数字信号处理张宗橙老师

dsp技术是当今十分重要的，不可或缺的一门技术，通过对dsp技术的阐述，从中得到启发内容介本书系高等院校教材。全共分9章,第1章为诸论,第2,3章讨论离散正交变换的原理以反快速算法,第4章讨论随机信号的谱分析,第5到第6章讨论数字滤波餐的分析与设计方法,第7章讨论数字系统的实现及其实现过程中的阿题与解决办法,第8章通过一些实例介绍了数字信号处理在邇信上的应用,第9章介绍了当前散宇信号处理的硬件实现情况。各章附有与内容密切配合的例题和习题,有助于加深对内容的理解。本书力求概念突出,思路清晰,便于自学。可作为电子、通信与信息类各专业本科学生教材也可供有关科技、工程人员作为参考书。数字信号处理原理及应用张宗橙张玲华曹雪虹东南大学出版社出版发行南京四牌楼2号编210096江苏省新华书店经销南京邮电学院印刷厂印刷开本?8?×1092毫米1/6印张16.25字数395千1997年8月第1版1997年8月第1次印刷印教:1-3500删ISBN7-81050-245X/TN·27定价:18.00元凡因印敉质量问题,可查接炯承印厂调换〕《数字信号处理》是数字技术、计算数学和大规模集成电路相结合的产物,从60年代始便已形成一门独立的学科随着通信方式由模拟走向数字数字信号处理越来越成为电子通信类专业学生不可缺少的专业基础。本书是根据9年的教学实践,以教学大纲为准绳,以用了3年的白编教材为基础,参考各兄弟院校的教材,结合数字信号处理在通信部门的应用情况而编写的。本书的计划授课时间为64学时。《数字信号处理》作为一门学科仍在迅速发展中。随着研究向纵深的进展,以及向各应用领域的渗透该学科已分化出许多分支,如自适应信号处理、统计信号处理图像处理语音信号处理、现代谱估计、模式识别等,需要开设系列课程才能比较完整地了解它但作为入门的专业基础课本课程的教学内容已相对成熟。各院校教材虽然各有侧重但大体格局是FFT、数字滤波器和谱分析三大支柱,体现了变换处理分析这二大内容,加上数字信号处理在本行业的应用。本书是针对工科的电子通信、信息类本科学生编写的,因此,全书编写的指导思想是:前面理论部分着重讲清讲透基本概念、恳路、方法,既要为本领域的后续课程打下扎实的理论基础,又要避兔过于繁复和严密的数学推导;后面应用部分是新增的内容,采取广新浅的方针,重在拓宽知识面,开阔思路使学生了解本门课程在通信上的工程应用,了解最新的发展动向持别是在将要兴起的多媒体通信中的作用。本书共9章,由张宗橙主编。第1、35章由张玲华编写第7章、第3章的第4节及全书的习题由曹雪虹负责编写,其余由张宗橙编写。本书由郑宝玉教授审稿徐澄圻教授和杨震、穆明生、杨磊等老师曾对本书提出过宝贵的修改意见,在此表示感谢编者199?年5月目录绪论1,1数字信号、系统和处理…2数字信号处理的特点■日音司冒冒看?■日自日旷自曾留日四章自口音1甲中自自甲卩自●自如自■画p●q自·口p画●·■■d“4·t1.3数宇信号处理技术的发展2离散时间信号和系统■■啁■■■■■·日·■■■日·口■■■鼻·■■■口■■■聊自dD■即卓命咱■■·ψ·■●略·■■■p●■■↓即晶■■■■↓品2.1序列………聊卓鲁命日旨鲁中鲁●◆·命·●自自日命中●●中自中鲁自·自如甲■啁■■自甲Ⅱ■自■罪●·罪命●■·自■↓2.1.上序列的定义……2.1.2常用的序列鲁●·■■·中●■命。看■申■t■21.3周期序列…………r……;…看■血血自血口●甲血2.14序列运算及其常用关系式2.2线性移不变离散时间系统■·q■■罪咖■血■白罪聊d血2.2.1线性移不变纳定义“ψ會噜會t■血■【右动电看晷22.2系统的单位抽样响应2.2.3系统的时域分析—一差分方程23离散时间系统的Z域分析…↓甲■■p■罪1·命·102.3.1从抽样倍号的拉氏变换到艺变换口冒1冒冒L■冒b■画如bb■b↓山23.2Z变换的收做域2.33Z变换的性质…自■口↓■■晶·↓■昌■日昌↓晋4■晶■一晋…………152.3.4反Z变换………………………"!……"…""………………2.3.5系统函数…236系统的因果性稳定性………………………-……202.3.7系绕的分类和连接…s……212.4离散时间系统的数字频域分析…日鲁■■自……232.4.1序列傅氏变换++2.4.2系统频响…"…242.4.3全诵函数和纯振幅函数……282.5离散傳氏变换DFT和离散频域分析………………………………………302.5】周期序列的傅氏级数变换(FS)312.5.2离散傅氏变换DFT〕■即■■●舂血■日■郾咖申喜■日■■■■口■■郾■晶鼻↓■■■■罩恐看■L晶晶342.5.3DFT的性质…中■司中■■罪d■罩@●·喜者·咖命會电咖自。喜■362.5.4蔡统的离散频域分析…422.5.5采样的恢复品马品如+4日吾甲4吾+品如昌如昌古如·每备如甲如如即日中4啬d·七凸26变换域的关系19习题…““pP日■学·日4卓:l·日·s:日·444正交变换及其快速算法■■卡昌■會會■個■曾■■?口533.1快速傅里叶变换(FFT)3.1.l按时间抽取(D)的Fr………………………543.].2按麴率抽取(DF)的FFT■■■.■↓卩晶卩早·↓一■d_“鲁會■593.1,3IFFT的运算方法………613.1.4混合基FFT算法…………"……-…"……!……6332快速傅里叶变换的应用…………………………………-………-1………………63.2.l利用FFT求线性卷积——快速卷积……………………………………673.2.2利用FFT求相关一-快速柏关s*6732.3Chrp-Z变换3.3离歡余弦变换(DCT)及其快速算法……………*……-…………………7033l高散余弦变换(DCT)■申司■p●口咖332快速杂弦变换(FCT命q■要中电。●■日啁●34小波变换………………………………………75341短时傅里叶变换……63.42小波变换山==·"日山“日甲"-"■"甲当·日甲“号會曾“自◆日“·會·口甲自詈■■■聊▲■●·聊聊顰习题■平中·■曾·自自14数字谱分析………………*……………804.1倍号的分类与预处理4·“!“号“·““4.2确定性信号的相关函数及谐分析…………sss……,834.2.1媊定性信号的幅度谱、相位谱832.2确定性信号的相关数…………………86确定性信号的能量谱、功率谱個■4.3随机信号的相关函数和谱分析↓_↓晶4甲4■d·■山画■·〓8943.1随机信号的数字特征和分类■·■司·昌■郾凸■晶4最晶晶一89432随机信号的相关函数…923随机信号的功率谱■■幽■■···鲁命中电。■■晶量晶晶b+9543.4随机信号通过线性系统:964.4随机信号的古典法谱估计9944.1相关法谱佔计………ss"s994.42周期图法·■■■音凸■■昌昏■看■■44昏聊西看昏●4聊晶晶d●b晶■■·■■■+·“■口·q电甲…10】44.3古典法伴估计的质量评价和改进方向…1024.5现代谱估计参数模型法4.51随机信号的參数模型"""噜·■會■自■·血命會●■■■口■■1064.5.2相关域:柏关匹配和最大熵摧则""""s*"…"107时域:线性预测和反滤波品晶■1094.5.4频域:功率谱的匹配与加色…………………1124.5.5尤勒一沃克方程求解p咖也电自动咖血1c@白电包●血中电也■电■电■啁■口D■■习题115无限长单位脉冲响应(IR)数字滤波器(DF)的设计……116数字滤波器的一般概念…………………………1165.1.1数字滤波器的分类會■■■幽■■血■會■■■會■■■血■命■申鲁●冒·唱自申-165.1.2数字滤波器的一般分析、设计方法1185.2由模拟滤波器设计IR数字滤波器會■■■個■冒■會個■■■增■■冒會■205.2.1模拟域的频率变换……………………·………·……1205.2.2模拟低通滤波器的设计曾■曾■■T■T■甘■會·■中曾會曾晋噜“曾日平『·1會會早鲁會曾q曾會口鲁曾鲁123523冲激响应不变法…………………124双线性变换法 BLT(Bilinear trans formation)…………131数字域的频率变换……155.3IR数字滤波器的计算机辅助设计(CAD)………………1405.3.]设计的一般步骤……………””!”…1405.3.2常用的设计方法“………143习题…+一1446有限长单位脉冲响应(FIR)数字滤波器的设计……………………………………1466.1线性相移FIR数字滤波器的特点1466.2FIR滤波器的窗口设计法…1506,2,1设计原理……………………………1506.2.2窗函数的选择………"…""…15162.3伢冂法的设计步骤和实例……,1566.3FIR滤波器的频率采样法设计………1596.3.1线性相位FIR滤波器的约束条件………………"…""……"………1606,3.2滤波器的频响曾■平中甲鲁■·!…,…s!1606.3.3改善滤波器性能的指越……s1616.4FIR数字滤波器的计算机辅助设计1556.4,1切比雪夫一致逼近原理上6564,2代表FIR系统的n阶多项式1666.5FIR和IIR数字滤波器的比较………………………”170刁题…1707数字滤波器的结构与实现……172.1IR数字滤波器的结构……■·●●由。·●血咖申吧●……………………………………17271,1直接型2级联型7.l,3并联型甲兽即甲聊山申音幽■■■血■■鲁■■■會■■1冒■■『會■會■■『會■■x…………1742FIR数字滤波器的结构1751直接型1757.22级联型7.23线性相位型………………""……"……""……"………175?.24频率釆样型■·ψ咖ρ●罪“甲司■画■■■■晋口■■■■冒■■冒口自■·中自自鲁會中『·留◆盲自·自·鲁?自曾··自饣咱7.3有限字长效应…3.1输入倍号的量化效应1797.3.2系数的量化效应口口■曾曾■自會會?■1817.3.3数字运算过程中的有限字长效应…………………………………………186习题………………………………………………1908数字信号外理在通信上的应用·1928.1频域分析、滤波与处理…--……………………………1928.1,1FFT谱分析仪●@●冒命·动@■鱼1928,1,2多频(MF)信号的数字检测………………………241938.1.3利用F}T和多相网络实现 TDM-FDM的复用转换命自中自1958.1.4利用IFT实现离多音(DMT〕制………………8.2自适应滤波系统……中■日血口日口■■■■■詈■『曾中會曾「中曾中「“·■日「-20382.1自适应滤波系统的一般概念···■■曲十十身·鲁早日日日日m8.2.2回波抵消器→-“··---·---吾+4h-晶-如44品2068.23数字型自适应均衡器…-…-*-……·2088.2.4颓域自适应滤波…………………""…""………"……………2Io8.3语音信号数字处理简介■一ψ·暴一4↓尋司甲↓昂■■■昌■■备电血咖自命■●·b@命21184数字图像处理简介2249数字信号处理硬件与LSI2379.1算术运算器件■■■■dψφ晶ψ■画■■■昌■■ψ■昌q西看b鲁即自自音●■●■司咖罩■■·自司即罩■罩『■9.1.1加法番238912乘法器…………""………:2399.2位片式信号处理器昌凸■■■昏■鲁個罾■鲁自自9.3单片数字信号处理器(DSP芯片〕?419.4VLSI阵列处理器9.5专用信号处理芯片(ASC}248附录:本书所用符号一览表甲■啁■“■自卾●自自咖冒p1『卓1………………250参学资料…■冒■冒冒■1绪论1数字信号、系统和处理信号是信息的载体。如果说信息是抽象的内涵,那么信号则是有形的物理实体。信号以某种函数的形式传递信息。这个函数,可以是时向域函数也可以是频率城函数还可以是其它域,如相关域、空间域等的函数,但基础的域是时域时域倍号S(r),其自变量κ可以有连续的和离散的两种形式其函数值(幅度)也有连续和离散两种。两者共有四种可能的组合,但有实际意义的仅三种。另一种时间连续、幅度离散信号由于其系统总存在过渡过程,所以讨论价值不大。与这三种信号相对应处理这些信号的系统也可分为列三类(1〕模拟信号和系统倍号x()的自变量t和函数值(幅度)()都是连续值。处理这类信号的系统叫模拟系统。通常由电容、电感、电阻半导体器件及模拟集成电路组成的网络和设备是模拟系统2〕离散时间信号和系统。信号x(nT)的自变量nT是时域的离散采样点而函数值x是连续的。扩大到一般情况,可用x(n)代表时间离散、幅度连续的任何序列。此处的n仅表示顺序号,可以是时间轴顺序,也可以是其它任何某个域、某种轴上的序导处理离散时同信号的系统叫离散时间系统,比如用电荷耦合器件(CCD)以及开关电容网络组成的系统就是离散时间系统。〔3〕数字信号和系统。信号x(n)在时间和幅度上都离散的。处理这类信号的系统叫数宇系统。由数宇运算单元、存储单元、逻辑控制单元以及CPU等组成的系统是数字系统。“处理”是用系统对信号进行变换和加工,“处理”的类型决定于系统的类型,通常与信号类型相一致,但也可以不同,比如数字信号可以在模拟低通滤波器中平滑,而模拟信号也可以经A/D、DA变换而用数宇系统去处理1.2数字信号处理的特点数字信号处理较之模拟信号处理的优点是十分明显的,主要有(1)精度高。模拟系统的精度是靠元器件参数的精度来支持的,与生产所用的材料工艺相关,很难达到10-2以上。而数字系统的精度是由字长来决定的,17位字长就可达到10ˉ*度。系统可以轻易地把字长加大到32位、64位。很多高精度的测量和控制只有用数字系统才能实现(2〕可靠性强。只有两个电平或有限多电平抗于扰能力强,并且干扰不积累。(3)系统通用性好。模拟系统参数由元件值一次固定数字系统参数可轻易改变:比如用同一个数字系统,只要改变一下系数,既可作高通滤波,又可作低通滤波;既可处理大谙号,又可处理小信号;既能产生高频,也能产生低颍。特别当頻率很低时,模拟电路对电容电感的要求或许已使它们的体积大到惊人的地步,而数宇系统频率可低到10-Hz4)可存储性时域信号存愔从某种意义上看是时间存储、它开辟了…种新的处理方法,能提供时间资源以逖行复杂的高级处理。因此带数宇信号处理功能的示波器可以清晰地显示一般示波器看不到的波形。把图傢信号存储起米可进行模拟系统不能实现的二维三维信号处理;加上一定的时延,数字滤波器可实现近于理想的原本是非因果的额带滤波;把波形存储起来可用作万能的波形(函数信号)发生器〔5)可时分处理。一賽系统可同时时分复用〕处理凡个信号。一些基本运算环节可以循环复用,例如将一节滤波器的输出引入到它的输入,控尚其循环五次,则等效于通过一个五节的滤波器。6)易用软件模拟数字系统可用计算机特确模拟,因此可先用计算机来研究硬件系统的参数特性,进行性能调试和质量估计即软件仿真。事实上,软件本身也可以是数字系统的一部分,这就构成软硬件结合的系统。也可以将软件功能做成硬件,称为软件固化。这样、开发手段强,成本低、周期短。(7)容易实现非线性特性,模拟器件靠物理持性产生非线性,其曲线形状不易改变和调整。数字系统可用赋予的数据方便地产生任何非线性特性。(g)自诊断、自保护性能好。因而可开发故障诊断软件,便于维护操作和监控管理(9)容易集成化,体积小,重量轻,耗电省。硬件参数一致且稳定,有利于硬件互换和维修。以上都是数字处理的优点。世界上没有绝对完美的事数字处理也存在很多弱点。(1)工作速度慢数字系统的工作受时钟频率(采样频率)的制约,它是靠运而不是靠物理特性完成处理的因此它处理不了很高的频率。也许数字处理永远做不到像模拟处理那样让输入输出信号几乎同时发生,这是它的最大弱点。〔2)电路规模大、需时钟发生器、A/D、D/A等附属电路。一般来说,和模拟系统相比越是复杂的系统进行数字处理的相对成本越低,而对于比较小的系统相对成本比模拟处理要高。(3)对模拟信号进行数字处理,必定要量化,量化是非线性过程,而且会产生量化噪声。在运算过稞中也会产生运算误差,甚至出现极限环桭荡。数字信号处理技术的发展早在50年代以Z变换和采样数据理论为基础实现了低频地震倍号的数字处理.但限于当时的技术和器件水平,从成本、体积和实时性看,数字信号处理远不能与模拟处理匹敌。196年提出的快速傅氏变换FFT是数字倍号处理发展史上的一块里程碑。以计算1924点的序列为刷,FFT将计算时间编短为原来的1/100,从而使数字信号处理从一个2