益以及各种输入信号和输入干扰信号下的电路响应输出。
　　附录A：C/C FORTRAN混合语言编程  附录A参见华章网站：。——编辑注  经过多年的工作，业界的工程师们已经积累了一些老旧的FORTRAN程序、函数或子程序，它们都是很有价值的遗留代码。如果这些例程没有价值，那么工程师们就不会保留它们。通常，这些例程是经过测试、调试和验证的代码，它们仍可用于当今的工程环境中，是一笔财富。大的问题在于现在大多数软件使用C/C 编写。如果这就是你现在陷入的困境，那我现在有一个好消息和一个坏消息要告诉你。好消息是程序开发者们已经有经过验证的现成的FORTRAN代码可用，将这些代码很好地集成到一个工程中，将会大大减少劳动成本和缩短程序开发周期。当然，坏消息是C/C 是目前常用的语言，因此用FORTRAN写出来的代码并不是切实可用的。那么若你是一个编程人员或设计工程师，在这种情况下你会怎么办呢？一个办法就是构建混合语言程序，其中main程序的主体部分用C/C 编写，然后再链接一个或多个有用的FORTRAN遗留函数或子例程。该附录演示如何实现这一过程。
　　致谢  我向Pearson North America的Prentice Hall专业技术出版社的执行编辑Bernard Goodwin表达我诚挚的谢意，感谢他在向专业技术出版界引荐一名新作者时给予的大力帮助和支持。同时我感谢John Treichler博士允许我引用他发表的关于传输多路复用器的原创论文。
　　我要感谢《Understanding Digital Signal Processing》（Prentice Hall出版社）的作者Richard Lyons；《Notes on Digital Signal Processing》（Prentice Hall出版社）的作者David Myers、 Jim Kemerling、Michael Myers 和 C.Britton Rorabaugh，感谢他们对原稿的技术审核。
　　我还要感谢电磁系统实验室的Mike Tate长期的帮助，他是我曾一起工作过的、的技术员。在很多年前，他的帮助让我成功地开始了我的职业生涯。我要感谢Northrop Grumman的 Tom Ranweiler，他是我一同工作过的敏锐的软件设计工程师，他协助我成功地完成了我职业生涯一项重要的成果，那就是对独特的专用信号处理系统的设计。同样我有幸能够和Northrop Grumman的Pin-Wei Chen博士一同工作，他是一名的系统工程师，在他的帮助了下使我能够不断地深入研究，确保设计项目的开展。
　　后我要对我的妻子Mary表达深深的谢意，在这个漫长的项目中，感谢她对待我的耐心、支持、理解和鼓励。