本書以習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo),深入學(xué)習(xí)貫徹黨的二十大精神,學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述,全面貫徹黨的教育方針,落實(shí)立德樹人根本任務(wù),以教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)為目標(biāo),全面提高人才自主培養(yǎng)質(zhì)量。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)已成為通信、電子信息、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生必須學(xué)習(xí)和掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。
本書針對(duì)工程應(yīng)用型本科專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn),注重?cái)?shù)字信號(hào)分析和數(shù)字處理系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、時(shí)間離散信號(hào)與系統(tǒng)的變換域分析方法、離散傅里葉變換原理及應(yīng)用、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。
本書將基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合,通過(guò)典型的應(yīng)用實(shí)例,使讀者在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論時(shí),能夠掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本應(yīng)用。本書在算法設(shè)計(jì)方面未給出嚴(yán)格完整的數(shù)學(xué)證明,需要的讀者可參閱相關(guān)書籍。教師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況在課堂講授部分應(yīng)用例子,還有大部分例子供學(xué)生自己閱讀,在鞏固學(xué)生對(duì)基本概念的理解和應(yīng)用的同時(shí),擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。
本書的另一特色是將MATLAB軟件引入數(shù)字信號(hào)處理的課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)。基于MATLAB的演示課件,從文字、圖像、聲音、動(dòng)畫等方面多維地揭示算法設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)過(guò)程和信號(hào)處理效果,有效地提高了教學(xué)效果; 所配備的實(shí)驗(yàn)源程序,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
本書是在2018年《數(shù)字信號(hào)處理原理和算法實(shí)現(xiàn)》(第3版)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂而成的; 本次修訂對(duì)每章內(nèi)容新增了思政元素的拓展閱讀材料,并豐富了配套教學(xué)資源(如微課視頻、教學(xué)大綱、教學(xué)課件等)?紤]工程應(yīng)用型本科專業(yè)的教學(xué)課程體系中通常另開設(shè)偏重基于數(shù)字信號(hào)處理芯片開發(fā)平臺(tái)的單獨(dú)課程,故本書內(nèi)容更加適合數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)課堂教學(xué)。
本書第1~3章側(cè)重基本概念原理; 第4章快速傅里葉變換對(duì)讀者進(jìn)行工程項(xiàng)目開發(fā)有指導(dǎo)意義; 第5~7章介紹數(shù)字處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)算法。根據(jù)教學(xué)要求,教師在教學(xué)內(nèi)容中融入一定的思政元素,安排一定的MATLAB軟件仿真實(shí)驗(yàn)課時(shí)在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中至關(guān)重要。讀者只有通過(guò)必要的書面和上機(jī)練習(xí),才能掌握本課程的基本方法; 并通過(guò)一定的拓展閱讀,加深對(duì)理論結(jié)合實(shí)踐的全方位理解。
本書由魏爽主編。緒論及第1~3章由魏爽編寫; 第4、第5、第7章由郭暢編寫; 第6章以及各章的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由佟樂(lè)編寫; 各章的習(xí)題和參考答案由李莉編寫。
本書集作者在上海師范大學(xué)多年課程建設(shè)的探索和教學(xué)改革的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),是上海市精品課程建設(shè)配套教材。本書也可作為相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員的參考書。在本書的編寫過(guò)程中,得到了上海師范大學(xué)的大力支持,在此表示感謝!
由于編者水平有限,書中難免有錯(cuò)誤和不妥之處,敬請(qǐng)讀者不吝指正。
編者2023年12月于上海師范大學(xué)
緒論
0.1數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的組成
0.2數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)
0.3數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科的內(nèi)容
0.4數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)
0.5數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域
第1章離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)
1.1概述
1.2時(shí)域離散信號(hào)
1.2.1模擬信號(hào)的采樣、序列
1.2.2常用典型序列
1.2.3序列的運(yùn)算
1.3離散時(shí)間系統(tǒng)
1.3.1線性
1.3.2時(shí)不變性
1.3.3系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系
1.3.4系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性
1.4系統(tǒng)的線性常系數(shù)差分方程及其求解
1.4.1系統(tǒng)的線性常系數(shù)差分方程
1.4.2線性常系數(shù)差分方程的求解
1.5模擬信號(hào)數(shù)字處理方法
1.5.1模擬信號(hào)數(shù)字處理方法概述
1.5.2數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)
1.6MATLAB實(shí)現(xiàn)
1.6.1常用序列的MATLAB實(shí)現(xiàn)
1.6.2序列運(yùn)算的MATLAB實(shí)現(xiàn)
1.6.3卷積和的MATLAB實(shí)現(xiàn)
1.6.4MATLAB求解離散系統(tǒng)的差分方程
1.7習(xí)題
思政小課堂
第2章離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的變換域分析
2.1概述
2.2序列的離散時(shí)間傅里葉變換
2.2.1離散時(shí)間傅里葉變換定義
2.2.2離散時(shí)間傅里葉變換的性質(zhì)
2.3周期序列的離散傅里葉級(jí)數(shù)與離散時(shí)間傅里葉變換
2.3.1周期序列的離散傅里葉級(jí)數(shù)
2.3.2周期序列的離散時(shí)間傅里葉變換
2.4離散時(shí)間傅里葉變換和連續(xù)時(shí)間傅里葉變換之間的關(guān)系
2.5z變換
2.5.1z變換的定義
2.5.2z變換的收斂域
2.5.3逆z變換
2.5.4z變換的性質(zhì)與定理
2.5.5利用z變換求數(shù)字系統(tǒng)的輸出
2.6用z變換分析系統(tǒng)的因果性、穩(wěn)定性和頻響特性
2.6.1傳輸函數(shù)與系統(tǒng)函數(shù)
2.6.2因果性和穩(wěn)定性
2.6.3信號(hào)頻譜/系統(tǒng)頻響的幾何解釋
2.7MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.7.1周期序列傅里葉級(jí)數(shù)的MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.7.2序列逆z變換的MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.7.3系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.7.4系統(tǒng)頻率響應(yīng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.8習(xí)題
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第3章離散傅里葉變換
3.1引言
3.2離散傅里葉變換的定義
3.2.1離散傅里葉變換和逆離散傅里葉變換的定義
3.2.2離散傅里葉變換和z變換的關(guān)系
3.2.3周期序列與有限長(zhǎng)序列的內(nèi)在聯(lián)系
3.3離散傅里葉變換的性質(zhì)
3.3.1線性性質(zhì)
3.3.2序列的和
3.3.3序列的初值
3.3.4序列的圓周移位(循環(huán)移位)
3.3.5圓周卷積(循環(huán)卷積)及其與有限長(zhǎng)序列線性卷積的關(guān)系
3.3.6序列的相關(guān)性
3.3.7帕斯瓦爾定理
3.3.8有限長(zhǎng)序列及其離散傅里葉變換的奇偶性和對(duì)稱性
3.4頻域取樣
3.5用離散傅里葉變換對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行譜分析
3.5.1離散傅里葉變換是對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)傅里葉變換的近似
3.5.2頻率分辨率
3.5.3離散傅里葉變換分析連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)實(shí)例
3.6用離散傅里葉變換對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行譜分析
3.7離散傅里葉變換應(yīng)用中的問(wèn)題與參數(shù)選擇
3.7.1混疊現(xiàn)象
3.7.2欄柵效應(yīng)
3.7.3頻率泄漏
3.8MATLAB實(shí)現(xiàn)
3.8.1離散傅里葉變換的MATLAB實(shí)現(xiàn)
3.8.2用離散傅里葉變換計(jì)算線性卷積和圓周卷積的MATLAB實(shí)現(xiàn)
3.8.3連續(xù)時(shí)間信號(hào)譜分析的MATLAB實(shí)現(xiàn)
3.9習(xí)題
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第4章快速傅里葉變換
4.1概述
4.2基2快速傅里葉變換
4.2.1按時(shí)間抽取的快速傅里葉變換原理
4.2.2按頻率抽取的快速傅里葉變換
4.2.3快速傅里葉反變換
4.3矩陣形式的快速傅里葉變換
4.3.1算法原理
4.3.2進(jìn)一步減少運(yùn)算量的措施
4.4快速傅里葉變換應(yīng)用于長(zhǎng)序列卷積
4.4.1快速卷積
4.4.2重疊相加
4.4.3重疊保留
4.5線性調(diào)頻z變換
4.5.1線性調(diào)頻z變換的定義
4.5.2線性調(diào)頻z變換的特點(diǎn)
4.5.3線性調(diào)頻z變換的快速實(shí)現(xiàn)
4.6離散哈特萊變換
4.6.1離散哈特萊變換的定義
4.6.2離散哈特萊變換和離散傅里葉變換的關(guān)系
4.6.3離散哈特萊變換的性質(zhì)
4.7MATLAB實(shí)現(xiàn)
4.8習(xí)題
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第5章數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)
5.1概述
5.2信號(hào)流圖表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
5.3無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
5.3.1直接型Ⅰ
5.3.2直接型Ⅱ(典型型)
5.3.3級(jí)聯(lián)型
5.3.4并聯(lián)型
5.3.5轉(zhuǎn)置型
5.4有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的基本結(jié)構(gòu)
5.5格型結(jié)構(gòu)
5.6MATLAB實(shí)現(xiàn)
5.7習(xí)題
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第6章無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)
6.1基本概念
6.1.1數(shù)字濾波器和模擬濾波器
6.1.2濾波器的指標(biāo)
6.1.3數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原則
6.2模擬濾波器的設(shè)計(jì)
6.2.1模擬低通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)
6.2.2巴特沃斯模擬低通濾波器設(shè)計(jì)
6.2.3切比雪夫模擬低通濾波器設(shè)計(jì)
6.2.4模擬濾波器的頻率變換
6.3無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)低通濾波器設(shè)計(jì): 脈沖響應(yīng)不變法
6.3.1一般數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思想
6.3.2脈沖響應(yīng)不變法的變換思想及方法
6.3.3脈沖響應(yīng)不變法的參數(shù)映射關(guān)系及特點(diǎn)
6.4無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)低通濾波器設(shè)計(jì): 雙線性變換法
6.4.1雙線性變換的一般變換關(guān)系
6.4.2間接法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器時(shí)T的選擇
6.4.3雙線性變換法、脈沖響應(yīng)不變法的比較
6.5無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計(jì)
6.5.1設(shè)計(jì)思路
6.5.2頻率變換法設(shè)計(jì)數(shù)字高通濾波器
6.5.3z平面變換法
6.6無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器直接設(shè)計(jì)法
6.7無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例(MATLAB分析)
6.7.1模擬低通濾波器設(shè)計(jì)
6.7.2模擬數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換
6.7.3數(shù)字濾波器應(yīng)用實(shí)例
6.8習(xí)題
思政小課堂
第7章有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)
7.1有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的線性相位條件和特點(diǎn)
7.2窗函數(shù)法設(shè)計(jì)有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器
7.2.1窗函數(shù)技術(shù)
7.2.2窗函數(shù)法的應(yīng)用
7.3頻率采樣法設(shè)計(jì)有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器
7.4優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)
7.4.1優(yōu)化準(zhǔn)則
7.4.2線性相位有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的切比雪夫最優(yōu)逼近
7.5無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器和有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的比較
7.6有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)
7.6.1窗函數(shù)法設(shè)計(jì)有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)
7.6.2頻率采樣法設(shè)計(jì)有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)
7.6.3有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
7.6.4信道均衡器的有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)
7.7習(xí)題
思政小課堂
參考答案
參考文獻(xiàn)