数字信号分析和处理(第2版） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书系统深入地介绍了数字信号分析和处理的原理和算法。全书由12章组成。第1章是预备知识，概述了连续信号处理的基本知识和采样定理，连续信号处理的各种概念和技术对于深入地理解数字信号处理的结果是非常有帮助的. 第2~8章是全书的核心，包括离散信号与系统的表示、离散变换和快速算法、数字频谱分析、数字滤波器设计和实现、希尔伯特变换和复倒谱、多采样率处理等； 第9~12章介绍了几个与实际应用更加密切的专题，包括有限字长效应、带通采样和I/Q采样技术、数字处理提高A/D和D/A性能、自适应滤波器和数字信号处理系统实现技术等。

0.1信号的基本概念和分类

0.2数字与离散

0.3信号处理

0.4离散处理系统和数字处理系统的发展

0.5本书的组成

第1章信号处理：  从连续到离散

1.1连续时间信号的表示

1.1.1常用连续信号

1.1.2冲激函数

1.1.3信号的脉冲分解

1.2线性时不变系统

1.3线性时不变系统的特征表示

1.4傅里叶分析

1.4.1傅里叶变换的定义和基本性质

1.4.2信号的冲激谱

1.4.3用傅里叶变换表示LTI系统

1.4.4时宽带宽积

1.5拉普拉斯变换和系统函数

1.5.1拉普拉斯变换及其性质

1.5.2拉普拉斯反变换

1.5.3连续时间系统的拉普拉斯变换分析

1.6基本采样定理

1.7本章小结

习题

第2章离散信号与系统基础

2.1离散信号与系统

2.1.1信号的表示问题

2.1.2离散信号的分类

2.1.3一些常用的基本信号

2.1.4离散信号的基本运算

2.1.5离散信号的单位抽样表示

2.1.6离散时间系统

2.2离散LTI系统的卷积和方法

2.2.1离散LTI系统的卷积和

2.2.2由卷积和表示的LTI系统性质

2.3离散LTI系统的特征表示与变换

2.4离散时间傅里叶变换

2.4.1离散时间傅里叶变换的定义

2.4.2离散时间傅里叶变换的性质

2.4.3周期序列的DTFT

2.4.4LTI系统的频率响应

2.4.5自相关分析、能量信号和功率信号

2.5z变换和系统函数

2.5.1z变换的定义和收敛域

2.5.2z变换的有理分式形式和零极点

2.5.3z反变换

2.5.4z变换的性质

2.5.5用z变换表示系统

2.5.6通过零极点分析频率响应

2.6连续信号的数字处理问题初探

2.6.1连续和离散频谱之间的关系

2.6.2连续系统和离散系统的关系

2.7与本章相关的MATLAB函数与实例

2.7.1相关的MATLAB函数简介

2.7.2MATLAB例程

2.8本章小结

习题

MATLAB习题

第3章有限长序列离散变换和快速算法

3.1离散正交变换

3.2离散傅里叶变换

3.2.1DFT作为对DTFT的频域离散采样

3.2.2DFT的矩阵表示

3.2.3DFT的实例

3.3DFT与周期序列傅里叶级数的关系

3.4DFT的性质

3.5用DFT计算相关序列

3.6DFT的快速计算方法

3.6.1按时间抽取基2FFT算法

3.6.2按频率抽取基2FFT算法

3.6.3基4和分裂基FFT

3.6.4滑窗FFT算法

*3.6.5组合数FFT算法简述

3.6.6快速傅里叶反变换

3.7CZT算法

3.8离散余弦变换及其快速算法

3.8.1离散余弦变换

3.8.2离散余弦变换的快速算法

*3.9一些其他离散变换简介

3.9.1离散正弦变换

3.9.2Hadamard变换

3.9.3Haar变换

3.9.4Slant变换

3.10与本章相关的MATLAB函数与实例

3.10.1相关的MATLAB函数简介

3.10.2MATLAB例程

3.11本章小结

习题

MATLAB习题

第4章数字频谱分析

4.1DFT与连续信号频谱的关系

4.1.1DFT与连续信号频谱关系的直观解释

4.1.2DFT与连续信号频谱关系的一般性解释

4.2利用DFT的频谱分析

4.2.1通过DFT做频谱分析的一般过程

4.2.2加窗与频率分辨率

4.2.3DFT的频率泄漏和栅栏效应

4.2.4由DFT插值DTFT的讨论

4.3窗函数和加窗频谱分析

4.4对DFT做频谱估计的评述

4.5通过DFT进行能量谱和功率谱估计

*4.6短时傅里叶变换做时频谱分析

4.6.1短时傅里叶变换

4.6.2离散信号短时傅里叶变换的计算

4.7与本章相关的MATLAB函数与实例

4.7.1相关的MATLAB函数简介

4.7.2MATLAB例程

4.8本章小结

习题

MATLAB习题

第5章离散系统和数字滤波器

5.1线性时不变系统的表示方法

5.2系统设计

5.2.1逆系统设计

5.2.2数字滤波器设计

5.3全通系统和小相位系统

5.3.1全通系统

5.3.2小相位系统

5.4系统的可实现性

5.5IIR系统的实现结构

5.5.1IIR系统的基本结构

5.5.2IIR系统级联和并联结构

5.6FIR系统实现的基本结构

5.6.1FIR系统的基本结构

5.6.2线性相位系统及其实现结构

5.6.3线性相位系统的零点分布和级联实现

5.7FIR滤波器的FFT实现结构

5.7.1FIR滤波器的基本FFT实现结构

5.7.2FIR滤波器的FFT实现结构：  重叠相加法

5.7.3FIR滤波器的FFT实现结构：  重叠保留法

5.8FIR系统的频率取样结构

*5.9格型滤波器结构

5.9.1FIR滤波器的格型结构

5.9.2IIR 滤波器的格型结构

5.10数字系统实例

5.10.1数字正弦振荡器

5.10.2数字陷波器

5.10.3梳状滤波器

5.11与本章相关的MATLAB函数与样例

5.11.1相关的MATLAB函数简介

5.11.2MATLAB例程

5.12本章小结

习题

MATLAB习题

第6章数字滤波器设计

6.1数字滤波器设计概述

6.2线性相位FIR滤波器的分类和表示

6.3窗函数法设计FIR滤波器

6.3.1线性相位FIR滤波器的矩形窗设计

6.3.2线性相位FIR滤波器的一般窗设计方法

6.4FIR滤波器的等波纹逼近设计

6.4.1FIR滤波器频率响应的多项式表示

6.4.2误差函数的构造

6.4.3Remeze算法

6.5频率取样设计

6.6IIR数字滤波器的间接设计方法

6.6.1冲激响应不变法

6.6.2双线性变换法

6.7IIR数字滤波器的设计实践

6.7.1模拟滤波器设计问题

6.7.2巴特沃思滤波器

6.7.3切比雪夫滤波器

6.7.4椭圆滤波器

6.7.5IIR数字滤波器设计实例

6.8数字滤波器的频率变换

6.9IIR滤波器的直接优化设计

6.10与本章相关的MATLAB函数与样例

6.10.1相关的MATLAB函数简介

6.10.2MATLAB例程

6.10.3数字微分器设计

6.11本章小结

习题

MATLAB习题

第7章希尔伯特变换和复倒谱

7.1连续时间信号的希尔伯特变换

7.2离散时间信号的希尔伯特变换和实现

7.2.1希尔伯特变换器的实现

7.2.2希尔伯特变换的应用

7.3频域的希尔伯特变换关系

7.3.1频域实部和虚部之间的希尔伯特变换关系

7.3.2变换域的幅度与相位关系

*7.4复倒谱

7.4.1复倒谱的定义和基本性质

7.4.2有理分式z变换的复倒谱

7.4.3一般采样序列的复倒谱计算

7.4.4复倒谱的一些应用

*7.5希尔伯特黄变换和实验模态分析

7.5.1HHT的定义

7.5.2实验模态分解

7.6与本章相关的MATLAB函数与实例

7.6.1相关的MATLAB函数简介

7.6.2MATLAB例程

7.6.3希尔伯特变换器设计

7.7本章小结

习题

MATLAB习题

第8章多采样率信号处理

8.1采样率转换

8.1.1整数倍降采样率

8.1.2整数倍升采样率

8.1.3有理分数倍采样率转换

8.1.4抽取和插值的线性时变性

8.2采样率转换的高效实现结构

8.2.1抽取和零插值与滤波器的交换等价性

8.2.2采样率转换的级联形式

8.2.3滤波器的多相实现

8.2.4降采样率系统的多相实现

8.2.5升采样率系统的多相实现

8.3积分器梳状滤波级联系统

8.4升采样率系统与奈奎斯特滤波器

8.4.1奈奎斯特滤波器

8.4.2奈奎斯特滤波器的窗函数法设计

8.4.3半带滤波器设计

*8.5均匀滤波器组

8.5.1均匀DFT滤波器组分解

8.5.2均匀DFT滤波器组合

8.5.3DFT的滤波器组解释

8.6双通道准确重构滤波器组

8.6.1准确重构条件

8.6.2正交镜像滤波器组

8.6.3共轭正交滤波器组

8.6.4准确重构滤波器组的一般解

8.6.5准确重构双正交线性相位滤波器组

8.6.6能量保持准确重构滤波器组

*8.7多通道准确重构滤波器组

8.7.1由双通道级联的多通道滤波器组

8.7.2一般M通道滤波器组

*8.8复用转换滤波器组

*8.9连续和离散小波变换简介

8.9.1连续小波变换

8.9.2尺度和位移离散化的小波变换

8.9.3多分辨分析和正交小波基

8.9.4离散小波变换的Mallat算法

8.9.5双正交小波变换

8.10与本章相关的MATLAB函数与实例

8.10.1相关的MATLAB函数简介

8.10.2MATLAB例程

8.11本章小结

习题

MATLAB习题

第9章线性自适应滤波器初步

9.1自适应滤波器概述

9.2陡下降法

9.3LMS自适应滤波算法

9.3.1LMS算法

9.3.2LMS算法的收敛性分析

9.3.3一些改进的LMS算法

9.4递推LS算法

9.4.1小二乘滤波

9.4.2基本RLS算法

9.5LMS和RLS算法对自适应均衡器的一些仿真结果

9.6自适应滤波器的应用举例

9.6.1自适应均衡再讨论

9.6.2自适应干扰对消的应用

9.7与本章相关的MATLAB函数与实例

9.7.1相关的MATLAB函数简介

9.7.2MATLAB例程

9.8本章小结

习题

MATLAB习题

第10章有限字长效应

10.1二进制数据表示和量化误差

10.1.1二进制数据表示

10.1.2有限位二进制定点表示的量化误差

10.1.3量化误差的统计分析模型

10.2A/D转换器的量化误差

10.2.1A/D量化模型

10.2.2A/D误差经过系统的传播

10.3数字系统运算量化误差的统计分析

10.3.1数字系统直接实现的误差分析

10.3.2系统级联和并联实现的误差分析

10.3.3乘法累加器结构

10.4防止溢出和压缩比例因子

*10.5量化噪声分析的状态空间方法

10.5.1运算量化噪声计算的状态方程法

10.5.2压缩比例因子计算的状态方程法

10.6滤波器系数有限字长的影响

10.6.1系数量化对极点位置的影响

10.6.2系数量化影响极点偏移的结构依赖性

10.7有限字长的非线性效应：  极限环效应

10.8DFT/FFT运算的有限字长效应

10.8.1DFT直接实现的量化误差分析

10.8.2定点FFT实现的量化效应分析

*10.9自适应滤波的有限字长效应

10.10与本章相关的MATLAB函数与实例

10.10.1相关的MATLAB函数简介

10.10.2MATLAB例程

10.11本章小结

习题

MATLAB习题

*第11章采样与重构技术

11.1带通采样定理

11.2I/Q采样技术

11.3信号处理技术在A/D转换器中的应用

11.3.1降低对抗混叠模拟滤波器的要求

11.3.2提高A/D转换器的有效量化位数

11.3.3噪声成形和ΣΔ A/D转换器

11.4D/A转换器和补偿技术

11.5亚奈奎斯特采样与压缩感知技术简介

11.6本章小结

附录A

A.1一些数学基础补充

A.2矩阵的特征分解

A.3方程组的小二乘解

参考文献

张旭东 分别在山东大学电子系取得理学学士学位和清华大学电子工程系取得工学硕士和博士学位，曾任香港理工大学短期副研究员一年，现任清华大学电子工程系教授，高速信号处理与网络传输研究所副所长。主要研究方向为多媒体信号处理(主要包括:数字视频压缩编码，基于内容的视频检索，数字水印技术, 无线多媒体传输中的联合调制与编码技术), 小波理论及应用，高速数字信号处理系统。

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编辑推荐

本书是经典教材的升级版，系统深入地介绍了数字信号分析和处理的原理和算法。全书由12章组成，内容系统完整、结构合理，配套丰富的习题资源。

前言

《数字信号分析和处理》已出版7年，现根据读者的反馈和教学实践对第1版做必要的修订。

作为大学本科或专业硕士学位的专业基础课，数字信号处理课程的核心内容已经成熟。考虑到本书第1版在原理和算法方面的选择仍能适应当前和未来一段时间教学需要，因此第2版的整体改动并不大。除了对书中少量文字表述和公式符号做了必要的修改和润色，以及第2章中增加了z变换的两个性质和第9章中增加了“自适应滤波器的应用举例”一节外，第2版的主要变化包括如下两部分。

（1） 删除了第1版中第12章“数字信号处理的系统实现概述”。随着电子信息技术的快速发展，数字信号处理系统以数字信号处理器（DSPs）或DSPs FPGA为主流结构的状况已经发生了变化，目前实际信号处理系统的组成结构呈现出更加多样化的发展趋势。本书作为以讲授数字信号处理基础理论和算法为目标的教材，对随技术发展变化相对较快的信号处理系统各种实现方式进行深入的介绍并无必要。基于这种考虑，删除第1版中介绍系统实现这一章。

（2） 对习题做了较多补充。一本成熟的教材应该有足够数量且反映不同难度层次的习题。第1版尽管提供了可支持教学需求的习题，但在数量和层次上仍有所不足。第2版新增了较多数量和面向不同读者层次要求的习题，并且把习题明确分为普通习题和MATLAB编程习题两大类。新版的习题总计约230题，比第1版增加了近一倍，为教师教学和学生学习提供了更大的选择性。

目前，学生上机进行MATLAB练习的情况比较普及。第2版中大多数MATLAB习题都是比较简单的练习题，可随每章的普通作业一起布置给学生作为课下练习来完成。此外，在课程教学过程中也可灵活使用MATLAB习题，例如可选择一个较复杂综合的MATLAB习题布置给学生，作为课程实践，并将其成绩计入学期成绩。对于使用本书的自学者，若有条件，在学习各章时可多做一些MATLAB练习。

关于本教材的目标和针对的教学需求与第1版一致。需要提到的一点是，在第1版前言中强调本书适用于对数字信号处理要求较高的本科生或工程硕士研究生。目前研究生培养模式开展了以专业硕士替代原来的工程硕士的调整，所以本教材同样适用于电子信息类或相关工程类专业硕士“数字信号处理”课程。

感谢清华大学出版社王一玲、曾珊、钟志芳编辑在本书出版过程中给予的帮助和支持。

新版教材仍会存在缺点和不足，希望读者批评指正。

作者

于清华园

2021年8月

前言

数字信号处理是国内外高校电子信息专业普遍开设的课程，目前很多高校的生物医学工程、机械、电气、自动化、航空航天等许多专业也开设同名课程。课程的目的是介绍广泛应用于各领域的数字信号处理方法，为实现各类数字或离散系统的信号设计、分析和处理提供理论基础和实现算法，也为更深入广泛地学习诸如图像处理、语音处理、雷达信号处理、通信信号处理、振动信号处理、医学信号处理等更专业的信号处理打下坚实的基础。

本书是作者在清华大学电子工程系长期讲授“数字信号处理”课程的基础上，由多年积累的讲义整理扩充而成的。

一本教材通常有两类典型写法。类是按照预定的教学大纲或学时组织材料，教材的内容满足于一门规定课程的教学需求。这样的教材因其精练，为学生提供一本经济的教材是其明显的优势，许多“规划”教材属于这一类。第二类更着重反映学科的系统性和完整性，既注重对核心知识细致深入的探讨，也提供一定的知识外延。正因如此，其内容一般会超出一门课程的需要，篇幅会更大； 但这类教材为任课教师提供选择的灵活性，也为好学的学生留下足够的自学材料。两类教材各有优缺点，也有教材在两者之间进行平衡。本书偏于第二类。

本书的核心包括第2~8章和第10章的不带星号的内容，这些章节足够一学期的“数字信号处理”课程使用； 第9、11、12章和其他章节带星号的内容是扩充性材料，供任课教师自由选择或学生自学使用； 第1章是预备性内容，复习了连续信号分析和处理的基本知识，以更方便读者使用。为学好数字信号处理，经常需要回顾一些连续信号处理的概念，这些概念在第1章大都可以找到； 另外，第1章后一节（即1.6节）详细讲解了采样定理，这节内容应该在“数字信号处理”课程上给予适当深度的复习。

数字信号处理学科具有比较完整的理论、方法和实现算法，又有非常广泛的应用，而广泛的应用又催生了许多软件工具用于数字信号处理算法的仿真、系统设计和系统模拟。MATLAB的信号处理工具箱（SPB）是目前应用广泛的一种信号处理软件包。结合MATLABSPB学习数字信号处理，一方面为理解信号处理算法提供一个良好的可视化实验环境； 另一方面，也可早日掌握一种非常有用的软件工具。本书对MATLABSPB给予适当重视，在各章末尾专门设置一节介绍相关MATLAB函数和一些实现例程。这样的处理既不打乱对数字信号处理理论和算法论述的系统性，对MATLAB不感兴趣或暂时没有MATLAB基础的读者可直接跳过各章的这一节而不影响全书的连贯性，同时又给予MATLAB工具以相当篇幅的介绍。本书以数字信号处理原理和算法为主旨，MATLAB介绍是辅助性的，只选择部分重要的函数给出简单介绍，例程也主要为说明正文中的算法。若要看懂本书介绍MATLAB的小节，要求读者对MATLAB编程有初步知识。本书不介绍MATLAB编程基础，希望学习MATLAB编程的读者参考有关MATLAB教材，对于SPB函数集的完整介绍可参考MATLAB文档或MATLAB在线帮助功能。书中专门安排了几个MATLAB大作业，习题中带*号的是这类作业。

本书可以作为电子信息、通信、电子科学技术等专业本科生数字信号处理课程的教材； 适当减少理论部分并选择一些扩充性章节，也可作为工程硕士课程的教材； 还可作为本科没有开设数字信号处理课程的专业用作研究生教材。本书亦可作为有关行业工程师或科技人员的参考书。本书的核心内容在清华大学电子工程系本科课程中使用多年，加上扩充材料（第9、11章）后也在该系工程硕士班使用多次，大多数材料还在安捷伦北京研发中心工程师培训课程中使用过。通过适当选择，本书可用于多种不同类型的课程。

感谢应启珩教授对本书初稿进行了细致的审核，提出了许多有建设性的修改意见。电子科技大学彭启琮教授和清华大学胡广书教授对本书的提纲提出许多有益的建议，谨表谢意。我们教学过程中也曾使用本系教授应启珩、冯一云、窦维蓓编著的《离散时间信号分析和处理》一书作为教材或参考书，本书有几个例子取材于该书，谨向三位同事表示感谢。特别是应启珩和冯一云先生是我们的老师和前辈，对我们都有过指导。我们的学生高昊、闫慧辰、黄丽刚、李杰然、李方圆、高艳涛、汪沣、谢林、刘婧、郭元元、王智睿等帮助准备了部分MATLAB例程，也帮助校对了部分初稿，谢谢他们。同时感谢多年来选择我们课程的同学，他们的疑问、讨论和反馈对改善本书的质量不可或缺。

作者之一张旭东教授感谢TEXAS INSTRUMENTS（TI） Leadership Program长期给予的支持，感谢TI对我们DSP课程改革和实验环境改善给予的支持，感谢沈洁女士和她的团队、林昆山博士、Gene A Frantz先生在DSP应用上的合作与支持。

尽管我们做了努力，本书仍难免有疏漏和不足之处，望读者指正。

作者

2014年1月

书籍介绍

《数字信号分析和处理（第2版）》系统深入地介绍了数字信号分析和处理的原理和算法。全书由11章组成。第1章是信号处理预备知识，概述了连续信号处理的基本知识和采样定理。连续信号处理的各种概念和技术对于深入理解数字信号处理的结果是非常有帮助的，因此本章的设置可使该书更加自成体系。第2～8章是全书的核心，内容有：离散信号与系统的表示、离散变换和快速算法、数字频谱分析、数字滤波器设计和实现、希尔伯特变换和复倒谱、多采样率信号处理等，构成了离散信号处理的基本知识体系。第9～11章介绍了几个与实际应用更加密切的专题，包括有限字长效应、带通采样和I/Q采样技术、数字处理提高A/D和D/A性能、自适应滤波器等。该书也简要介绍了数字信号处理中的几个前沿课题，例如压缩感知、试验模态分析和希尔伯特一黄变换等。第2～10章专设一节介绍相关的MATLAB函数和实现例程。