數(shù)字信號處理

第 1 章 緒論 ................................................................................................................................. 1
1.1 數(shù)字信號處理學(xué)科內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域 ............................................................................. 1
1.2 數(shù)字信號處理的發(fā)展歷程 ............................................................................................. 2
1.3 數(shù)字信號處理的基本概念 ............................................................................................. 3
1.4 數(shù)字信號處理的內(nèi)容結(jié)構(gòu) ............................................................................................. 4
第 2 章 離散時(shí)間信號與系統(tǒng)分析 ............................................................................................. 6
2.1 離散時(shí)間信號及運(yùn)算 ..................................................................................................... 6
2.1.1 典型序列 ................................................................................................................ 7
2.1.2 序列的基本運(yùn)算 .................................................................................................... 13
2.1.3 線性卷積和與線性相關(guān) .......................................................................................... 14
2.2 離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析 ........................................................................................... 17
2.2.1 系統(tǒng)的時(shí)域表示與求解 .......................................................................................... 17
2.2.2 系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) ............................................................................................. 19
2.2.3 系統(tǒng)性質(zhì) .............................................................................................................. 22
2.3 Z 變換 ........................................................................................................................... 24
2.3.1 Z 變換的定義 ........................................................................................................ 24
2.3.2 Z 變換的收斂域 .................................................................................................... 24
2.3.3 常用序列的 Z 變換 ................................................................................................ 29
2.3.4 Z 反變換 ............................................................................................................... 31
2.3.5 Z 變換的性質(zhì)與定理 .............................................................................................. 34
2.4 序列傅里葉變換 ........................................................................................................... 38
2.4.1 非周期序列傅里葉變換 .......................................................................................... 38
2.4.2 序列傅里葉變換的性質(zhì)與定理 ................................................................................ 39
2.4.3 常用序列的傅里葉變換 .......................................................................................... 43
2.4.4 Z 變換與序列傅里葉變換的關(guān)系 ............................................................................. 46
2.5 離散時(shí)間系統(tǒng)的變換域分析 ....................................................................................... 46
2.5.1 系統(tǒng)函數(shù) .............................................................................................................. 46
2.5.2 頻率響應(yīng) .............................................................................................................. 48
2.5.3 離散時(shí)間系統(tǒng)的零極點(diǎn)分析 ................................................................................... 50
習(xí)題 ....................................................................................................................................... 54
第 3 章 離散傅里葉變換 ........................................................................................................... 58
3.1 離散傅里葉級數(shù) ........................................................................................................... 58
3.1.1 離散傅里葉級數(shù)的定義 .......................................................................................... 59
3.1.2 離散傅里葉級數(shù)的性質(zhì) .......................................................................................... 62
3.2 有限長序列的基本運(yùn)算 ............................................................................................... 65
3.2.1 周期延拓與主值序列 ............................................................................................. 65
3.2.2 循環(huán)移位 .............................................................................................................. 66
3.2.3 循環(huán)卷積 .............................................................................................................. 67
3.2.4 序列的共軛對稱分解 ............................................................................................. 68
3.3 離散傅里葉變換及其性質(zhì) ........................................................................................... 69
3.3.1 四種傅里葉變換的內(nèi)在聯(lián)系 ................................................................................... 69
3.3.2 離散傅里葉變換的定義 .......................................................................................... 73
3.3.3 離散傅里葉變換的基本性質(zhì) ................................................................................... 74
3.3.4 循環(huán)卷積定理與循環(huán)相關(guān)定理 ................................................................................ 80
3.4 頻域抽樣理論 ............................................................................................................... 84
3.4.1 頻域抽樣不失真的條件 .......................................................................................... 84
3.4.2 頻域抽樣的恢復(fù) .................................................................................................... 85
3.4.3 幾種頻率的關(guān)系 .................................................................................................... 88
3.5 基于 DFT 的頻譜分析技術(shù) ......................................................................................... 90
3.5.1 基于 DFT 的連續(xù)非周期信號頻譜分析 .................................................................... 90
3.5.2 基于 DFT 頻譜分析的問題及其解決方法 ................................................................. 92
3.5.3 頻率分辨率 ........................................................................................................... 95
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 102
第 4 章 快速傅里葉變換 ......................................................................................................... 105
4.1 DFT 的運(yùn)算量及減少措施 ........................................................................................ 105
4.2 按時(shí)間抽取的基-2FFT 算法 ..................................................................................... 108
4.2.1 算法的原理 ......................................................................................................... 108
4.2.2 算法運(yùn)算量分析 .................................................................................................. 113
4.2.3 算法特點(diǎn)分析 ..................................................................................................... 114
4.2.4 按時(shí)間抽取的其他形式流圖 ................................................................................. 117
4.3 按頻率抽取的基-2 FFT 算法 .................................................................................... 118
4.3.1 算法的原理 ......................................................................................................... 118
4.3.2 算法特點(diǎn)分析 ..................................................................................................... 121
4.3.3 按時(shí)間抽取法與按頻率抽取法的比較 ................................................................... 122
4.4 基-2FFT 算法的實(shí)現(xiàn) ................................................................................................. 122
4.5 FFT 算法的典型應(yīng)用 ................................................................................................. 127
4.5.1 快速傅里葉反變換 ............................................................................................... 127
4.5.2 實(shí)數(shù)序列的 FFT 算法 .......................................................................................... 128
4.5.3 基于 FFT 的線性卷積與線性相關(guān)快速算法 ............................................................ 129
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 137
第 5 章 數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)及典型濾波器 ..................................................................... 139
5.1 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的表示方法 ..................................................................................... 140
5.2 IIR 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) .............................................................................................. 141
5.2.1 直接Ⅰ型 ............................................................................................................ 142
5.2.2 直接Ⅱ型 ............................................................................................................ 142
5.2.3 級聯(lián)型 ................................................................................................................ 143
5.2.4 并聯(lián)型 ................................................................................................................ 145
5.3 FIR 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) ............................................................................................. 148
5.3.1 直接型 ................................................................................................................ 148
5.3.2 級聯(lián)型 ................................................................................................................ 148
5.3.3 快速卷積型 ......................................................................................................... 150
5.3.4 頻率抽樣型 ......................................................................................................... 150
5.4 格型濾波器的結(jié)構(gòu) ..................................................................................................... 155
5.4.1 全零點(diǎn)格型濾波器 ............................................................................................... 155
5.4.2 全極點(diǎn)格型濾波器 ............................................................................................... 158
5.4.3 零極點(diǎn)格型濾波器 ............................................................................................... 159
5.5 幾種特殊 IIR 數(shù)字濾波器 ......................................................................................... 161
5.5.1 全通濾波器 ......................................................................................................... 161
5.5.2 小相位濾波器 .................................................................................................. 163
5.5.3 特殊零極點(diǎn)二階濾波器 ........................................................................................ 167
5.6 簡單整系數(shù) FIR 數(shù)字濾波器 .................................................................................... 171
5.6.1 均值濾波器 ......................................................................................................... 171
5.6.2 平滑濾波器 ......................................................................................................... 173
5.6.3 零極點(diǎn)相消濾波器 ............................................................................................... 175
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 178
第 6 章 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ............................................................................................... 180
6.1 濾波器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ..................................................................................................... 180
6.1.1 模擬濾波器與數(shù)字濾波器 .................................................................................... 180
6.1.2 濾波器的分類 ..................................................................................................... 181
6.1.3 濾波器的技術(shù)指標(biāo) ............................................................................................... 181
6.1.4 濾波器的設(shè)計(jì)步驟 ............................................................................................... 183
6.2 模擬低通濾波器的設(shè)計(jì) ............................................................................................. 183
6.2.1 由幅度平方函數(shù)來確定系統(tǒng)函數(shù) .......................................................................... 183
6.2.2 巴特沃思模擬低通濾波器的設(shè)計(jì) .......................................................................... 185
6.2.3 切比雪夫模擬低通濾波器的設(shè)計(jì) .......................................................................... 191
6.2.4 橢圓模擬低通濾波器的設(shè)計(jì) ................................................................................. 199
6.2.5 歸一化原型濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) ................................................................................. 201
6.3 基于模擬濾波器的 IIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) ................................................................. 203
6.3.1 脈沖響應(yīng)不變法 .................................................................................................. 203
6.3.2 雙線性變換法 ..................................................................................................... 210
6.4 高通、帶通和帶阻 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ............................................................. 219
6.4.1 模擬頻帶法 ......................................................................................................... 219
6.4.2 數(shù)字頻帶法 ........................................................................................................ 229
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 237
第 7 章 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) ............................................................................................. 239
7.1 線性相位 FIR 數(shù)字濾波器及其特點(diǎn) ......................................................................... 240
7.1.1 線性相位的定義 .................................................................................................. 240
7.1.2 線性相位的條件 .................................................................................................. 241
7.1.3 線性相位 FIR 數(shù)字濾波器的幅度特性 ................................................................... 244
7.1.4 線性相位 FIR 數(shù)字濾波器的零點(diǎn)分布 ................................................................... 247
7.2 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法 ............................................................................................................. 248
7.2.1 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)思想 .................................................................................... 248
7.2.2 加窗處理對頻譜性能的影響 ................................................................................. 250
7.2.3 典型窗函數(shù) ......................................................................................................... 253
7.2.4 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法舉例 ............................................................................................... 259
7.3 頻率抽樣設(shè)計(jì)法 ......................................................................................................... 267
7.3.1 頻率抽樣設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)思想 ................................................................................. 267
7.3.2 逼近誤差 ............................................................................................................ 268
7.3.3 頻率抽樣設(shè)計(jì)法舉例 ........................................................................................... 272
7.4 等波紋 逼近設(shè)計(jì)法 ............................................................................................. 276
7.4.1 等波紋 逼近設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)思想 ....................................................................... 276
7.4.2 交錯(cuò)點(diǎn)組定理 ..................................................................................................... 276
7.4.3 Parks-McClellan 算法 ........................................................................................... 278
7.4.4 等波紋 逼近設(shè)計(jì)法的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ............................................................. 280
7.5 IIR 數(shù)字濾波器和 FIR 數(shù)字濾波器的比較 .............................................................. 282
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 283
第 8 章 信號的抽樣與量化誤差 ............................................................................................. 286
8.1 連續(xù)時(shí)間信號的抽樣 ................................................................................................. 286
8.1.1 理想抽樣 ............................................................................................................ 287
8.1.2 實(shí)際抽樣 ............................................................................................................ 289
8.1.3 帶通信號的抽樣 .................................................................................................. 290
8.2 多抽樣率轉(zhuǎn)換 ............................................................................................................. 291
8.2.1 按整數(shù)因子抽取與內(nèi)插 ........................................................................................ 292
8.2.2 按有理因子I/D的抽樣率轉(zhuǎn)換 ................................................................................ 296
8.2.3 多抽樣率轉(zhuǎn)換 FIR 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn) ................................................................... 299
8.3 有限字長效應(yīng) ............................................................................................................. 302
8.3.1 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算及量化誤差 ................................................................................. 303
8.3.2 系統(tǒng)輸入信號的量化效應(yīng) .................................................................................... 306
8.3.3 系統(tǒng)系數(shù)的量化效應(yīng) ........................................................................................... 308
8.3.4 運(yùn)算的有限字長效應(yīng) ........................................................................................... 311
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 315
第 9 章 數(shù)字信號處理在工程中的應(yīng)用 ................................................................................. 318
9.1 一維信號頻譜分析與濾波 ......................................................................................... 318
9.1.1 工程信號頻譜分析概述 ........................................................................................ 318
9.1.2 Chirp-Z 變換 ....................................................................................................... 319
9.1.3 超聲信號頻譜分析 ............................................................................................... 321
9.1.4 語音信號頻譜分析 ............................................................................................... 324
9.1.5 心電信號頻譜分析與濾波 .................................................................................... 325
9.2 二維信號頻域?yàn)V波 ..................................................................................................... 328
9.2.1 二維信號頻域?yàn)V波的基本理論 .............................................................................. 328
9.2.2 二維離散傅里葉變換 ........................................................................................... 328
9.2.3 醫(yī)學(xué) CT 圖像的理想低通濾波處理 ....................................................................... 329
9.2.4 工業(yè) X 射線圖像的高斯低通濾波處理 ................................................................... 331
9.2.5 醫(yī)學(xué)病理圖像的巴特沃思低通濾波處理 ................................................................ 332
9.2.6 醫(yī)學(xué)紅細(xì)胞圖像的高通濾波處理 .......................................................................... 334
習(xí)題 ..................................................................................................................................... 337
附錄 A 常用參量表 .................................................................................................................. 341
參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................................... 342