数字信号处理原理与应用

第四次工业革命的到来，促使高等工程教育领域进行全方位的变革，“新工科”改革正是我国工程教育面对新的工业革命所做出的积极回应。新工科建设对我国高等工程教育提出了新要求，将更加注重学生创新思维、工程实践等多方面能力的塑造。以“数字信号处理”课程为例，其相关理论，特别是技术应用在近30年来取得了飞跃性发展，已经渗透到生产和生活的各个领域； “数字信号处理”不仅是电子工程、通信工程、语音处理、图像处理等传统本科专业的核心课程，同样也成为大数据、人工智能、物联网工程等新工科专业重要的基础课程。因此，开展面向新工科的“数字信号处理”课程教学改革与实践，适应新工科的发展变化需求，具有重要意义。
本书编写团队多年从事“数字信号处理”教学和科研工作，对引导学生如何学习数字信号处理的基本理论和工程应用等方面有深刻体会。围绕新工科人才培养对工程应用能力、创新思维能力、自主学习能力等方面提出的新要求，在全书内容取舍、章节安排、问题描述、例题选用以及综合应用等方面都精心考虑并付诸实施。本书在系统讲解数字信号处理基本原理基础上，将经典的信号处理理论寓于工程实践，突出频域分析、时域滤波等知识点的工程应用，更有利于学生对概念的理解； 同时专门设置一章介绍数字信号处理的综合应用，培养学生的知识综合运用和系统设计能力。本书详细介绍数字信号处理的软件、硬件实现方法，在每章最后一节增加MATLAB编程实例，方便学生理解所学内容，增强分析问题和解决问题的能力。
全书共10章，第1～4章讲述数字信号处理的变换域理论，包括离散时间信号与系统的时域分析、Z变换、离散时间傅里叶变换、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换等； 第5～8章讲述数字信号处理的时域滤波理论，包括数字滤波器设计基础、IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、多采样率变换等； 第9、10章讲述数字信号处理的综合应用和硬件实现等。本书内容全面丰富、系统性强，突出理论和应用相结合。为了帮助读者深刻理解基本理论和分析方法，书中列举大量的精选例题，在各章的最后还附有习题，以帮助读者进一步巩固所学知识。
本书绪论、第8、10章由徐以涛编写，第1、5章由杨炜伟编写，第2章由童晓兵编写，第3、4章由程云鹏编写，第6章由江汉编写、第7章由张玉明编写，第9章由编写团队共同完成。徐以涛校阅了全书初稿，并对全书进行了统稿。陆军工程大学周雷副校长对本书的成稿提出了建设性的意见。本书在编写过程中，得到了陆军工程大学通信工程学院的大力支持和帮助，学院杨旸、田乔宇、李京华、刘畅、纪存孝等教师协助做了许多工作，清华大学出版社的编校人员对本书的出版提出了很多宝贵的建议，在此表示感谢。
由于编者水平有限，错误和疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
编者
2022年12月

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本书在系统讲述数字信号处理的基本概念、原理和实现方法基础上，将理论和工程实践有机结合，充分引入应用实例，增加 MATLAB 编程验证，拓展系统综合应用，加强对基本知识的理解。全书共十章， 主要涉及三方面的内容：一是对离散时间信号与系统进行表示和分析所必需的基础知识，以及离散傅里叶变换和快速算法及其典型应用；二是数字滤波器的设计与实现，以及多采样率数字信号处理的基本理论和高效实现方法；三是数字信号处理的综合应用举例以及硬件开发环境介绍。本书内容全面丰富、系统性强、概念清晰。书中配有大量的精选例题、习题，并给出各种算法的 MATLAB 仿真实验。 本书可作为高等院校电子信息类、自动化类、计算机类等专业的本科生和研究生教材，也可供相关领域的科技工作者参考。

徐以涛，陆军工程大学教授、博士生导师。长期从事数字信号处理等方向的教学和科研工作，讲授数字信号处理等课程。近5年发表SCI源刊论文近20篇，授权发明专利10余项。承担国家“973”项目、国家安全重大基础研究项目、国家自然科学基金等重点项目10余项。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项目、二等奖3项。出版教材4部。
程云鹏，陆军工程大学教授、博士生导师。讲授数字信号处理等课程。承担基金、预研、973等科研项目20余项，出版教材4部，获国家和国防发明专利授权19项，多项成果转化为应用。获国家科技进步一等奖1项，二等奖1项，省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项。
童晓兵，陆军工程大学副教授，硕士生导师。讲授数字信号处理等课程。承担军队预研、973等科研项目10余项，获国家和国防发明专利授权3项，多项成果转化为应用，获国家科技进步一等奖1项，二等奖1项，省部级科技进步一等奖一项、二等奖1项；国内外核心期刊发表论文20余篇；获国家/国防发明专利3项，出版教材3部。

绪论

第1章离散时间信号和系统的时域分析

1.1离散时间信号

1.1.1信号分类

1.1.2离散时间信号的定义与表示

1.1.3典型离散时间信号

1.1.4离散时间信号的基本运算

1.2离散时间系统

1.2.1线性系统

1.2.2时不变系统

1.2.3线性时不变离散系统

1.2.4线性卷积的计算

1.2.5系统的因果性和稳定性

1.3离散时间系统的时域描述

1.3.1线性常系数差分方程表示离散时间系统

1.3.2线性常系数差分方程的求解

1.4模拟信号的采样和重构

1.4.1时域采样定理

1.4.2模拟信号的重构

1.4.3模拟信号的数字化

1.4.4数字信号的模拟化

1.5离散时间信号和系统的MATLAB仿真

1.5.1离散时间信号的MATLAB表示

1.5.2离散时间信号基本运算的MATLAB实现

1.5.3线性时不变系统的MATLAB仿真

1.5.4模拟信号采样与重构的MATLAB仿真

习题

第2章离散时间信号与系统的频域分析

2.1序列的Z变换

2.1.1Z变换

2.1.2逆Z变换

2.1.3Z变换的性质和定理

2.1.4利用Z变换求解差分方程

2.2序列的离散时间傅里叶变换

2.2.1DTFT的定义

2.2.2DTFT的性质和定理

2.2.3离散时间傅里叶变换、Z变换、傅里叶变换和拉普拉斯变换之间
的关系

2.3离散时间系统的频域分析

2.3.1系统函数与频率响应

2.3.2系统的因果性与稳定性分析

2.3.3系统的频率响应分析

2.3.4全通滤波器和最小相位滤波器

2.4离散时间信号与系统频域分析的MATLAB仿真

2.4.1Z变换的MATLAB仿真

2.4.2DTFT的MATLAB仿真

2.4.3系统零极点的MATLAB仿真

2.4.4系统频率响应的MATLAB仿真

习题

第3章离散傅里叶变换

3.1周期序列的离散傅里叶级数

3.1.1周期序列

3.1.2周期序列的DFS

3.2离散傅里叶变换及性质

3.2.1DFT的定义

3.2.2DFT的性质与定理

3.3频域采样与内插

3.3.1频域采样定理

3.3.2频域内插公式

3.4离散傅里叶变换的应用

3.4.1DFT计算线性卷积

3.4.2DFT进行谱分析

3.5离散傅里叶变换的MATLAB仿真

3.5.1DFT与IDFT计算仿真

3.5.2DFT性质与定理仿真

3.5.3频域采样与内插仿真

3.5.4DFT计算线性卷积仿真

3.5.5DFT谱分析仿真

习题

第4章快速傅里叶变换

4.1快速傅里叶变换基本概念 

4.1.1DFT的运算量分析

4.1.2FFT的分解思想

4.2时域抽取法基2 FFT算法

4.2.1DITFFT算法原理

4.2.2DITFFT运算量分析与比较

4.2.3DITFFT运算规律

4.2.4DITFFT其他形式流图

4.3频域抽取法基2 FFT算法

4.3.1DIFFFT算法原理

4.3.2DIFFFT与DITFFT的比较

4.4快速傅里叶逆变换算法

4.4.1基于FFT间接计算IFFT

4.4.2基于蝶形运算流图直接计算IFFT

4.5快速傅里叶变换的应用

4.5.1旋转因子的生成

4.5.2旋转因子的使用

4.5.3实序列的FFT计算

4.6快速傅里叶变换的MATLAB仿真

4.6.1FFT算法的仿真比较

4.6.2IFFT算法的仿真比较

4.6.3实序列的FFT计算仿真

习题

第5章数字滤波器设计基础和实现结构

5.1数字滤波器的基本概念

5.1.1滤波的概念

5.1.2滤波器的分类

5.1.3数字滤波器的技术指标

5.1.4数字滤波器的网络结构

5.2IIR数字滤波器实现结构

5.2.1IIR直接型网络结构

5.2.2IIR级联型网络结构

5.2.3IIR并联型网络结构

5.3FIR数字滤波器的实现结构

5.3.1FIR直接型网络结构

5.3.2FIR线性相位结构

5.3.3FIR级联型网络结构

5.3.4频率采样型网络结构

5.4数字滤波器结构的MATLAB仿真

5.4.1与数字滤波器结构相关的MATLAB函数

5.4.2IIR滤波器结构的MATLAB实现

5.4.3FIR滤波器结构的MATLAB实现

习题

第6章IIR数字滤波器设计方法

6.1模拟滤波器设计基础

6.1.1模拟低通滤波器的技术指标

6.1.2幅度平方函数与系统函数

6.1.3常用模拟低通原型滤波器

6.1.4模拟低通滤波器的设计

6.1.5模拟高通、带通及带阻滤波器的设计

6.2脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器

6.2.1脉冲响应不变法转换原理

6.2.2s平面到z平面的映射关系

6.2.3频谱混叠现象

6.2.4脉冲响应不变法的设计步骤

6.3双线性变换法设计IIR数字滤波器

6.3.1双线性变换法转换原理

6.3.2s平面到z平面的映射关系

6.3.3频率转换的非线性

6.3.4双线性变换法的设计步骤

6.4数字高通、带通和带阻IIR数字滤波器设计

6.5IIR数字滤波器的MATLAB仿真

6.5.1模拟滤波器MATLAB仿真

6.5.2脉冲响应不变法与双线性变换法的MATLAB仿真

6.5.3高通、带通和带阻IIR数字滤波器的MATLAB仿真

习题

第7章FIR数字滤波器设计

7.1线性相位条件与特性

7.1.1线性相位条件

7.1.2线性相位FIR滤波器的幅度特性

7.1.3线性相位FIR滤波器零点分布特性

7.2窗函数法设计FIR数字滤波器

7.2.1窗函数法设计原理 

7.2.2矩形窗设计性能分析

7.2.3典型窗函数

7.2.4窗函数法设计实例

7.3频率采样法设计FIR数字滤波器

7.3.1频率采样法基本原理

7.3.2线性相位的约束

7.3.3频率采样法逼近误差分析

7.3.4频率采样法设计实例

7.4FIR数字滤波器的最优化设计

7.4.1最优设计准则

7.4.2等波纹逼近优化设计原理

7.4.3等波纹逼近法设计实例

7.4.4FIR滤波器与IIR滤波器对比

7.5FIR数字滤波器的MATLAB仿真

7.5.1线性相位的MATLAB仿真

7.5.2窗函数法设计的MATLAB仿真

7.5.3频率采样法设计的MATLAB仿真

7.5.4等波纹逼近设计的MATLAB仿真

习题

第8章多采样率数字信号处理

8.1多采样率变换的基本概念

8.2典型多采样率变换

8.2.1整数倍抽取

8.2.2整数倍插值

8.2.3有理数倍采样率变换

8.3多采样率系统的网络结构与实现

8.3.1多采样率系统的等效变换

8.3.2多采样率系统的多相结构

8.3.3采样率转换的多级实现

8.4用于多采样率变换系统的一类特殊滤波器

8.4.1半带滤波器

8.4.2积分梳状滤波器

8.5多采样率数字信号处理的MATLAB仿真

8.5.1整数倍抽取MATLAB仿真

8.5.2整数倍插值MATLAB仿真

8.5.3有理数数倍采样率变换MATLAB仿真

习题

第9章数字信号处理综合应用

9.1语音处理中的应用

9.1.1双音多频基本原理

9.1.2DTMF信号的谱分析

9.1.3DTMF信号生成与检测仿真

9.2数字通信中的应用

9.2.1正交频分复用基本原理

9.2.2基于IDFT/DFT的OFDM实现

9.2.3多径信道下OFDM传输仿真

9.3图像处理中的应用

9.3.1二维DFT与循环卷积理论

9.3.2图像滤波基本原理

9.3.3图像滤波仿真

9.4雷达测速中的应用

9.4.1雷达测速基本原理

9.4.2基于DFT频域分析的雷达测速

9.4.3多目标雷达测速仿真

9.5无人机系统中的应用

9.5.1无人机减振设计原理

9.5.2基于数字滤波器的减振方法

9.5.3减振滤波仿真

第10章数字信号处理的硬件实现

10.1概述

10.2基于DSP芯片的硬件实现

10.2.1DSP芯片及特点

10.2.2典型DSP芯片的结构及主要性能

10.2.3基于DSP芯片的系统设计与调试

10.3基于FPGA芯片的硬件实现

10.3.1FPGA芯片及特点

10.3.2典型FPGA芯片的结构及主要性能

10.3.3基于FPGA芯片的系统设计与调试

10.4应用举例

10.4.1FIR滤波器的DSP实现

10.4.2FIR滤波器的FPGA实现

附录AMATLAB使用简介

附录BMATLAB中常用的数字信号处理类函数

附录C缩略语

（1） 体现工程教育专业认证的理念，专门设置数字信号处理的综合应用章节内容，注重培养学生解决复杂工程问题的能力。
（2） 突出频域分析、时域滤波等知识点的物理意义，避免陷入繁杂的数学推导和计算，帮助学生理解相关概念。
（3） 每章最后配有MATLAB编程仿真实例，方便学生理解所学内容，增强分析问题和解决问题的能力。
（4） 提供大量典型、实用的设计案例，详细介绍数字信号处理的软件、硬件实现方法，培养学生的知识综合运用和系统设计能力。
（5） 每章附有丰富的习题，查漏补缺，检测知识的掌握程度，并运用所学知识解决实际问题，加深知识的理解。
（6） 新形态教材，配套资源丰富，包括教学大纲、课件、习题解答、源代码等，可扫描前言下方二维码下载。微课视频等资源，正在建设中，将持续更新。