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出版者:高等教育出版社

作者:李元春编

出品人:

页数:282

译者:

出版时间:2005年3月1日

价格:23.0

装帧:平装

isbn号码:9787040164329

丛书系列:

图书标签:

• 计算机控制
• 控制系统
• 自动化
• 嵌入式系统
• 单片机
• PLC
• MATLAB
• Simulink
• 工业控制
• 传感器

《数字信号处理：原理与应用》 图书简介 本书全面深入地探讨了数字信号处理（DSP）的核心理论、关键算法及其在现代工程实践中的广泛应用。我们旨在为电子工程、通信工程、自动化、计算机科学以及相关领域的学生、研究人员和工程师提供一本既具坚实理论基础又紧密贴合实际需求的参考著作。 第一部分：离散时间信号与系统 本部分奠定了数字信号处理的数学基础。我们首先从连续时间信号的采样引入，详细阐述了采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）及其在实际系统中的限制与应用。随后，深入剖析了离散时间信号的表示方法，包括序列的表示、基本序列（如单位冲激序列、单位阶跃序列、正弦序列）的性质。 在系统分析方面，本书系统地介绍了线性时不变（LTI）系统的离散时间表示。我们使用差分方程来描述LTI系统，并引出卷积和作为分析系统的核心工具。通过对卷积运算的详细推导和实例分析，读者将深刻理解输入信号如何通过系统产生输出信号。系统的时域分析与频域分析的桥梁——Z变换——是本章的重点。我们详细讲解了Z变换的定义、收敛域（ROC）的确定及其性质。利用Z变换，我们可以对系统的稳定性、因果性等关键特性进行高效的分析和判断。此外，本书还覆盖了离散傅里叶变换（DFT）的理论基础，阐明了DFT与连续傅里叶变换之间的关系，为后续的快速算法打下基础。 第二部分：数字滤波器设计 数字滤波器是DSP技术的核心应用之一。本部分致力于提供全面的数字滤波器设计方法论。我们首先区分了无限脉冲响应（IIR）和有限脉冲响应（FIR）两大类滤波器，并对比了它们在设计复杂性、计算资源需求和相位特性上的差异。 对于FIR滤波器，我们重点讲解了窗函数法的设计流程，包括选择合适的窗函数（如矩形窗、汉宁窗、海明窗等）以控制过渡带宽度和阻带衰减。同时，我们详细介绍了频率采样法和最优幅度设计（Parks-McClellan算法，即Remez交换算法），后者通过最小化最大误差来达到最优的等波纹性能。 在IIR滤波器设计方面，本书侧重于基于模拟滤波器原型（如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器）的双线性变换法（Bilinear Transformation）。我们详尽地展示了如何从s域映射到z域，并讨论了频率预畸变（Pre-warping）的必要性。此外，也简要介绍了脉冲不变法，并对IIR滤波器的稳定性和量化效应进行了初步的探讨。 第三部分：快速傅里叶变换（FFT）及其应用 快速傅里叶变换（FFT）是现代数字信号处理实现高效计算的基石。本部分深入剖析了FFT的算法原理。我们首先从基2时间抽取（Decimation-In-Time, DIT）和基2频率抽取（Decimation-In-Frequency, DIF）两种主流算法出发，详细解释了蝶形运算（Butterfly Operation）的结构及其数据流。读者将学习如何通过分治策略，将DFT的计算复杂度从$O(N^2)$降低到$O(N log N)$。书中包含了详尽的算法步骤和流程图，并讨论了FFT在非基2点数时的处理方法（如零填充）。 FFT的应用是本章的另一重点。我们探讨了如何使用FFT进行谱分析，包括功率谱密度（PSD）的估计方法。针对实际信号中存在的噪声和泄漏问题，我们引入了谱泄漏的概念，并详细介绍了如何通过选择合适的加窗函数来缓解这一问题。此外，FFT也被应用于快速卷积，展示了如何利用频域乘法来实现高效的时域卷积运算。 第四部分：随机信号处理基础 本部分将信号处理从确定性信号扩展到随机信号领域。我们引入了随机过程的基本概念，包括宽平稳（WSS）过程和狭平稳过程的定义。重点分析了自相关函数和功率谱密度（PSD）之间的维纳-辛钦定理，这是理解随机信号频率特性的关键。 本书随后转向线性随机过程的估计与滤波。我们详细介绍了维纳滤波器的设计原理，旨在最小化估计输出与期望信号之间的均方误差（MMSE）。对于实际系统，我们进一步探讨了卡尔曼滤波器的设计与递推算法。卡尔曼滤波器作为一个最优线性无偏估计器，被广泛应用于状态估计、导航和跟踪系统中，本书提供了清晰的状态空间模型建立过程和递推公式推导，并通过实例展示其在噪声环境下的优越性能。 第五部分：有限字长效应与DSP硬件实现考量 高质量的DSP算法必须考虑其在真实硬件平台上的实现约束。本部分聚焦于有限字长效应。我们分析了定点运算中量化误差的来源和影响，包括信号表示的溢出和舍入误差。对于乘法器和累加器的舍入噪声，我们使用统计模型进行分析，并讨论了如何通过增加位宽或使用特定的量化策略来减轻这些误差。 在系统实现层面，本书讨论了IIR滤波器中常见的结构选择（如直接型、级联型、并行型）对量化噪声和溢出风险的影响，并推荐了更具鲁棒性的实现结构。此外，我们还简要介绍了DSP处理器的基本架构特点（如MAC单元、流水线技术）以及FPGA/ASIC在高速、并行信号处理中的优势，为读者从理论走向实际工程部署提供必要的知识储备。 本书内容翔实、推导严谨，并配有大量图例和习题，确保读者能够系统地掌握数字信号处理的精髓，为后续深入研究和工程实践打下坚实的基础。

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这本书的装帧设计简直是工业美学的典范，硬壳的触感带着一种沉甸甸的专业气息，拿到手里就知道分量不一般。内页的纸张选择也很考究，哑光处理让长时间阅读时眼睛不容易疲劳，这对于理工科的专业书籍来说至关重要。封面上的排版简洁有力，只用了最基础的黑白灰搭配，却营造出一种高冷的、直击主题的学术氛围。我特别喜欢它在章节标题和图表注释上的字体选择，那种细致入微的考量，透露出编者对细节的极致追求。翻开扉页，序言部分寥寥数语，却能感受到作者对这个领域深厚的热情和一丝不苟的研究态度。这本书的整体视觉体验，就像一台精密仪器，每一个部件都恰到好处，既有工具书的实用性，又不失艺术品的质感。如果说内容是骨架，那么这个外壳和内页的打磨，无疑是为这本书披上了一层值得珍藏的外衣。那种在书店里一眼被它沉稳的气质所吸引的感觉，至今记忆犹新，它绝不是那种流于表面的畅销书，而是那种会静静地待在书架上，散发着知识光芒的经典之作。

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这本书的参考文献列表，是其学术地位的有力佐证。那份详尽的引用清单，横跨了过去几十年该领域内最重要的研究成果，从早期的经典文献到最新的期刊论文，覆盖面极广，显示出作者深厚的学术积累和广阔的知识视野。它不仅仅是一本教材，更像是一份精心编纂的该领域发展史的索引。通过追溯这些参考文献，我可以非常清晰地勾勒出这个学科是如何从最初的摸索走向成熟，又是如何面对新的挑战进行自我革新的。对于需要进行深入研究或撰写学位论文的读者而言，这本书提供的导航价值是巨大的。它不仅仅告诉你“是什么”，更指明了“谁在做什么”以及“下一步可能往哪里去”。这种指引方向的能力，是任何单纯依赖网络资料或碎片化教程所无法比拟的。它提供了一个稳固的知识地基，让读者可以站在巨人的肩膀上，看得更远，走得更远。这本书的价值，绝不是一次性消费品，而是可以陪伴读者走过数年学术或工程生涯的宝贵资源。

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阅读这本书的过程，体验更像是一场结构清晰、层层递进的智力攀登。作者在叙事逻辑上的构建能力简直是教科书级别的。他没有一上来就抛出那些令人望而生畏的复杂理论，而是从最基础、最直观的物理概念开始铺陈，仿佛是牵着读者的手，一步步引向深邃的控制论殿堂。尤其是在介绍动态系统建模的部分，那种将复杂的微分方程用生活化的类比来解释的方法，极大地降低了初学者的理解门槛。我记得有一次，我卡在一个关于状态空间表示法的概念上很久，转过头来看作者是如何处理这个难点的，他用了一个非常巧妙的例子，瞬间就豁然开朗了。这说明作者不仅是该领域的专家，更是一位杰出的教育家。他深知知识传递的路径和读者的认知障碍在哪里，并提前设置了“路标”和“休息站”。这种对读者体验的尊重，让阅读不再是一种枯燥的知识灌输，而变成了一种发现和探索的乐趣。读完一个章节，总有一种“原来如此”的满足感，而不是“我到底看了些什么”的迷茫。

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从图书馆的借阅记录和书页的磨损程度来看，这本书显然是被许多人反复研读过的“老战友”。书页边缘有些许淡淡的铅笔痕迹，有的地方甚至有些微的折角，这都是前几任读者认真思考留下的“证据”。我个人也习惯了在重要结论处做下自己的批注，与原作者的观点进行对话。这本书的讨论深度非常扎实，它敢于挑战一些行业内流传已久的“经验之谈”，并用严密的数学工具去重新审视它们。例如，在鲁棒控制的章节中，作者对传统PID控制器局限性的分析角度非常新颖，他没有停留在简单的超调和稳态误差上，而是深入到了对参数不确定性对系统稳定裕度的影响。这种批判性思维的引导，非常有利于培养读者独立研究的能力。它不是一本让人照本宣科的书，而是一本鼓励读者去质疑、去探索的书。每一次重读，都能从中挖掘出新的层次和更深的含义，这或许就是一本“好书”与“工具书”的本质区别所在。

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这本书的案例分析部分，我必须给予高度赞扬，这才是真正体现其价值的地方。许多理论书籍往往止步于公式推导和定理证明，显得空泛而缺乏实操性。但这本书的作者显然不满足于此。他穿插了大量来自实际工业场景的案例——从高精度机床的伺服控制，到复杂的化工过程的温度调节，乃至航空航天领域中姿态保持系统的设计。每一个案例都不仅仅是简单的应用演示，而是对理论的深度反向验证。作者会详细剖析在真实环境下，参数选取、噪声处理、模型简化等实际工程问题是如何影响最终控制性能的。更棒的是，他提供的代码片段和仿真结果，虽然是简化的，但其背后的思路却极其严谨。这让这本书成为了连接理论与实践之间那座最坚固的桥梁。我能够清晰地看到，那些在课堂上显得有些抽象的拉普拉斯变换和伯德图，是如何在现实世界的反馈回路中发挥作用的。对于工程技术人员来说，这种“知其所以然，更知其所以必然”的体验，无可替代。

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