内容简介本书包含了数字
信号处理（dsp）系统
分析和
设计的所有重要内容，采用
现代的方法讨论问题，包括matlab范例和其他仿真工具的介绍。主要内容包括：
数字信号处理系统的使用，如何用多项式和比值多项式逼近转移函数并保持转移函数的特性，为什么在应用中要将转移函数用适当的结构进行图形表示，滤波器组和小波设计，以及信号时域和频域表述的相互关系。
本书可作为高等院校电子和
通信等专业本科或研究生
教材，也可作为
信号处理系统开发工程
技术人员的参考用书。
图书目录绪论第1章离散时间系统1.1概述1.2离散时间信号1.3离散时间系统1.3.1线性1.3.2时不变性1.3.3因果性1.3.4脉冲响应及卷积和1.3.5稳定性1.4差分方程与时域响应1.5连续时间信号的取样1.5.1基本
理论1.5.2取样定理1.6matlab中的离散时间系统1.7小结1.8
习题第2章z变换和傅里叶变换2.1概述2.2z变换的定义2.3z反变换2.3.1留数定理法求z反变换2.3.2部分分式展开法2.3.3多项式长除法2.3.4幂指数展开法2.4z变换的性质2.4.1线性2.4.2时间反转特性2.4.3移位特性2.4.4尺度变换特性2.4.5z域微分2.4.6共轭特性2.4.7实部与虚部序列2.4.8初值定理2.4.9卷积定理2.4.10序列相乘2.4.11parseval(巴塞伐尔)定理2.4.12基本z变换表2.5传输函数2.6z域稳定性2.7频率响应2.8傅里叶变换2.9傅里叶变换的性质2.9.1线性2.9.2时间反转特性2.9.3时间移位特性2.9.4乘以指数序列(尺度变换特性)2.9.5微分特性2.9.6共轭特性2.9.7实部和虚部序列2.9.8对称和反对称序列2.9.9卷积定理2.9.10序列相乘(频域卷积)2.9.11parseval定理2.10matlab中的传输函数2.11小结2.12习题第3章离散变换3.1概述3.2离散傅里叶变换3.3dft的性质3.3.1线性3.3.2时间反转性3.3.3时间移位定理3.3.4频率圆周移位定理(调制定理)3.3.5时域圆周卷积3.3.6相关性3.3.7实序列和虚序列3.3.8对称序列与反对称序列3.3.9parseval定理3.3.10dft与z变换的关系3.4dft数字滤波器3.4.1线性和圆周卷积3.4.2重叠相加法3.4.3重叠保留法3.5快速傅里叶变换3.5.1按时间抽取的基2算法3.5.2按频率抽取3.5.3基4算法3.5.4任意基n算法3.5.5
计算dft的其他技巧3.6其他离散变换3.6.1离散余弦变换3.6.2正余弦变换类3.6.3离散hartley变换3.6.4hadamard变换3.6.5其他重要变换3.7信号表示3.8matlab中的离散变换3.9小结3.10习题第4章数字滤波器4.1概述4.2非递归数字滤波器的基本结构4.2.1直接型4.2.2级联型4.2.3线性相位型4.3递归数字滤波器的基本结构4.3.1直接型4.3.2级联型4.3.3并联型4.4数字网络的分析4.5状态空间描述4.6数字网络的基本特性4.6.1tellegen定理4.6.2互逆性4.6.3网络间互逆性4.6.4转置性4.6.5灵敏度4.7用matlab实现数字滤波器4.8小结4.9习题第5章fir滤波器的设计5.1概述5.2
标准滤波器的理想特性5.2.1低通、高通、带通和带阻滤波器5.2.2微分器5.2.3希尔伯特转换器5.2.4总结5.3fir滤波器的逼近方法——频率取样法5.4fir滤波器的设计法——窗函数法5.4.1矩形窗5.4.2三角窗5.4.3汉明窗和汉宁窗5.4.4布莱克曼窗5.4.5凯泽窗5.4.6dolph-chebyshev窗5.5最平滤波器设计法5.6fir滤波器的优化设计法5.6.1加权最小平方的方法5.6.2切比雪夫逼近法5.6.3wls-chebyshev方法5.7fir滤波器设计方法的matlab实现5.8小结5.9习题第6章iir滤波器的设计方法6.1概述6.2模拟滤波器的设计6.2.1模拟滤波器的特性6.2.2巴特沃思逼近6.2.3切比雪夫逼近6.2.4椭圆逼近6.2.5频率变换6.3连续时间和离散时间的变换6.3.1脉冲响应不变法6.3.2双线性变换法6.4离散时间域中的频率变换6.4.1数字低通—低通变换6.4.2数字低通—高通变换6.4.3数字低通—带通变换6.4.4数字低通—带阻变换6.4.5可变截止频率的滤波器设计6.5幅度和相位逼近6.5.1基本原理6.5.2多变量函数的最小化方法6.5.3替换的方法6.6时域逼近6.7matlab中iir滤波器逼近的命令6.8总结6.9习题第7章有限精度效应7.1概述7.2二进制数表示7.2.1定点制7.2.2浮点制7.3乘积量化7.4信号比例调整7.5系数量化7.5.1灵敏度指标的确定7.5.2字长的统计预测7.6极限环7.6.1颗粒极限环7.6.2溢出极限环7.6.3零输入极限环的消除7.6.4消除常数输入极限环7.6.5溢出非线性数字滤波器的强迫响应稳定性7.7小结7.8习题第8章多率值系统8.1概述8.2基本原理8.3下取样8.4内插8.5分数倍变速8.6逆操作8.7用下取样和内插高效地实现滤波器8.7.1窄带fir滤波器8.7.2具有窄过渡带的宽带fir滤波器8.8用matlab设计多率值系统8.9小结8.10习题第9章滤波器组和小波9.1概述9.2滤波器组9.2.1带通信号的抽取9.2.2带通信号抽取的逆操作9.2.3临界抽取m通道滤波器组9.3准确重建9.3.1恒等变换9.3.2多相分解9.3.3转换开关结构9.3.4多相结构的m通道滤波器组9.3.5m通道准确重建滤波器组9.3.6多路复用器9.4通用的2通道准确重建滤波器组9.5qmf滤波器组9.6cqf滤波器组9.7块变换9.8余弦调制滤波器组9.9重叠变换9.9.1快速算法和双正交lot9.9.2通用lot9.10小波变换9.10.1分级滤波器组9.10.2小波9.10.3尺度函数9.10.4x(t)和x(n)的关系9.10.5小波和滤波器系数的关系9.10.6正则性9.10.7举例9.11用matlab实现滤波器组和小波函数9.12小结9.13习题第10章高效fir结构10.1概述10.2格型10.3多相型10.4频域型10.5递归求和型10.6减少运算量的实现方法10.6.1预滤波器法10.6.2内插法10.6.3频率响应掩蔽法10.6.4正交法10.7用matlab设计fir滤波器10.8小结10.9习题第11章高效iir结构11.1概述11.2并联和级联型iir滤波器11.2.1并联型11.2.2级联型11.2.3误差频谱整形11.2.4闭合形式的比例调整11.3状态空间单元11.3.1最佳状态空间单元11.3.2无极限环的状态空间单元11.4格型滤波器11.5波滤波器11.5.1动机11.5.2波特性器件11.5.3格型波数字滤波器11.6用matlab实现高效的iir结构11.7小结11.8习题第12章dsp系统的实现12.1概述12.2基本器件12.2.1补码表示的性质12.2.2串行加法器12.2.3串行乘法器12.2.4并行加法器12.2.5并行乘法器12.3分布式算法实现12.4可编程逻辑器件12.5asic实现12.6
数字信号处理器12.6.1analogdevices公司dsp12.6.2motorola公司dsp12.6.3texasinstruments公司dsp12.7小结12.8习题参考文献
序言/前言前言本书的前身是巴西电信公司所属的telebras研发中心的工程师
培训教材。该教材在1987年由本书第一作者讲授，主要目的是介绍高效滤波器的设计方法，以解决工程上的一些问题。后来，第一作者用这一教材作为coppe/里约热内卢联邦大学电子工程专业数字滤波器和数字信号处理课程的参考书。多年来，原先的学生都有这样的疑问：既然这本教材里表述了独特的观点，是值得出版的，却为何迟迟不出版。有许多原因造成了这种情况，其中的一个重要原因是在这个课题上已经有大量写得很好的教材存在。而且，在这个课题上进行了多年的教学和研究后，作者的兴趣更倾向于研究新方法，而不是进行枯燥的写书工作，因此到了最后，将这本葡萄牙文课本纯粹地翻译成
英文变成了一件乏味的事情。近几年，参加了信号处理课程编写的第二作者和第三作者，不断地提出了信号处理的新方法。这时，我们决定完成和更新原来的课本，使其变为现代课本。这样，本书产生了，它更新了原来的内容，加入了大量的过去几年里三位作者为许多课程教学所写的新
材料。本书主要是作为有基本离散线性系统先修课程
基础的本科学生数字信号处理课程的课本，而更深入的章节也可作为研究生数字信号处理课程的课本。在里约热内卢联邦大学和其他许多大学的课本里我们大多采用这种结构。在很多章的末尾，都有一小节是关于matlab的内容，目的是
指导读者如何开始使用matlab进行数字信号处理系统的分析与设计。本书的最大特点是用简洁而完整的形式对数字信号处理分析和设计进行广泛的讨论，使读者能够完整地开发实际的系统。尽管本书主要作为本科或研究生教材，但由于它的前身是培训教材，所以它的工业和实践价值也足以作为信号处理系统开发工程人员的参考书。实际上，我们想让读者明白为什么和怎样使用数字信号处理系统及其工具，怎样用多项式和比值多项式来逼近转移函数的特性，为什么在实际应用中将转移函数用适当的结构进行图形表示，怎样分析、表述、研究信号的时域和频域表述。为此，在每一章中有大量的例子，在每章的末尾有习题，以帮助读者对概念的吸收。第1、2章回顾离散时间信号处理的概念和z变换。虽然很多读者熟悉这部分内容，但可以通过阅读这两章了解作者描述的方法与符号。第1章回顾离散时间系统的概念，包括离散时间信号和系统的表述方法，以及时域和频域响应。最重要的是介绍取样定理，它是离散时间信号用于解决连续时间实际问题的条件。第2章介绍z变换和傅里叶变换，它们是描述离散时间信号和系统的有用的
数学工具。讨论了z变换和傅里叶变换的性质，包括收敛域测定。第3章讨论离散变换，重点是离散傅里叶变换（dft），它是对时域离散信号进行频域分析的重要工具。dft可对时域离散信号进行频域离散描述。序列描述是计算机的特性，dft为我们提供了强有力的工具，使我们可以像处理原始序列一样来处理频域信息。dft计算机快速算法的出现使得dft的作用更大了，这就是所谓的快速傅里叶变换（fft）。本章还介绍了实系数变换，如正弦和余弦变换，它们被广泛用于现代声音和图像编码以及其他很多应用中。在这章里有一节内容讨论了信号的几种表述形式，可供读者选择使用。第4章介绍用图表法将转移函数生成数字滤波器的基本结构。还介绍了一些基本分析方法和数字滤波器的性质。第5章介绍fir（有限冲激响应）滤波器的几种逼近方法。首先是频率取样法和广泛使用的窗口法。窗口法提供了在不同信号处理应用下的窗口方案。而后介绍了其他的近似方法包括最平滑滤波器和加权最小平方（wls）的方法。最后介绍了基于多元最优化算法——remez交换法的chebyshev近似法，这种方法采用频率响应线性相位最小排列准则。这一章还讨论了wlschebyshev法，它采用逼近误差总的能量最小准则。这种逼近方法在各种文献里讨论得不多，但是实际上，它的应用很广。第6章讨论iir（无限冲激响应）滤波器的逼近。首先介绍经典连续时间转移函数的逼近，即巴特沃思、切比雪夫和椭圆逼近，它们用适当的变换方法产生离散时间转移函数。本章还介绍了两种变换方法，即冲激响应不变法和双线性变换法。这章包括了离散频率变换的内容，介绍了最优化iir数字滤波器量值和相位逼近，它用于设计满足一般
规范的转移函数。这章末尾总结了时域逼近的要点。第7章介绍对数字滤波器量化效应进行评估的模型。讨论了用几种方法来分析和处理信号表述和滤波器系数有限字长的影响。研究了量化噪声的影响，信号缩放比例对内部信号动态范围的限制，转移函数系数量化的影响，以及在递归实现中可能出现的非线性振动。这些分析被用于指导实际有限精度数字滤波器的实现。第8章介绍多率离散时间系统的基础理论。本章重点讨论多率系统的性质，介绍抽取和内插操作，举例说明如何使用它们进行高效率数字滤波器设计。第9章介绍多率滤波器组的几种设计技术，包括双边带滤波器组的几种形式、余弦调制滤波器组以及卷积变换。介绍了用小波变换对信号进行多分辨率分解表述的概念，讨论用滤波器组设计小波变换。另外，还介绍了正交技术，如信号表述中的双正交。第10章介绍如何在满足规范要求的前提下降低fir滤波器的运算复杂度。特别介绍了前置滤波器和内插法，主要用于设计窄带低通和高通滤波器。另外，还介绍了用于窄带过渡频带滤波器的频率响应掩蔽法和用于带通、带阻滤波器的积分法。第11章介绍高效iir滤波器的几种实现方法，讨论这些方法的有限精度影响点及其显著特征。这些实现方法供读者在设计良好的iir滤波器时选择。这章给出了几种结构体系，即：采用直接型重排截面的并联和级联设计，采用最优化截面和极限环自由状态空间截面的并联和级联设计，格形滤波器，以及波数字滤波器的几种形式。第12章简单介绍了在信号处理中广泛使用的实现技术。这个内容是非常广的，不可能只用一章就说明白；另外它的变化也非常快，要长期地更新书本也是不现实的。因此，我们只介绍在最近十年里数字信号处理应用中最常用的技术和当前的趋势，而不去详细讨论具体某种应用的细节。无论如何，这一章的内容足够帮助系统设计者选择适当的数字信号处理算法形式。本书所包括的内容可作为数字信号处理本科课程或研究生一年级课程。本书可以根据需要选择不同的课程组合。我们建议本科课程至少应包括第1、2、3、4章，也可包括第5、6章中的非迭代逼近方法，即第5章的频率取样和窗口法，第6章的模拟逼近法和iir滤波器连续时间到离散时间的变换方法。根据任课老师的需要，还可以选择第7、8、10、11章的部分内容。若作为研究生课程，第1章到第4章可作为复习
资料，其他章节应进行深入学习。如果不处在一个学术气氛浓厚、视野开阔的环境中，本书绝不可能问世。我们有幸邀请到l.p.cal-ba和e.h.watanabe教授作为同事和顾问。感谢coppe的工作人员，特别是m.a.guimar-es先生和f.j.ribeiro女士给予了本书巨大的支持。感谢第一作者的学生j.c.cabezas、r.g.lins和j.a.b.pereira（已逝），是他们和第一作者一起写出的运算包产生了本书的几个例子。感谢cpqd的工程师帮助我们修正早期的版本。我们尤其要感谢j.sampaio工程师对我们工作的信任。我们得益于工作在一个大型的信号处理工作组的环境中，同事们以各种方式帮助我们。其中，我们要提到l.w.p.biscainho、m.l.r.decampos、g.v.mendonca、a.c.m.dequeiroz、f.g.v.deresendejr和j.m.deseixas教授，以及信号处理实验室（www.lps.ufrj.br）的全体工作人员。感谢里约热内卢联邦大学尤其是电子工程系的同事，以及coppe研究生院的同事，他们在本书的准备时给予了很大的支持。感谢为本书的出版给予帮助的其他学校的朋友，特别是我们要提到fluminensefederaluniversity的a.s.delavega教授，federaluniversityofespíritosanto的m.sarcinellifo.教授，universityofvictoria的p.agathoklis、a.antoniou和w.s.lu教授，helsinkiuniversityoftechnology的i.hartimo、t.i.laakso教授和v.vlimki博士，tampereuniversityoftechnology的t.saramki教授，nationaluniversityofsingapore的y.c.lim教授，xeroxcorporation的r.l.dequeiroz博士，microsoftcorporation的h.s.malvar博士，universityofnotredame的y.f.huang教授，univerdadnacionaldelsur的j.e.cousseau教授，universityofalberta的b.nowrouzian教授，ciscosystems的m.g.desiqueira博士，militaryinstituteofengineeringinriodejaneiro的r.miscowfo.和e.viegas教授，universityofsopaulo的e.cabral博士。感谢剑桥大学出版社的工作人员，编辑philpmeyler博士和ericwillner先生，以及校对者joclegg博士。感谢作者家人的耐心支持。paulo感谢mariza、paula、luiza和他的母亲hirlene。eduardo、感谢luiseduardo和isabella的支持，妻子cl、udia的爱，父母zélia和bismarck的爱与支持。sergio表达对父母sergio和mariachristina的感谢，对luciana和bruno的爱。paulos.r.dinizeduardoa.b.dasilvasergiol.netto
