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出版者:西安交通大学出版社

作者:薛钧义

出品人:

页数:484

译者:

出版时间:2003-2-1

价格:43.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787560516622

丛书系列:

图书标签:

• 微机控制系统
• 单片机
• 嵌入式系统
• 控制工程
• 电子技术
• 自动化
• 应用开发
• 实践教学
• 电路设计
• 系统设计

《数字信号处理原理与实践》 内容简介 本书全面系统地介绍了数字信号处理（DSP）的核心理论、关键算法以及在工程实践中的应用。全书内容涵盖了从基础的离散时间信号与系统分析，到高效的快速傅里叶变换（FFT），再到现代自适应滤波和谱估计技术，旨在为读者构建一个坚实、完整的DSP知识体系。 第一部分：离散时间信号与系统分析 本部分奠定了理解数字信号处理的基础。首先，详细阐述了连续时间信号和离散时间信号的表示方法、采样定理及其重建过程，强调了量化和编码对信号质量的影响。随后，深入探讨了离散时间系统的基本性质，如线性、时不变性、因果性与稳定性。系统的分析工具——Z变换被系统地介绍，包括单边Z变换和双边Z变换的性质、收敛域的确定，以及如何利用Z变换来分析和设计数字滤波器。我们详细讲解了离散卷积的计算方法，并展示了如何利用Z域的极点零点分布来直观理解系统的频率响应特性。此外，离散傅里叶级数（DFS）和离散傅里叶变换（DFT）被引入，作为连接时域和频域的关键桥梁，为后续的谱分析打下基础。 第二部分：有限脉冲响应（FIR）与无限脉冲响应（IIR）滤波器设计 滤波器是DSP应用的核心。本部分专注于数字滤波器的设计方法。在FIR滤波器方面，本书详细介绍了窗函数法（包括矩形窗、汉宁窗、海明窗等）的设计步骤、优缺点以及如何通过选择合适的窗函数来控制旁瓣衰减和过渡带宽度。此外，我们还深入讲解了频率采样法和Parks-McClellan算法（等波纹滤波器设计），使用户能够设计出具有特定性能指标（如最小相位失真、线性相位特性）的FIR滤波器。 对于IIR滤波器，本书首先回顾了模拟滤波器（巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器）的设计。随后，重点阐述了模拟到数字滤波器的转换技术，包括脉冲响应不变法和双线性变换法。特别是双线性变换，因其能将模拟滤波器的稳定性映射到数字滤波器，是目前最常用的方法。书中对IIR滤波器的因果性、稳定性判据进行了严格的数学论证，并提供了具体的双二次（Biquad）滤波器实现结构，便于硬件或软件的高效部署。 第三部分：快速傅里叶变换（FFT）与谱分析 快速傅里叶变换是实现高效频谱分析的基础。本书不仅推导了DIT（Decimation-In-Time）和DIF（Decimation-In-Frequency）两种主要的FFT算法，还详细分析了蝶形运算的结构和计算复杂度，对比了不同FFT算法的优缺点。在实际应用层面，我们探讨了FFT在周期延拓误差（栅栏效应）上的处理方法，例如，通过零填充（Zero Padding）提高频率分辨率和通过加窗函数减小泄漏。 谱分析部分，本书区分了参数化估计和非参数化估计。非参数化方法（或称经典谱估计）包括直接法（周期图法）和改良周期图法（如Welch平均法），重点分析了周期图法固有的方差大和分辨率低的问题。为了解决这些问题，我们引入了现代谱估计方法，如Minimum Variance无偏估计（MVUE，即Capon法）以及子空间法（如Pisarenko法、MUSIC算法），这些方法在低信噪比环境下展现出卓越的性能。 第四部分：自适应信号处理 自适应信号处理是DSP领域的高级主题，关注系统参数如何根据输入信号的统计特性自动调整。本书以随机过程理论为基础，引入了最小均方误差（MMSE）的概念。随后，详细推导了最经典的自适应滤波器算法——最小均方（LMS）算法，分析了其收敛速度、稳态误差和步长选择对性能的影响。同时，我们还介绍了更快速收敛的算法，如归一化LMS（NLMS）和递推最小二乘（RLS）算法，并深入探讨了它们在噪声消除、回声消除、信道均衡等实际工程问题中的应用模型和仿真结果。 第五部分：多速率信号处理与应用 多速率系统涉及对信号进行不同采样率的重构和处理。本部分讲解了信号的抽取（Down-sampling）和插值（Up-sampling）操作，并重点介绍了抽取滤波器和插值滤波器的设计原则，如最小通带纹波和最小过渡带宽度。同步整形滤波器（Polyphase filters）作为实现高效多速率处理的关键技术被详细阐述。最后，本书通过具体案例，如亚音速/超音速通信系统中的信道建模与恢复、音频压缩中的心理声学模型应用，展示了DSP技术在现代通信、雷达、医疗影像等前沿领域的强大生命力。 本书结构严谨，理论推导详实，辅以大量的MATLAB/Simulink仿真实例和工程化设计流程，旨在培养读者将DSP理论知识转化为实际工程解决方案的能力。它不仅适合作为高等院校电子信息工程、通信工程、自动化等专业的研究生教材，也是从事相关领域研发工作的工程师的实用参考手册。

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作为一名对现代机器人和精密运动控制感兴趣的读者，我必须指出，本书在“应用”层面的描述，特别是涉及到动态系统的控制时，显得极其保守和笼统。书中虽然提到了步进电机和直流电机的控制，但其给出的驱动方案仍然停留在简单的开环方波驱动阶段，完全没有触及到现代伺服系统所必需的精确电流控制、磁场定向控制（FOC）的基础原理或至少是开环位置闭环速度的进阶方法。此外，在传感器的应用部分，对新兴的高精度传感器，例如激光雷达（LiDAR）的初步接口和数据解析过程，更是只字未提，仅仅停留在光电开关和简单的电阻式传感器的应用层面。我对那些关于复杂运动轨迹规划、插补算法的现代实现方式的期待完全落空了。这本书更像是一本为那些只需要控制一个简单通风系统或加热循环的初级技术人员准备的指南，对于需要处理复杂耦合系统和高带宽控制要求的工程问题，它提供的工具箱实在太小了。

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这本书的书名是《微机控制系统及其应用》，但读完之后，我发现它与我最期待的那些内容似乎有些偏离。我原本是希望能深入了解现代嵌入式系统如何实现复杂的工业自动化和智能家居控制，期待能看到大量关于新型微控制器（比如ESP32或STM32的最新系列）的实战案例和编程技巧。这本书的侧重点似乎更偏向于上世纪末和本世纪初的经典MCS-51架构和早期的PLC编程逻辑。书中花了大量篇幅讲解基础的汇编语言编程和I/O端口的直接操作，这些知识固然是基础，但对于希望快速掌握当前主流开发环境的工程师来说，显得有些陈旧和滞后。例如，对于实时操作系统（RTOS）的介绍，仅仅停留在概念层面，缺乏对FreeRTOS或Zephyr等主流系统的具体移植和应用实例，这使得读者很难将书中的理论知识直接应用到当前项目需求中去。我期待的那些关于物联网（IoT）数据传输协议（如MQTT、CoAP）在微机控制中的集成应用，以及如何利用云平台进行远程监控和诊断的章节，几乎找不到。整体感觉像是一本优秀的“入门”教材，但对于“应用”二字的深度挖掘，则显得力不从心，更像是对历史技术的回顾，而非对未来趋势的指引。

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老实说，这本书的排版和图例质量给我留下了非常深刻的印象——不是因为好，而是因为差。插图大多是低分辨率的黑白线条图，很多电路原理图看起来像是用早期的绘图软件绘制的，细节模糊不清，常常需要对照文字反复琢磨才能理解电路连接。更让人抓狂的是，理论阐述的逻辑性稍显跳跃，尤其是在讲解PID算法的数字实现部分。作者似乎假设读者已经对控制理论有着非常扎实的背景知识，直接就给出了离散化后的公式，但对如何选择合适的采样周期、如何处理量化误差、以及在有限精度微机上实现稳定PID的实际工程考量，却鲜有提及。我翻阅了书中关于硬件选型和干扰抑制的章节，期望能找到一些关于电磁兼容性（EMC）和电源去耦设计的实用建议，但这些内容被一笔带过，仿佛只要电路图画出来就能完美工作一样。这种理想化的描述，与我在实际电子设计中遇到的各种噪声、漂移和稳定性问题大相径庭。这本书的实用价值被这些粗糙的细节和理论的过度简化大大削弱了。

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这本书的结构安排实在让人感到困惑，像是将不同年代的讲义拼凑而成。前半部分对微处理器的硬件结构介绍得极其细致，甚至包括了特定型号CPU内部寄存器的功能描述，但当我们进入到软件工程和模块化设计时，风格却戛然而止地转向了非常传统的“大函数”和“全局变量”的编程范式。我希望看到的是如何使用结构体、类（如果涵盖C++范畴）或者至少是清晰的模块头文件来管理大型控制代码库，如何有效地进行版本控制和代码重构。这本书似乎完全回避了现代软件工程在嵌入式领域的重要性。例如，对于调试工具的介绍，其重点仍然放在示波器和逻辑分析仪的手动观察上，对于JTAG/SWD调试器的高级特性（如硬件断点、内存跟踪）的介绍轻描淡写，这使得读者在面对复杂的实时故障时，缺乏系统性的诊断思路。这本书的教学风格似乎停留在“能跑就行”的阶段，而非“健壮和可维护”的标准。

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从语言风格上看，这本书的叙事方式非常学术化且枯燥，大量的专业术语堆砌，但缺乏清晰的上下文铺垫和生动的实例来帮助理解其背后的物理意义。例如，在讨论中断处理时，关于上下文保存和恢复的机制描述，晦涩难懂，仿佛在背诵教科书上的定义，而不是在指导读者如何避免关键代码段的竞态条件。这本书的“应用”部分，更多的是展示了一些非常基础的、脱离实际工业环境的“玩具”项目，比如简单的流水灯控制或者一个基于定时器的方波发生器。这些例子虽然能验证基础原理，但并不能体现出微机控制系统在处理实时性、可靠性和人机交互方面的挑战。我期望的那些关于HMI（人机界面）设计，如何利用图形库或简单的触摸屏模块实现直观操作的章节，完全没有出现。总而言之，这本书的深度更多停留在“微机原理”的层面，而非“控制系统”的实际工程化应用层面。

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