内容简介本书根据实际工程应用和具体实例，详细介绍了数字
信号处理（dsp）领域内的基本概念和相关
技术。全书共分为14章，首先讲解了dsp的基本概念及其应用，并从实际的例子出发，阐述了信号的抽样、量化及其在实时dsp上的内涵。然后，作者介绍了离散变换（dft和fft）、离散时间
信号与系统的
分析工具（z变换）以及dsp的基本运算（相关和卷积），并分析了数字滤波器
设计的实际问题。本书还讲解了多抽样率
数字信号处理、自适应数字滤波器、谱估计及其分析等
现代数字
信号处理理论，最后讨论了通用和专用
数字信号处理器、定点dsp系统有限字长效应分析以及dsp应用和设计实例。另外，书中还提供了范例和实验的matlab实现方法。
本书可作为
通信与电子信息类专业高年级本科生和研究生的
教材或教学参考书，而且对于相关学科的研究人员和工程技术人员也具有很好的参考价值。
图书目录第1章引言1.1数字信号处理及其益处1.2应用领域1.3关键的dsp运算1.4数字信号处理器1.5dsp的实际应用概况1.6dsp的音频应用1.7dsp在
无线电通信中的应用1.8dsp在生物医学中的应用1.9小结
习题参考文献参考书目第2章实时dsp系统的模拟i/o接口2.1典型的实时dsp系统2.2模数转换过程2.3抽样-低通和带通信号2.4均匀、非均匀量化和编码2.5a/d转换中的过抽样2.6数模转换过程：信号恢复2.7dac2.8抗镜像滤波2.9d/a转换中的过抽样2.10具有模拟输入/模拟输出信号的实时信号处理的限制2.11应用例子2.12小结习题参考文献参考书目第3章离散变换3.1引言3.2dft及其逆3.3dft的性质3.4dft
计算的复杂性3.5时域抽取的快速傅里叶变换算法3.6快速傅里叶反变换3.7fft的实现3.8其他离散变换3.9dct的应用：图像压缩3.10处理过的例子习题参考文献附录第4章z变换及其在信号处理中的应用4.1离散时间信号与系统4.2z变换4.3z反变换4.4z变换的性质4.5z变换在信号处理中的应用4.6小结习题参考文献参考书目附录第5章相关和卷积5.1引言5.2相关描述5.3卷积描述5.4相关和卷积的实现5.5应用实例5.6小结习题参考文献附录第6章数字滤波器的设计框架6.1数字滤波器概述6.2数字滤波器的类型：fir和iir滤波器6.3在fir和iir滤波器之间的选择6.4滤波器的设计步骤6.5说明性的例子6.6小结习题参考文献参考书目第7章有限冲激响应（fir）滤波器设计7.1引言7.2fir滤波器设计7.3fir滤波器
规范7.4fir滤波器系数的计算方法7.5窗口方法7.6最佳方法7.7频率抽样方法7.8窗口方法、最佳方法和频率抽样方法的比较7.9特殊fir设计主题7.10fir滤波器的实现结构7.11fir数字滤波器的有限字长效应7.12fir实现技术7.13设计实例7.14小结7.15fir滤波器的应用实例习题参考文献参考书目附录第8章无限冲激响应（iir）数字滤波器的设计8.1引言：iir滤波器基本特征概要8.2数字iir滤波器的设计步骤8.3性能规范8.4iir滤波器的系数计算方法8.5系数计算的极-零点放置法8.6系数计算的冲激不变法8.7系数计算的匹配z变换（mzt）法8.8系数计算的双线性z变换（bzt）法8.9利用bzt和经典的模拟滤波器来设计iir滤波器8.10通过映射s平面极点和零点来计算iir滤波器的系数8.11iir滤波器设计程序的应用8.12iir滤波器的系数计算方法的选择8.13iir数字滤波器的实现结构8.14iir滤波器的有限字长效应8.15iir滤波器的实现8.16iir数字滤波器详细的设计举例8.17小结8.18在数字音频和装置里的应用例子8.19在电信中的应用举例习题参考文献参考书目附录第9章多抽样率数字信号处理9.1引言9.2多抽样率信号处理的概念9.3设计实际的抽样率变换器9.4抽样率变换器—抽取滤波器的软件实现9.5内插滤波器的软件实现9.6利用多相滤波器结构实现抽样率变换9.7应用举例9.8小结习题参考文献参考书目附录第10章自适应数字滤波器10.1何时使用自适应滤波器及应用的范围10.2自适应滤波的概念10.3基本维纳滤波器理论10.4基本lms自适应算法10.5递归最小二乘算法（rls）10.6应用举例1—人脑电图中视觉伪像的自适应滤波10.7应用举例2—自适应电话回声对消10.8其他应用习题参考文献参考书目附录第11章频谱估计与分析51311.1引言51311.2频谱估计原理51411.3传统方法51611.4现代参数估计法52911.5自回归频谱估计53011.6估计方法的比较53511.7应用举例53511.8小结53911.9处理过的实例539习题539参考文献541附录543第12章通用和专用数字信号处理器54412.1引言54412.2信号处理的计算机体系结构54412.3通用数字信号处理器55812.4选择数字信号处理器56612.5dsp算法在通用数字信号处理器上的实现56812.6专用dsp硬件58812.7小结591习题592参考文献595参考书目595其他有用的web地址596附录597第13章定点dsp系统的有限字长效应分析60313.1引言60313.2dsp算术60313.3adc量化噪声和信号质量60913.4iir数字滤波器中的有限字长效应61113.5fft算法中的有限字长效应64213.6小结645习题645参考文献649参考书目649附录652第14章应用和设计研究14.1实时信号处理评估板14.2dsp应用14.3设计学习14.4基于计算机的dsp多项选择题14.5小结习题参考文献参考书目附录
序言/前言译者序本书的作者emmanuelc.ifeachor教授是国际上信号处理方面的著名专家，他的主要研究领域包括信号处理与建模技术及其在多媒体、音频和生物医学中的应用。ifeachor教授撰写过多部有关信号处理方面的著作，并且曾经在许多由iee、ieee组织的国际技术委员会中任职。本书以多年来为英国普利茅斯大学和sheffieldhallam大学讲授数字信号处理方面的实践性本科课程以及给工业应用部门的应用工程师讲授的课程为
基础，由作者精心编写而成。书中介绍了数字信号处理的基本理论及其应用，并通过实际的例子来阐述一些关键的技术专题。有关数字信号处理方面的教材有很多种，但这些教材普遍偏重理论的介绍，而较少涉及现实生活中的应用实例。这会使学生认为数字信号处理理论的
数学公式太多，因此感到抽象、难学；另一方面，学生在学完这门课程之后，仍然不是很清楚dsp究竟能做什么，以及如何设计一个实际的系统。本书试图在理论和实践之间架起一座桥梁，并在介绍这些基础理论时尽可能减少数学推导。书中在应用方面的实例涉及
无线电通信、数字音频、生物医学等许多与我们日常生活密切相关的技术领域，相信通过这些实例可以提高读者的学习兴趣，使读者掌握dsp的相关技术，并引导读者如何使用dsp来设计实际的工程系统。本书的主要特点是：●用实际的例子和现实生活中的应用来阐述dsp技术●将数学知识减少到理解本书内容所需掌握的程度●提供了许多dsp算法的c语言和matlab实现●讲解了实时dsp系统的模拟i/o接口●介绍了新型dsp处理器的结构和硬件●包括了系统识别、反卷积、小波变换和参数谱分析等新课题●提供了设计dsp系统的
指导和实例●相关的应用领域包括音频、生物医学、
无线电通信等参加本书翻译工作的有罗鹏飞（第1章~第4章，第7章）、杨世海（第9章~第11章，第13章）、朱国富（第12章，第14章）和谭全元（第5章~第6章，第8章）。此外，赵艳丽、熊跃军、罗佳莹、张文明、刘忠、杨建华、王世希、来庆福、陈英、江晶、曾勇府、彭岁阳、张剑、肖旭、何志华、王象、谢小霞、丹梅、徐振海也对本书的翻译、校对和
资料整理工作提供了很多帮助。最后，由罗鹏飞对全书的译文进行了校对和整理。由于译者的水平有限，文中难免有不妥之处，敬请读者不吝赐教。前言本书的写作目的在过去的几年中，数字信号处理（dsp）在许多关键性的技术领域继续产生着重要的影响，并且这种影响正在日益增加。这些技术领域包括无线电通信、数字电视和媒体、生物医学、数字音频和
仪器等。在许多新的和正在涌现的数字产品以及信息社会的许多应用（如数字蜂窝电话、数字相机和tv、数字音频系统等）中，dsp是其核心。自本书第一版出版以来，对于电子、计算机和
通信工程师来说，精通dsp的愿望已经大大增强。现在，dsp是大多数电子/计算机/通信工程专业的课程的核心内容。通过提供基于matlab的习题、相关的指导
手册以及web资源，本书的
第二版经过了重新的整理和修改，并且包含了一些附加的主题，这些主题的重要性正在日益增长。增加这些内容的目的是为了适应软件开发和信息技术的更为广泛的适用性、信号处理教学的发展以及读者的要求。在大学的教学和科研活动中，对基于web的资源和matlab这样的信号处理软件工具的使用正在逐渐普及。因此，我们满足了读者对基于matlab的资源的需求。matlab使信号处理变得简单化，几个命令就可以立即显示结果。在开发信号处理算法和解题的过程中，我们也能从中获得乐趣，而不必专注于编写详细的程序。我们相信，本书的matlab例子和习题将增加学生的实践经验，而教师可以获得更多可用的教学资源。正如本书的第一版，第二版的目标是在理论与实践之间架起一座桥梁。因此，我们继续保持本书的主要特征，即覆盖现代dsp的主要课题，并且提供实际的例子与应用。与第一版一样，我们将实际的例子和系统与理论相结合，以保持学生的学习兴趣，增强学习的
动力。第二版的许多章节都经过了大量的修改，增加了
最新的信息，并尽量使内容更加简洁。我们对每章末尾的习题加以扩展，以便
检验、巩固和加深学生对内容的理解。在修订本书的时候，加入了自第一版出版后我们在dsp方面取得的经验，并吸取了世界各地读者的反馈意见。新引入的主题包括：在模/数转换中的过抽样和带通抽样技术，这些技术利用了dsp提供的优势；用于信号的时频表示和分辨的小波变换；从未知系统的输出识别输入信号的盲解卷积；可用于短信号高分辨率的参数谱估计；新的dsp处理器的结构以及在定点dsp系统中降低舍入噪声的实际方法；用于辅助复习的基于计算机的多项选择题。在本书中提供了基于matlab的例子和习题。本书以多年来为英国普利茅斯大学和sheffieldhallam大学讲授的数字信号处理方面的实践性本科课程以及给工业应用部门的应用工程师讲授的课程为基础，由作者精心编写而成。我们觉得现在的许多教材对于本科生来说内容过于基本，或者对于相关领域的应用工程师来说又过于理论化。大多数的读者都有过这种经历，学习任何一个学科的基础知识与实际应用的差距是很大的。因此，我们决定撰写这本教材，相信本科生可以理解并赏识这本书，而且可以承担实际的数字信号处理课题；我们也相信，硕士生、博士生以及工程师也会发现本书是相当有价值的。我们在应用dsp方面二十多年的研究工作对撰写本书的内容很有帮助。我们从这些研究工作中总结出了一些可供讨论的实际问题，为理论概念和工程实现架起桥梁，并且还提供了一些应用实例、
案例研究和相关的习题。dsp在工业界和大学方面的巨大影响力与发展仍将持续。众多
实用的数字信号处理器证明了dsp在商业上的重要性。dsp的主要吸引力在于它具有达到要求的精度和出色的可再生能力，以及与模拟信号处理相比固有的灵活性。在工业界的许多工程师仍然缺乏dsp方面的必要知识和专门技术，因而不能完全利用目前市场上功能强大的数字信号处理器的巨大潜能。为了使工程师能够利用这些数字信号处理器来设计实际的dsp系统，本书提供了必要的基础知识和实际指导。在大学里，dsp通常被认为是电子工程专业的课程中数学主题较多的一门。根据我们的教学经验，本书精简了有关的数学概念，保留了有用的、基本的和能够引起学习兴趣的内容，同时也强调了其中的一些难点。经验表明，学生如果能够意识到理论与实践的结合会学得更好，而掌握更多的理论内容对于知识的完备性也是必需的，我们对精通实际的知识和
技能的学生充满信心。作者正是基于以上考虑编写本书的。本书并未包含dsp的全部内容，而是覆盖了电气、电子和通信工程等专业的课程的多个方面，同时也涵盖了许多与工业界具有某些特定关系的dsp技术。在过去的几年里，我们开始将这些技术（包括自适应滤波和多速率处理）融入到本科生的教学中。本书强调dsp的实际应用方面。第二版的一个很重要的特征是包括了matlab的例子，以及信号处理、分析、设计与考察时间-效率方法等方面的习题。鼓励读者运行matlab程序来加深对dsp的理解。我们也提供了经过修改的第一版中的c语言dsp软件工具，实践证明这些工具是很流行的。matlab在工业界和大学中作为基本工具而得到了广泛使用，它要求的编程技能比c语言少。matlab带有良好的图形和显示工具，从而为dsp的开发提供了一个好的环境。我们相信matlab是学生熟悉和胜任今后工作的有用工具。本书所有的matlabm文件都可以通过web获得电子文档，其中有一些matlabm文件用于实现第一版中的c语言程序所执行的类似任务。此外，在指导手册apracticalguideformatlabandclanguageimplementationsofdspalgorithms的cd上也包含了m文件（以及第一版的c语言程序），详细情况请参见后面的内容。本书的主要特征●从实践的观点出发，提供了dsp技术的基础、实现和应用的理解。●清晰性和易于阅读，将数学知识减少到对于理解本书内容所需掌握的程度。●dsp的技术和概念通过一些实践化和处理过的实例加以说明，从而加深对dsp技术的理解。●为读者能够设计和开发实际的dsp系统提供指导，我们给出了完成一个设计例子和实现的详细细节，其中包括dsp处理器的
汇编语言。●给出一些能够体现实践经验的matlab例子和习题。●提供许多dsp算法和函数的c语言实现，这些程序包括：-数字fir和iir滤波器设计-用户设计的定点iir滤波器有限字长效应分析-将串行实现结构转化为并行实现结构-相关计算-离散和快速傅里叶变换-z反变换-频率响应估计-多抽样率处理系统的设计●在web上提供了基于pc的matlabm文件的电子文档（在指导手册的cd上也包含了第一版的c语言程序，详细情况请参见下面的内容）。●在每章的最后包含了许多习题，并且提供了用于复习的多项选择题。●使用了一些实际中的例子来说明一些重要的概念，从而加深对知识的理解。本书的读者对象本书的读者对象包括工程、科学、计算机科学等专业的学生，以及希望获得dsp方面的相关知识的应用工程师和技术人员。特别是电子、电气和通信工程等专业的毕业生，将会发现本书无论是作为教材还是辅助课题设计都是相当有价值的，学生在dsp方面的课题设计所占的课题比例有了很大的增长。而且，本书对以上专业攻读硕士或博士学位的研究生也是相当有帮助的。大学本科生将会发现本书的基本主题是非常具有吸引力的；并且我们相信，无论是在他们的课程学习期间，还是对于今后进入到工业界从事研究工作，本书都是非常有价值的信息源。许多商业和政府组织机构承担其内部dsp短期课程的培训，这些短期课程都是根据某本教材开设的。我们相信，本书可以作为一本很好的教材，同时也可以作为本科生、研究生和应用工程师自学的参考书。本书的组织结构第1章包括了dsp的概述及其应用，使读者认识到dsp的含义及其重要性。第2章根据一些现实中的例子从实际的观点阐述了许多基本的主题，这些基本内容形成了dsp的基础，如信号的抽样、量化以及它们在实时dsp中的内在意义。同时还包括了如ad/da转换中的过抽样技术、带通信号的抽样以及均匀和非均匀量化等重要的主题。在本章还介绍了离散时间信号与系统的概念，这些概念在第4章进行了深入的讨论。离散变换，特别是离散傅里叶变换（dft）和快速傅里叶变换（fft），为dsp以及时域和频域分析提供了重要的数学工具，第3章对它们进行了介绍，并且讨论了相关的应用。从傅里叶变换以及指数傅里叶级数到离散傅里叶变换的推导给出了逻辑上的证明，因为dft并不要求覆盖离散傅里叶级数的概念，因此也就没必要增加本书的内容，相关的讨论也限制在变换的描述和实现上。特别是在第3章里并没有涵盖加窗的知识，我们认为在第11章的谱分析中讨论加窗会更加合适。作为离散余弦变换的重要应用，在图像处理的jpeg
标准中进行了描述。由于对非平稳信号的适用性以及在时域和频域分辨信号的能力，小波变换在许多领域的应用正在日益增加，因此在第3章中也包含了有关内容的介绍。这一章还描述了离散变换应用于信号去噪的多分辨分析和奇异检测。在第4章中讨论了离散信号与系统的基础概念，描述了z变换方法，它是表示和分析离散信号与系统的非常重要的工具。本章重点分析了z变换的许多应用，例如在离散时间信号与系统中的频率响应的设计以及分析和计算应用的例子。在本书的其余部分，将通过一些实际的例子来说明z变换的概念及其应用。相关和卷积是基本的并且是与dsp紧密相关的主题，我们在第5章中对其进行了深入的讲解。作者认为本章对于dsp是必不可少的，建议读者仔细学习本章的内容，逐步掌握相关的概念与方法。这些内容可能覆盖了几年的本科课程。在第二版中给出了一些附加的内容，如系统识别、解卷积和盲解卷积。盲解卷积特别有用，因为它利用了信息最大化，使得确定未知冲激响应系统输出端测得的未知输入信号成为可能。第6章～第8章详细讨论了数字滤波器的设计实践，这是dsp很重要的内容之一，也是大多数dsp系统的核心。滤波器的设计是一个很大的主题，第6章提供了滤波器设计的一般框架，给出了数字滤波器设计的逐步指导。从技术规范到实现的fir滤波器设计技术在第7章进行了讨论。本章提供了几个可以执行的例子，以便加深对重要概念的理解。在这个新版本中，附加的一些内容包括频率fir滤波器的自动设计，并给出了一个完整的设计实例，用来说明滤波器设计的各个阶段是如何综合在一起的。第8章详细讨论了根据简单的逐步设计指导进行iir（无限冲激响应）滤波器设计。本章已经经过了重新的组织和扩展，特别是为了清晰起见，重新安排了有关系数的计算，并根据读者的一些反馈信息加入了新的内容，以覆盖iir滤波器设计的一些重要课题。此外，本章还给出了一些可以执行的例子，帮助读者理解从技术规范到实现的iir滤波器设计过程。设计的例子用matlab和c语言给出。我们已经对iir滤波器设计进行了精简，将有限字长效应的内容移至第13章。我们采纳了读者的反馈意见，本书在第1章~第8章包含了大多数dsp课程的内容，更为先进的dsp知识将在以后的一些章节中出现。第13章将介绍dsp算法中的有限字长效应的处理。多抽样率处理技术允许使用不止一个抽样率来处理数据，这样使得一位adc和dac（数/模转换）以及过抽样数字滤波等新技术可以使用，这些新技术应用于许多现代数字系统中，例如大家都熟悉的cd播放器。第9章通过一个处理过的例子和实际的多抽样率系统，介绍了多抽样率处理的基本知识。这一章的内容已经扩展到包含多相（polyphase）的概念。我们将许多设计的例子和应用综合在一起，从而说明多抽样率系统的原理与设计问题。第10章介绍了自适应信号处理的常用算法：lms（最小均方）算法和rls（递归最小二乘）算法，这是自适应滤波的关键内容。本章只介绍一些必要的理论，主要是讲解实际的应用。第11章介绍了在频域描述与研究信号的谱估计和分析这一重要内容。通过介绍参数谱估计软件包，我们对这种方法进行了详细的阐述。如果信号能够由正确阶数的模型精确地描述，那么参数谱估计可应用到短信号长度，与非参数谱估计方法相比能够提供高分辨率的谱估计。通过在脑电信号中诱发反应信号的自回归谱估计的应用实例，我们进一步分析了这种方法。对谱分析特别感兴趣的读者应该学习第11章和第3章，因为第11章强调解释，而在第3章给出了处理过的例子。掌握了这些内容的读者能够较好地胜任频域
信号分析方面的工作。在最近的十多年内，dsp硬件方面取得了巨大的发展，出现了许多实用的低成本数字信号处理器。为了在dsp中成功地应用这些处理器，掌握dsp硬件和软件的概念是十分必要的。第12章讨论了dsp的通用和专用处理器的一些关键问题，dsp算法对这些处理器硬件和软件结构的影响，以及dsp功能的有效运行对结构的要求。本章的内容突出了当今dsp的新技术，特别是我们讨论了新的dsp结构，如长指令字、超标量以及新的定点和浮点dsp处理器（包括德州仪器公司的定点处理器tms320c54和tms320c62、摩托罗拉公司的定点处理器dsp56300、模拟器件公司的tigersharcis0001）。第13章详细讨论了在现代定点dsp系统中有限字长效应的分析，在适合采用定点精确算法的内容中提供了减少有限字长效应的解决方法。第14章是全新的（尽管保留了第一版的一些内容）一章，可作为教师和学生进行教学和学习的资源。这一章包括了用于dsp算法实现的低成本dsp板的描述，以及现实生活中的应用实例，并通过情景学习的形式加以描述。其他的特点包括给出了基于计算机的多项选择题，这些问题覆盖了前面各章的一些关键概念，对于本书内容的复习是很有价值的。本章还描述了完整的实验室练习题，并且提供了情景学习和课题研究的思路。如何使用本书本科生教学的实用方法是通过第1章、第2章的内容来掌握一些基本概念（如抽样定理、离散信号与系统），了解dsp的应用及其优势。离散变换从第3章的dft和fft、第4章的z变换开始讲解，通过第11章和第5章来介绍dft和fft的应用。在第5章讨论了相关处理以后，应该详细分析数字滤波器。根据我们的经验，给学生布置一定量的实践性作业，将使他们学到更多的知识。因此，我们鼓励学生完成这方面的一些课题，如滤波器的设计、z反变换、dft和fft。实验室也应该设计一些实验内容来进行演示，从而加深学生对所学内容的理解。我们认为，课堂教学与课外实践是同样重要的。这些方法对本科毕业生和研究生的学习都是同样适用的，但是相应的进度应该更快一些，并且应该包括更多的有关多抽样率和自适应滤波器方面的专题学习。本书的相关网站及配套的cd和指导手册有关本书的附加信息在如下站点中可以找到：www.booksites.net/ifeachor作者希望读者在上面的网页中通过“contactus”按钮来反馈信息。所有matlabm文件的电子副本都可以从www.booksites.net/ifeachor上下载，这些电子副本包括许多matlabm文件，这些文件可以用来执行类似于第一版中用c语言实现的任务。matlabm文件、c语言程序和汇编语言代码可以在与指导手册配套的cd（与指导手册一起提供）上找到。取自第一版的c语言程序（进行了少量的修改）以可执行程序和源代码两种形式提供，如果要运行源代码而不是可执行代码则需要c编译器。这些程序是使用borlandturboc2.0版的标准ansic编写的。由pearson出版的指导手册apracticalguideformatlabandclanguageimplementationsofdspalgorithms中也包含了许多在本书中使用的matlabm文件和c语言程序的演示例子。
