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内容简介

本书系统讲述数字信号处理的基本原理、实现及应用，主要讲述时域离散信号与系统的基本概念及时域和频域分析方法，重点讨论离散傅里叶变换及其快速算法、数字滤波器的基本概念与理论、数字滤波器的设计与实现方法，介绍有关多采样率数字信号处理的基本理论和高效实现方法、数字信号处理的典型应用，结合各章节的知识点、例题和习题介绍MATLAB信号处理方法。本书提供配套电子课件、MATLAB源代码、视频、习题参考答案、慕课（MOOC）网上在线课程等。 本书适合作为高等学校电子信息类专业和相近专业本科生的教材，也可作为相关专业科技人员的参考书。

作者简介

张立材，硕士，副教授，西安建筑科技大学通信工程教研室与通信与信息系统研究所骨干教师，陕西省图形图像学会会员和建筑学会弱电分会会员。1993年毕业于西安交通大学，获工学硕士学位。长期从事、电子信息及通信工程方面的教学及科研工作，主要研究领域包括自动化系统、数字图像处理，计算机与通信网络安全，智能信息处理等。 目前承担或参与多项纵向和横向科研任务，先后获得西安交通大学校级科技进步2、3等奖3项，西安建筑科技大学各类教学优秀奖3项，编著教材4部，主编教材2部。目前主要方向为：自动控制理论与应用，自动信号检测技术与信息融合技术，图形、图像的智能处理与分析，嵌入式智能控制技术及应用等。孙晓艳，博士，副教授，西安建筑科技大学通信工程教研室骨干教师。2011年毕业于西安电子科技大学，获工学博士学位。长期从事通信工程方面的教学与科研工作，主要研究领域包括：无线通信系统、移动自组织网络、无线传感器网络、车联网和物联网等。承担或参与多项纵向和横向科研项目和教学研究项目，编著教材3部。

目录

目 录
第1章 离散时间信号与系统 1
1．1 信号和信号处理 1
1．1．1 信号的特征与分类 1
1．1．2 典型的信号处理运算 3
1．2 离散时间信号 6
1．2．1 时域离散信号的表示方法 6
1．2．2 典型的时域离散信号 8
1．2．3 周期序列 10
1．2．4 离散序列的时域运算 11
1．2．5 任意序列的单位脉冲序列表示 17
1．3 时域离散系统 17
1．3．1 线性时不变离散系统 18
1．3．2 线性时不变离散系统输出与输入的关系 20
1．3．3 系统的因果性和稳定性 23
1．4 常系数线性差分方程 27
1．4．1 N阶线性时不变系统的差分方程描述 27
1．4．2 线性常系数差分方程的递推解法 28
1．4．3 用MATLAB求解差分方程 29
1．5 模拟信号数字化处理方法 30
1．5．1 时域采样 30
1．5．2 采样在频域中的效应 30
1．5．3 模拟信号的恢复 34
小结 36
思考练习题 37
习题 37
第2章 时域离散信号的频域分析 40
2．1 时域离散信号的傅里叶变换 40
2．1．1 时域离散信号的傅里叶变换的定义 40
2．1．2 周期序列的离散傅里叶级数 41
2．1．3 周期序列的傅里叶变换表示 43
2．1．4 序列傅里叶变换的性质 46
2．1．5 时域离散信号傅里叶变换的对称性 47
2．2 时域离散信号的z变换 51
2．2．1 z变换的定义 51
2．2．2 z变换的收敛域 52
2．2．3 序列z变换与其傅里叶变换之间的关系 55
2．2．4 z逆变换 57
2．2．5 z变换的性质 62
2．3 时域离散系统的系统函数与系统频率特性 68
2．3．1 系统的传输函数与系统函数 68
2．3．2 利用系统函数分析系统的因果稳定性 69
2．3．3 用z变换计算系统的输出响应 71
2．3．4 用系统函数的零、极点分布分析系统的频率特性 76
2．4 时域离散信号z变换与拉普拉斯变换、傅里叶变换的关系 80
小结 82
思考练习题 83
习题 84
第3章 离散傅里叶变换 90
3．1 离散傅里叶变换的定义 90
3．1．1 离散傅里叶变换定义 90
3．1．2 离散傅里叶变换与FT、ZT、离散傅里叶级数的关系 91
3．2 离散傅里叶变换的性质 94
3．3 频率域采样 101
3．4 快速傅里叶变换 103
3．4．1 直接计算离散傅里叶变换的问题及改进的途径 103
3．4．2 DIT基2FFT算法 104
3．4．3 DIF基2FFT算法 111
3．4．4 离散傅里叶逆变换的快速计算方法 111
3．5 离散傅里叶变换的应用举例 112
3．5．1 用离散傅里叶变换计算线性卷积 112
3．5．2 用离散傅里叶变换对信号进行谱分析 115
小结 116
思考练习题 116
习题 117
第4章 数字滤波器的算法结构 123
4．1 数字滤波器的基本概念 123
4．2 时域离散系统的实现 123
4．2．1 系统分类 123
4．2．2 系统结构的信号流图表示 124
4．3 IIR系统的基本结构 125
4．3．1 直接型 125
4．3．2 转置型 126
4．3．3 级联型 127
4．3．4 并联型 128
4．4 FIR系统的基本结构 129
4．4．1 FIR直接型 129
4．4．2 FIR级联型 130
4．4．3 线性相位型 130
4．4．4 频域采样型 131
4．4．5 快速卷积法 136
4．5 格形网络 137
4．5．1 全零点（FIR）型 137
4．5．2 全极点（IIR）型 139
4．5．3 零、极点（IIR）型 140
4．6 特殊滤波器 141
4．6．1 全通滤波器 141
4．6．2 数字谐振器 143
4．6．3 数字陷波器 145
4．6．4 最小相位滤波器 146
4．6．5 梳状滤波器 147
4．6．6 正弦波发生器 148
4．6．7 数字信号处理系统结构的计算复杂度 149
小结 149
思考练习题 150
习题 150
第5章 无限脉冲响应数字滤波器的设计 153
5．1 模拟滤波器设计 153
5．1．1 模拟滤波器技术指标 153
5．1．2 巴特沃思低通滤波器设计 154
5．1．3 切比雪夫滤波器设计 161
5．1．4 椭圆滤波器设计 168
5．1．5 贝塞尔滤波器设计 170
5．1．6 常用模拟滤波器的比较 171
5．1．7 模拟滤波器频率变换 171
5．2 IIR数字滤波器设计 178
5．2．1 脉冲响应不变法 179
5．2．2 双线性变换法 184
5．2．3 低通、高通、带通及带阻IIR数字滤波器的设计 191
5．2．4 IIR数字滤波器的频率变换 197
小结 200
思考练习题 200
习题 201
第6章 有限脉冲响应滤波器的设计 204
6．1 线性FIRDF的特点 204
6．1．1 FIRDF线性相位条件 204
6．1．2 FIRDF幅度特性 206
6．1．3 FIRDF零点分布特点 210
6．2 窗函数法设计FIR DF 210
6．2．1 FIRDF窗函数设计方法 211
6．2．2 常用窗函数 214
6．2．3 用窗函数法设计FIRDF的MATLAB函数 219
6．3 频率采样法设计FIRDF 224
6．3．1 频率采样法设计FIR DF基本原理 224
6．3．2 频率采样法设计线性相位滤波器的条件 225
6．3．3 逼近误差及其改进措施 226
6．4 等波纹最佳逼近设计法 232
6．4．1 等波纹最佳逼近基本原理 232
6．4．2 remez和remezord函数及应用 236
6．4．3 FIR数字微分器设计 237
6．4．4 FIR希尔伯特变换器设计 239
6．5 IIR和FIR数字滤波器的比较 240
小结 240
思考练习题 241
习题 242
第7章 多采样率数字信号处理 247
7．1 多采样率数字信号处理的工程需求 247
7．2 按整数因子抽取 247
7．3 按整数因子内插 250
7．4 按有理数因子的采样率转换 252
7．5 多采样率转换滤波器的设计 252
7．5．1 直接型FIR滤波器结构 253
7．5．2 多相滤波器实现 255
7．5．3 采样率转换系统的多级实现 257
7．5．4 用MATLAB设计采样率转换滤波器 261
小结 261
思考练习题 262
习题 262
第8章 数字信号处理的实现与应用举例 264
8．1 数字信号处理的软件实现 264
8．2 数字信号处理中的有限字长效应 266
8．2．1 数值表示法对量化的影响 267
8．2．2 滤波器系数量化误差 269
8．2．3 模数转换器的量化误差 270
8．2．4 运算产生的误差 271
8．3 数字信号处理的实现与应用举例 272
8．3．1 在音频信号处理中的应用 272
8．3．2 在图像信号处理中的应用 281
小结 284
思考练习题 284
习题 284
参考文献 286

前言/序言

前 言

随着信息科学和计算机技术的迅速发展，数字信号处理理论与应用也得到了飞速发展并成为近年来发展最为迅猛的学科之一，并已在多个科学技术领域获得了极为广泛的应用，成为工科大学生的必修课程和诸多科技领域工程人员必须掌握的一项基本技能。

虽然数字信号处理的重要性已经得到认同，但是学生在学习的过程中对这门课始终是“爱恨交织”。数字信号处理课程大多侧重于算法的理论及其推导，学生学起来感到枯燥、难懂，理解困难。本书力求突出基本原理、基本概念与基本分析方法的介绍，力求清楚分析、叙述问题。同时，为满足国家无线电技术与信息系统教材编委会制定的教学大纲的要求以及篇幅的限制，本书内容选取坚持少而精的原则。另一方面，为使有关信号处理的理论更方便地应用于实践，引入MATLAB进行设计与分析，使得一些很难理解的抽象理论得到直观演示解释。为了更进一步解决读者理解困难的问题，本书在相应的知识点增加了补充说明的慕课视频。在慕课中结合MATLAB给出实例和详细的函数实现和设计代码，使得读者可以通过慕课中介绍的方法动手操作加深对理论问题的理解。

本书共分8章。第1章介绍数字信号处理的概念与应用；第2章是学习和应用数字信号处理的理论基础内容，主要介绍时域离散信号与系统时域分析和变换域分析的基本理论；第3章介绍离散傅里叶变换及其快速算法和应用等；第4章介绍数字信号处理系统的结构，滤波器的概念以及一些特殊滤波器的概念和特点；第5章以介绍模拟滤波器的设计原理为基础，介绍IIR数字滤波器的设计方法；第6章介绍FIR数字滤波器的主要特点和设计方法；第7章介绍多采样率数字信号处理的基本原理、采样率变换系统的实现方法和高效实现网络结构等；第8章主要讨论数字信号处理中的算法实现及实现中涉及的问题。

本书的先修课程是工程数学、信号与系统、数字电子技术和微机原理等。

本书提供配套电子课件、MATLAB源代码、视频、习题参考答案等教辅资料，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）注册下载，登录www.hxspoc.cn进行慕课（MOOC）网上在线课程的学习。

本书参考教学时数为60课时。如果已先修“信号与系统”课程，建议不讲第1章和第2章，教学时数减少为40课时左右。少学时教学也可以不讲第7章，有选择地讲第8章。对相关专业大专类学生，只讲前6章的参考学时数为50学时。

本书由孙晓艳、王稚慧、要趁红、张立材编著。第1章和第2章由张立材编写，第3章和第4章由孙晓艳编写，第5章和第6章由要趁红编写，第7章由王稚慧编写，第8章由和亮 编写，各章习题由张超 和何箐 编写。

由于编者水平所限，书中难免存在不足之处，欢迎广大读者指正，以使本书进一步完善。

作 者

2017年12月