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數字信號處理教程——MATLAB釋義與實現 (第3版)

( 簡體 字)
作者:陳懷琛類別:1. -> 工程繪圖與工程計算 -> Matlab
譯者:
出版社:電子工業出版社數字信號處理教程——MATLAB釋義與實現 (第3版) 3dWoo書號: 36235
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缺書
不接受訂購

出版日:8/1/2013
頁數:276
光碟數:0
站長推薦:
印刷:黑白印刷語系: ( 簡體 版 )
不接受訂購
ISBN:9787121209833
作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 
(簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證)
作者序:

譯者序:

前言:

第3版序
本書自2004年出版以來,受到學術界和工程界的廣泛好評。主要原因在于它是國內第一本用計算機作為解題和演示工具的信號處理教材,并且非常強調物理意義和實際應用。但我們發現,購買本書的多為教師和工程師,本科院校選擇它作為教材的還不夠多。其原因可能有二:一是相當多大學的三年級學生還沒有MATLAB的基礎;二是這本教材的內容相對于本科的教學要求還有些偏多偏深,上次修訂時就有過予以精簡的設想,但沒有實施。
隨著時間的推移,全國各個大學對科學計算語言日益重視。2009年,教育部高教司推行了“利用信息技術工具改造課程項目”,推動了許多大學課程的計算機化。有的學校在大一的線性代數、物理等課程以及大二的力學、電路、信號與系統等課程中開始講授和使用MATLAB語言,這些學生到了大三時已經有了初步的MATLAB編程能力,推廣這本教材也就有了較好的基礎。逐漸地有更多學校的老師希望使用這本書做教材,建議我們按普及知識的思路對本書進行改編,這促進了我們進一步修訂的決心。
此次修訂中,我們保留了所有講述基本概念的文字、程序和圖形,更加注意上下文的銜接,自始至終運用MATLAB程序闡述問題,提供了其他教材沒有的圖形、曲線和動畫。全書提供了演示程序、例題程序、解題子程序近160個,與前兩版相差不多。書中仍用大小兩種字號排版,并附有大量思考題和習題,便于讀者按先簡后繁的次序循序漸進地閱讀。書中采用的大小兩種字號中,小字屬于可以不學的次要內容,便于學生自學時跳過。作為基本要求,全書用大字印刷的內容不到200頁。如果學生有了初步的MATLAB語言基礎,在本科教學計劃時間內掌握本書所講內容應該是不困難的。
這一版的程序集取名為dsk04t。實際上該版的程序都包含在前兩版的程序集中。例題程序名原來是按例題編號取的,由于例題的減少,會造成編號的變化,遇到這種情況,我們將按新的編號確定程序名,并在后面加一個字母“t”,以免與以前的程序名混淆。例如原來的例3.2.4,原有的程序名為hc324,在修訂版中其編號變為了例3.2.2,在程序集dsk04t中它的程序名就改為hc322t,不過這種情況不多,絕大多數例題程序的編號都沒有變化。
本書的程序集和相關課件等教學資料可從下列網址中找到并下載。
(1)本人主頁:http://chen.matlabedu.cn。
(2)出版社網站:http://www.broadview.com.cn/20983。
此次修訂由我和江西理工大學的柴政老師合作完成。柴政老師用此書教了多屆學生,對學生的知識掌握情況比較了解,因此由他根據歷年的教學經驗提出修訂方案,經我們統一討論后,由柴政老師提供修訂初稿,再由我復核修改。
我的電子郵件地址為:hchchen1934@vip.163.com或hchchen@xidian.edu.cn,柴政老師的電子郵件地址為:chaizheng0924@163.com,歡迎讀者朋友向我們提出對教材的建議。
電子工業出版社對本書的修訂給予了大力支持,編輯張國霞做了大量的工作,我們謹表謝意。

西安電子科技大學 陳懷琛
2013年6月

第2版序
本書第1版于2004年11月出版以后,讀者普遍反映很好。因為這本書與其他傳統的教材不同,它是一本用MATLAB全面闡述數字信號處理的教材,給出了所有概念闡述的形象演示和分析設計的計算機算法,而且提供了例題和演示的程序集,書中所有理論和公式都可以通過執行程序得到驗證,理論聯系實際。讀者學完后會快速地用計算機解決問題,做到心中有底。讀者反映這本書的缺點主要是對本科生而言內容有些偏多。
在修訂出版第2版時,我們最初想把書改淺一些,薄一點,為此又專門征求了一些曾仔細閱讀并使用過本書的教授的意見。現把他們的意見摘出幾條:“我覺得您已出版的‘釋義’雖然厚一些,但寫得易懂。若從頭寫一本更薄的,恐怕篇幅小,難以達到‘釋義’那本書的效果。”,“您的書是國內用MATLAB闡述DSP的第一本好書。最好不要重新寫另一本。完全可以在原來的基礎上進一步完善。”……經過探討,大家覺得本書在對物理和數學概念的闡述上毫不遜于傳統的教材,例如,關于模擬頻率和數字頻率的定義、關于角頻率的正負,以有主對DFT的序號k與實際頻率f的關系等,講得很細致,便于本科生接受。其實,作者收到過一些本科生贊揚本書的來信,他們的經驗是,不要怕書厚,不要怕MATLAB,一個問題一個問題地看下去,這本書講得很清楚,而且馬上可以用程序驗證,很好懂。
目前,大學本科用這本書作教材的還不太多,第一個原因是很多大學生(甚至部分老師)的MATLAB基礎差,見到程序就頭痛,不敢用MATLAB教學。但是從國內外發展的趨勢來看,要搞信號處理,不用計算機是不行的,用MATLAB的學校只會愈來愈多。令我們高興的是:隨著時間的推移,本書的大量程序已被多本其他教材引用。我們不能自己放棄或削弱這個特色。第二個原因是書中確有少數偏深的內容,這些內容雖然超越了本科大綱,卻有利于已經畢業的讀者在設計中更好地運用MATLAB,也有利于大學生在后續課程或畢業設計中應用。考慮到第1版的讀者群并不限于本科生,很多是畢業了的工程師或研究生,這些內容仍是重要的,不能刪除。同時為了保證大學生閱讀方便,在本版中把它們用小號字印刷。
這樣,第2版的修訂量就比較小,主要包括了以下三方面:? 改正了第1版中的一些印刷錯誤和圖文標注;? 由于MATLAB軟件的升級,對相關部分按新版本做了修訂;? 盡量減少大號字的篇幅,把它們改為小號字,使本科生能抓住要點,閱讀方便。修訂后程序集內容基本不變,新程序集名稱改為dsk04n,修改中盡量考慮了新舊版本的兼容問題。
北京理工大學的王大倫教授曾仔細閱讀本書第1版,對書中的大小錯誤都做了批注,并反饋給作者,對第2版的修訂幫助很大,在此特表謝意。
用MATLAB已經可以把信號處理的概念設計變成非常方便的工作。近幾年來,Mathworks公司致力于擴展MATLAB的功能,目的是用基于模型的流程,使用統一的軟件工具,把概念設計變成工程設計。這就更提高了把MATLAB作為設計工具的重要性。我們在本版中增加了第10章,對此做了一個引導性的介紹。北京邁斯沃克公司(Mathworks China)的徐正高高級工程師寫了該章的10.4和10.5兩節,我們在此深表謝意。

陳懷琛 2008-05-19
于西安電子科技大學

第1版序
隨著電子技術迅速地向數字化發展,《數字信號處理》越來越成為廣大理工科學生,特別是IT領域的學生和技術人員的必修內容,先前也出版過很多有關這方面的書籍。但國內這門課程本身的現代化進程,卻并不令人滿意。這里的“現代化”指的是利用最新的計算技術和網絡手段進行教學。我編寫這本書的目的,就是想突出利用MATLAB和Internet來進行數字信號處理的教學。
信號處理涉及大量的運算,可以說離開了計算機及相應的軟件,就不可能解決任何稍微復雜的實際應用問題。早在20世紀90年代中期,MATLAB就已成為國際公認的信號處理的標準軟件和開發平臺。從1996年開始,美國新出版的信號處理教材就沒有一本是不用MATLAB的(見參考文獻〔1,3,7,8,9〕)。而國內把MATLAB貫徹始終的信號處理教材卻還很少,在教學中真正用MATLAB的就更少,兩者相比落后了近八年。本書的一個意圖就是使之成為一本自始至終使用MATLAB闡述問題和進行計算的數字信號處理教材,更好地與國際接軌。
關于《數字信號處理》課程的內涵,存在著兩種不同看法:一種看法是把“數字信號”限定為“處理”的對象;另一種看法則把“數字技術”作為一種方法,研究如何用它來“處理信號”。從第一種看法出發,“數字信號處理”課程只講離散信號。經驗證明,這種劃分會造成學生不會用數字技術處理連續信號,形成學科內容的“空白區”。而從第二種看法出發,“數字信號處理”課程應該同時考慮連續和離散信號,重點是如何用計算機進行分析和計算。我贊同后一種看法。因此,在本書多處加強了離散信號和連續信號等價性的討論,并詳細介紹了連續信號頻譜的數值計算問題。
中國的教材一般將快速傅里葉變換列為一章,篇幅約30∼40頁。美國教材則通常列為一節,篇幅一般只有10頁左右。這是什么原因?我認為目前在所有的科學計算軟件和數字信號處理芯片中,FFT已經是標準的模塊,一般都沒有必要自己編寫FFT程序,所以重點應該是FFT的用法而不是算法。國外教材對這部分內容經歷了“薄—厚—薄”的歷史過程,我國則慢了一拍,所以本教材也精簡了這方面的內容。
在把數字信號處理概念與MATLAB語言相結合方面,國外教材有多種模式。有的以講概念為主,把MATLAB放在作業和實驗中(見參考文獻〔9〕);有的以MATLAB為主,概念則建議讀者另選教材(見參考文獻〔1〕);有的兩者都講得不少,但書就變得很厚(見參考文獻〔8〕):本書則大體采納了參考文獻〔3〕的模式,以系統地講解信號處理的原理為主,用MATLAB程序的核心語句幫助解釋概念。要做到這點,學生必須在修本課程以前已經學過并用過MATLAB。當然,這并不是說,沒有學過MATLAB就不能用本書。我曾在西安電子科技大學和桂林電子工業學院兩次使用MATLAB進行數字信號雙語教學,教材是英文書(見參考文獻〔1〕),課堂上90%用英語講,學生中多數人沒有學過MATLAB,課還是正常進行,完成得還可以。但這些學生都已通過英語四級,因此屬于班級中程度較高者,而且多加了一個學分。盡管如此,在教學中有些同學仍提出“究竟是著重概念還是編程”這樣的問題,說明他們將語言和概念結合起來時仍感到困難。所以,經驗告訴我們:從大面積課堂教育而言,最好不要把MATLAB放到高年級和信號處理混在一起學。
我一貫的指導思想是:學生應在大學一年級或二年級學習MATLAB,這對各門課程都有好處。信號處理課是在大學三年級開設的。此時學生應該已經能用矩陣建模并用MATLAB語言來思考和概括數學問題了。有了這樣的基礎,才能對本書有較深的體會。建議未學過MATLAB的讀者,至少用10個小時左右的時間先學習其入門并實際做一些應用。由于讀者可以免費獲得全部程序,從而也可得到程序產生的圖形。我們把書中的程序都用小字排版,圖形也縮排了,以降低篇幅和書價。希望讀者理解。
為了兼顧不同類型的專業和學生對數字信號處理的不同要求,本書在排版上分了大小兩種字形。大字是達到基本要求應掌握的內容,小字排版的部分是可以跳過不看的,不會影響對本課程基本概念的掌握。每章的最后都給出了復習思考題和習題,以利于讀者自學復習。
為了闡述數字信號處理中的重要概念,本書采用了一些其他教材中未采用的術語和方法。例如,離散時間傅里葉變換、采樣序列的等價序列、符幅特性、在無窮遠鄰域的收斂性、離散最小二乘設計法等。書中也有一些作者本人的研究工作內容。比如,信號流圖的解析形式及MATLAB解、信號流圖與狀態空間法的轉換和MATLAB解、系數向量量化的子程序以及一些有圖形、動畫和聲音表現的演示程序等。其目的是引起大家討論,更好地解放思想,用創新的態度來對待這門課程的教學。
這本書采用了參考文獻〔4,3,1,5,8〕中不少的內容和例題,用到了這些作者的寶貴經驗,也借用了一些圖形、例題和習題,乘此機會向這些教材的作者們表示謝意。在2003年8月的“第十一屆信號處理學術年會”上,我曾就編寫本書的指導思想,與許多信號處理界的專家(如袁保宗、程佩青、張賢達等教授)交換過意見,得到了他們的支持。本書初稿形成后,又曾廣泛征求了本校的丁玉美、趙樹杰、廖桂生、高西全、史林等長期從事數字信號處理教學的教授們對初稿的意見,特別是丁玉美教授仔細閱讀了稿件,給予作者很大的幫助。西安電子科技大學的段寶巖校長還特別資助了作者的學術交流經費,保錚院士對本書的出版也給予了關心。此外Mathworks公司對本書的出版也給予了軟件新版本的支持,電子工業出版社博文視點資訊有限公司的各位編輯對本書一路綠燈,提供了出版和網頁方面的一切方便,使本書能及早問世。對大家的這些幫助,作者表示衷心的感謝。
由于作者水平和編著時間的限制,書中肯定有很多不足之處,歡迎廣大讀者指正。歡迎讀者將教學實踐中積累的經驗告訴本人,并希望大家不斷改進和充實網上的演示程序!

陳懷琛2004年8月31日
于西安電子科技大學
內容簡介:

本教程系統地講解了數字信號處理的基本理論和方法,注重物理概念的闡述,盡量把MATLAB的多媒體功能用于圖形、動畫和聲音等形象的演示,是一本自始至終使用MATLAB來闡述問題和進行計算的數字信號處理教材。本教程中的全部例題程序和演示程序都可以免費從網上下載。本教程把《數字信號處理》課程定位為講述“用數字方法處理(任何)信號”的技術,因此,對模擬信號的計算機處理給予了充分的篇幅,而這正是目前許多數字信號處理教材的弱點。

目錄:

第1章 數字信號處理的發展及應用 1
1.1 數字信號處理的興起 1
1.2 數字信號處理的任務 1
1.2.1 數字信號處理的應用 1
1.2.2 信號處理的主要任務 2
1.2.3 數字信號處理 3
1.3 信號采樣和復原實例 4
1.4 本書概貌的說明 5
1.4.1 對“數字信號處理”內涵的理解 5
1.4.2 關于MATLAB語言 6
1.4.3 本書的組成 6
復習思考題 7
習題 8
第2章 時域中的離散信號和系統 9
2.1 模擬信號與其采樣序列的關系 9
2.2 基本序列及序列的基本運算 10
2.2.1 序列的表示方法 10
2.2.2 常用的典型序列 11
2.2.3 序列的運算和變換 13
2.3 序列的周期延拓、奇偶分解和卷積 17
2.3.1 周期延拓 17
2.3.2 奇偶分解 18
2.3.3 復數域的分解 18
2.3.4 序列的卷積 20
2.4 時域離散系統 21
2.4.1 線性系統 21
2.4.2 線性時不變離散系統 22
2.4.3 LTI離散系統的數學描述——線性常系數差分方程 22
2.4.4 用MATLAB的遞推解法 24
2.5 脈沖響應——用時間序列表征的系統特性 24
2.5.1 脈沖響應的特性 24
2.5.2 用解析卷積方法求系統輸出 25
2.5.3 用向量矩陣乘法進行卷積計算 26
2.5.4 用脈沖響應判斷系統的因果性 28
2.5.5 用脈沖響應判斷系統的穩定性 28
2.5.6 用脈沖響應分類數字濾波器 28
2.6 序列運算的MATLAB函數列表 29
復習思考題 30
習題 30
第3章 離散序列的兩種傅里葉變換 32
3.1 序列信號的周期性和頻率 32
3.1.1 序列信號的周期性 32
3.1.2 序列信號的頻率 33
3.1.3 有限帶寬序列 36
3.2 離散時間傅里葉變換(DTFT) 36
3.2.1 離散時間傅里葉變換(DTFT)的定義 36
3.2.2 DTFT的性質 37
3.2.3 DTFT的解析計算示例 37
3.2.4 DTFT的數值計算示例 38
3.2.5 用MATLAB計算DTFT 40
3.2.6 MATLAB計算舉例 41
3.3 系統頻率特性及其計算 44
3.4 周期序列的頻譜——離散傅里葉級數 46
3.4.1 從一個計算實例出發 46
3.4.2 周期序列的傅里葉級數 47
3.4.3 用MATLAB計算離散傅里葉級數 49
3.5 離散傅里葉變換(DFT) 50
3.5.1 離散傅里葉變換(DFT)的定義 50
3.5.2 用MATLAB計算DFT和IDFT 51
3.5.3 兩種離散傅里葉變換(DFT與DTFT)的關系 52
3.6 離散傅里葉變換(DFT)的特性 53
3.6.1 隱含周期性 54
3.6.2 循環移位性質 55
3.6.3 循環折疊性質 56
3.6.4 循環卷積特性 57
復習思考題 60
習題 61
第4章 信號頻譜的高效計算 64
4.1 各種傅里葉變換及其相互關系 64
4.1.1 傅里葉變換的主要類型 64
4.1.2 DFT與其他變換的直接關系 65
4.2 快速傅里葉變換(FFT) 66
4.2.1 時域抽取(DIT)基二FFT算法 66
4.2.2 用MATLAB程序描述FFT算法 70
4.2.3 基四和其他基的FFT算法 71
4.2.4 其他FFT算法 71
4.3 用FFT計算離散時間序列的頻譜 73
4.3.1 有限長離散時間序列的頻譜計算 73
4.3.2 用補零方法由FFT求DTFT 74
4.3.3 無限長序列的頻譜計算 75
4.4 連續信號采樣中的頻譜變換 77
4.4.1 時域采樣定理(奈奎斯特定理) 77
4.4.2 由離散序列重構模擬信號 80
4.5 連續信號的頻譜計算 82
4.5.1 非周期連續信號的頻譜計算 83
4.5.2 連續周期信號的頻譜計算 88
4.6 從頻譜計算序列信號(IDFT) 90
4.6.1 頻率域采樣定理 90
4.6.2 從頻譜計算離散時間序列 91
4.6.3 從頻譜計算連續時間信號 94
4.7 用FFT計算能量 96
4.8 小結 97
復習思考題 97
習題 98
第5章 變換域中的離散時間系統 101
5.1 z變換 101
5.1.1 z變換的定義與收斂性 101
5.1.2 z變換的重要特性和定理 104
5.1.3 z變換的計算實例 105
5.2 z反變換和差分方程的解 105
5.2.1 用留數定理求z反變換 106
5.2.2 用部分分式法求z反變換 106
5.2.3 冪級數法(長除法)求z反變換 108
5.2.4 用z變換解差分方程 110
5.3 z域中對系統的描述 112
5.3.1 系統函數(傳遞函數) 112
5.3.2 正冪系統函數和零極增益形式 115
5.3.3 零極點分布與系統的因果性和穩定性 116
5.4 z平面上的譜分析 117
5.5 理想濾波器 118
5.5.1 數字濾波器的基本概念 118
5.5.2 理想的因果低通濾波器的頻率特性 119
5.5.3 線性相位條件對脈沖響應對稱性的要求 120
5.5.4 考慮因果性和對稱性對理想濾波器的影響 122
5.6 低階數字濾波器 122
5.6.1 一階數字濾波器 122
5.6.2 二階數字濾波器 125
5.6.3 梳狀濾波器的零極點分布 126
5.7 全通濾波器 127
復習思考題 128
習題 128
第6章 數字濾波器結構 131
6.1 概述 131
6.2 濾波器的信號流圖結構及解法 132
6.2.1 信號流圖 132
6.2.2 信號流圖方程的計算機解法 133
6.2.3 信號流圖與數字系統的網絡結構圖 135
6.3 FIR基本網絡結構 135
6.3.1 概述 135
6.3.2 直接形式 136
6.3.3 級聯形式 136
6.3.4 線性相位形式 137
6.3.5 頻率樣本結構 138
6.4 IIR基本網絡結構 141
6.4.1 直接形式 142
6.4.2 級聯形式 143
6.4.3 并聯形式 145
6.5 格型濾波器及其信號流圖解法 146
6.6 各種結構形式的轉換和比較 147
6.6.1 各種結構形式的轉換 147
6.6.2 從計算的復雜性做比較 148
6.6.3 從減小系數量化影響做比較 148
復習思考題 148
習題 149
第7章 FIR濾波器設計 151
7.1 數字濾波器設計的基本要求 151
7.1.1 數字濾波器的設計基本步驟 151
7.1.2 數字濾波器的主要指標 151
7.1.3 為什么以低通濾波器為典型 154
7.2 線性相位濾波器的特性 154
7.2.1 線性相位和符幅特性(Amplitude Response) 154
7.2.2 符幅特性的計算舉例 158
7.2.3 計算符幅特性的MATLAB程序 159
7.2.4 線性相位濾波器的零極點分布 161
7.3 設計FIR濾波器的窗函數法 161
7.3.1 對脈沖響應進行截斷的分析方法 161
7.3.2 矩形窗截斷的定量分析 163
7.3.3 幾種常用窗函數的介紹 166
7.3.4 MATLAB提供的窗函數 167
7.3.5 用窗函數設計FIR濾波器的步驟 169
7.4 利用頻率樣本法設計FIR濾波器 175
7.4.1 預期頻率特性的設置方法 175
7.4.2 頻率樣本法的設計過程 176
7.4.3 MATLAB中頻率樣本法的設計函數 180
7.5 FIR濾波器的最優設計法 181
復習思考題 184
習題 184
第8章 IIR濾波器設計 186
8.1 關于模擬濾波器的預備知識 186
8.1.1 模擬濾波器的指標 186
8.1.2 以模擬濾波器為基礎的設計方法 188
8.2 模擬濾波器原型的設計 189
8.2.1 巴特沃斯低通濾波器 189
8.2.2 切比雪夫I型低通濾波器 194
8.2.3 切比雪夫II型低通濾波器 198
8.2.4 橢圓低通濾波器 200
8.2.5 濾波器原型的相位響應 202
8.3 由模擬濾波器變換為數字濾波器 202
8.3.1 脈沖響應不變法 203
8.3.2 雙線性變換法 208
8.4 模擬濾波器的頻帶變換 216
8.4.1 低通到低通的頻帶變換 217
8.4.2 低通到高通的頻帶變換 217
8.4.3 低通到帶通的頻帶變換 218
8.4.4 低通到帶阻的頻帶變換 219
8.4.5 信號處理工具箱中的頻帶變換函數 220
8.5 MATLAB中直接設計IIR數字濾波器的函數 223
8.6 IIR和FIR數字濾波器的比較 224
復習思考題 225
習題 226
第9章 信號處理工程化的MATLAB工具 228
9.1 信號處理工具(sptool)的介紹 228
9.2 MATLAB中的濾波器設計工具 231
9.3 系數量化和運算量化的影響 234
9.3.1 數的浮點和定點表示方法 234
9.3.2 系數量化對FIR濾波器的影響舉例 236
9.3.3 系數量化對IIR濾波器的影響舉例 237
9.3.4 運算量化和溢出問題 238
9.3.5 濾波器設計工具中的量化處理 239
9.3.6 定點(Fix-point)工具箱 240
9.4 系統仿真(Simulink)工具簡介 240
9.4.1 概述 240
9.4.2 模塊庫及模型的建立 241
9.4.3 仿真的運行 242
9.5 MATLAB與嵌入式代碼的銜接 243
9.6 基于模型的開發流程 244
9.7 嵌入式代碼開發的一個實例 246
9.8 數字信號處理的未來 250
附錄A 信號處理工具箱函數集 252
附錄B 本書自編子程序索引表 258
附錄C 例題程序索引表 259
附錄D 圖形生成和演示程序索引表 262
參考文獻 263
序: