数字信号处理:原理、实现及应用9787121434020

绪论

随着计算机和信息学科的快速发展，数字信号处理的理论与应用得到了飞跃式的发展，现在已经形成一门极其重要的独立学科体系。数字信号处理是利用计算机或专用数字处理设备，采用数值计算的方法对信号进行处理的一门学科，它包括数据采集，以及对信号进行变换、分析、综合、滤波、估值与识别等加工处理，以便于提取信息和应用。与传统的模拟处理方法相比较，数字处理具有无法比拟的优点。数字信号处理系统可以对数字信号进行处理，也可以对模拟信号进行处理。当然，必须先将模拟信号变换成数字信号，才能用数字信号处理系统处理。

数字信号处理原理、实现和应用是本学科研究与发展的三个主要方面。数字信号处理应用非常广泛，涉及语音、雷达、声呐、地震、图像处理、通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、航空航天、电力系统、故障检测和自动化仪表等众多领域。显然，研究数字信号处理的应用一定要涉及各个应用领域的专门知识，所以，它不是本课程的学习重点。数字信号处理原理及其实现方法和技术是一门脱离具体应用学科的专业基础，是本课程学习的重点。

信号可以定义为携带信息的函数。信号一般分为确定性信号和随机信号（平稳随机信号和非平稳随机信号），两种信号都有一维信号和多维信号。确定性信号和随机信号处理的原理和方法也不同。随机信号处理基于随机过程、信号与系统和最优化理论，采用统计的方法进行分析和处理，这部分内容将在研究生课程中学习。本课程仅学习一维确定性信号处理的原理、实现和应用。

绝大部分一维信号是时间的函数，信号又可分为模拟信号（即连续信号）、时域离散信号、幅度离散信号和数字信号。模拟信号的幅度（信号值）和自变量（时间）都取连续值，如麦克风输出的语音信号，温度信号等。时域离散信号的幅度取连续值，但自变量取离散值，如气象站定时测量的温度信号，数字电话系统每隔0.125ms对语音信号的采样信号。幅度离

散信号的幅度取离散值，但自变量取连续值，如多进制数字幅度调制信号就是典型的幅度离散信号。数字信号的幅度和自变量都取离散值，数字信号的幅度可以用有限位二进制数表示。所以，时域离散信号可以看成对模拟信号的时域等间隔采样信号，对时域采样信号的幅度量化（离散化）的结果是数字信号。一般将能够直接处理模拟信号、时域离散信号和数字信号的系统分别称为模拟系统、时域离散系统和数字系统。

用数字处理系统处理模拟信号的原理方框图如图0.1所示。在工程实际中，将采样和量化编码两部分集成在一起，称为模数转换器，其功能是将模拟信号变换成数字信号。量化编码器的作用是将采样得到的每个信号样值变换成有限位二进制编码。

随着计算机和专用数字处理系统的字长不断增加，模数转换器的量化误差、数字处理系统的系统参数量化误差，以及处理过程中的运算误差越来越小，如果忽略这些误差，模数转换器就与采样等价，数字处理系统与时域离散系统等价，则图0.1可以简化成图0.2，即用时域离散系统处理模拟信号的原理方框图。

图0.1清楚地说明了工程实际中所用的数字信号处理系统的构成，而图0.2只是一种理论模型。因为时域离散线性时不变系统分析与设计理论已完全成熟，所以，通常根据要求先设计

图0.2中的时域离散系统，再根据对信号处理的精度要求，选取合适的量化位数，对采样信号

x（n)和时域离散线性时不变系统的参数进行量化，就将时域离散系统变成了数字系统。因此，本课程主要学习图0.2中所涉及的理论与实现方法，并介绍图0.1中的量化误差效应。由于量

化误差与量化位数（字长）直接相关，所以又将量化误差效应称为有限字长效应。

0.1数字信号处理的基本内容

确定性数字信号处理的基本理论主要包括如下内容：

（1）模拟信号的预处理（又称预滤波或者前置滤波）：滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真；

（2）模拟信号的时域采样与恢复：模数转换技术，采样定理，量化误差分析等；

（3）时域离散信号与系统的分析：信号的表示与运算，各种变换（傅里叶变换、Z变换和离散傅里叶变换），时域离散信号与系统的时域和频域的描述与分析；

（4）数字信号处理中的快速算法：快速傅里叶变换，快速卷积等；

（5）模拟滤波器和数字滤波器分析、设计与实现；

（6）多采样率信号处理技术：采样率转换系统的基本原理及其高效实现方法。

上述六个方面的基本内容也是本课程的基本内容。随着通信技术、电子技术、计算机和超大规模集成电路技术的飞速发展，数字信号处理的理论也在不断地丰富与完善，各种新理论和新算法不断出现，特别是关于平稳随机信号和非平稳随机信号处理的现代信号处理理论的研究更加活跃。本课程作为一门专业基础课，所学的内容仅是学习现代信号处理理论和专门技术的基础。