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出版者:中国电力出版社发行部

作者:刘淑华

出品人:

页数:294

译者:

出版时间:2006-5

价格:19.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787508340890

丛书系列:

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《数字信号处理原理与应用》 一、 绪论：数字世界的大门 我们身处一个由数字信号构建的世界。从您手中挥洒自如的智能手机，到改变我们生活方式的互联网，再到精准操控工业生产的自动化设备，这一切的背后都离不开数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）的身影。数字信号处理，顾名思义，就是对数字信号进行一系列变换、分析、提取和合成的过程。它是一门交叉学科，融合了数学、电子工程、计算机科学以及信息科学等多个领域的知识，是现代电子信息技术的核心驱动力之一。 在信息爆炸的时代，原始的模拟信号往往包含着大量的噪声和干扰，其信息传递和处理也存在着诸多不便。数字信号处理技术以其强大的抗干扰能力、高精度、易于存储和传输以及灵活的可编程性，彻底改变了我们处理信息的方式。它使得我们能够从纷繁复杂的数据中提取出有价值的信息，实现声音、图像、视频的压缩与还原，进行模式识别与分析，以及构建各种复杂的通信系统和控制系统。 本书将带领您走进数字信号处理的奇妙世界，从最基础的原理出发，逐步深入到各种核心算法和实际应用。我们不追求速成，而是力求系统、扎实地构建您对数字信号处理的理解。您将了解到数字信号与模拟信号的区别与联系，学习到如何对离散时间信号进行采样、量化和编码，掌握数字滤波器设计的基本思想，并探索傅里叶变换、Z变换等关键数学工具在信号处理中的应用。同时，本书还将结合丰富的实例，展示数字信号处理在通信、音频、图像、医学影像、雷达、地震勘探等众多领域的广泛应用，让您深刻体会到这项技术改变世界的巨大力量。 二、 数字信号与系统：世界的另一面 要理解数字信号处理，首先需要建立对“信号”和“系统”的基本认知。信号，本质上是信息的载体，它随时间（或空间）而变化，能够传递信息。在现实世界中，我们接触到的大部分信号都是模拟信号，它们的变化是连续的，例如声音的声压波、温度的变化、光线的强弱等。然而，计算机和数字设备只能处理离散的、数值化的信息。因此，将模拟信号转化为数字信号的过程——采样和量化——显得尤为重要。 采样： 模拟信号在时间轴上以一定的间隔进行“取样”，得到一系列离散的时间点上的数值。采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）是这一过程的核心理论，它告诉我们，为了不丢失原始信号的任何信息，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。我们将深入探讨采样过程中的混叠现象及其规避方法。 量化： 采样得到的数值仍然可以是连续的，为了使其能在数字系统中表示，需要将其映射到有限个离散的数值级别上。这个过程称为量化。量化误差是数字信号处理中不可避免的损耗，我们将分析量化深度（位深）对量化误差的影响，并介绍过采样和噪声整形等技术以改善量化性能。 编码： 量化后的数值最终需要用二进制码表示，以便于计算机存储和处理。 有了数字信号，我们还需要理解“系统”的概念。系统是对输入信号进行某种变换，从而产生输出信号的实体。这种变换可以是线性的，也可以是非线性的；可以是时变的，也可以是时不变的。在数字信号处理领域，我们主要关注数字滤波器，它们是能够选择性地允许某些频率分量的信号通过，而抑制另一些频率分量的信号通过的系统。 线性时不变（LTI）系统： 这是数字信号处理中最重要的一类系统。LTI系统具有良好的数学性质，其输出完全由其单位脉冲响应（Impulse Response）决定。我们将学习如何通过卷积运算来计算LTI系统的输出。 差分方程： 数字LTI系统可以用差分方程来描述，它将当前输出与过去的输出和输入联系起来。理解差分方程是掌握数字滤波器工作原理的关键。 单位脉冲响应（h[n]）： 它是LTI系统最重要的特征之一，描述了系统对一个单位冲激信号的响应。通过单位脉冲响应，我们可以完全表征一个LTI系统。 三、 频域分析：信号的内在语言 我们感知世界，不仅仅是通过信号随时间的变化，更是通过信号中包含的“频率成分”。傅里叶变换（Fourier Transform）是揭示信号频率成分的强大工具，它能够将一个在时域（时间域）描述的信号，转换到频域（频率域）进行表示，让我们清晰地看到信号中包含哪些频率的成分以及它们的强度。 傅里叶级数（FS）： 对于周期性信号，傅里叶级数可以将信号表示为一系列不同频率的正弦和余弦函数的叠加。 傅里叶变换（FT）： 对于非周期性信号，傅里叶变换可以将信号表示为连续的频谱。 离散时间傅里叶变换（DTFT）： 这是处理离散时间信号的傅里叶变换。 离散傅里叶变换（DFT）： DFT是在DTFT的基础上，将频率轴也离散化，得到一组有限的频谱点。DFT是数字信号处理中最常用的频域分析工具，因为它可以在计算机上实现。 快速傅里叶变换（FFT）： FFT是DFT的一种高效计算算法，大大缩短了计算时间，使得许多需要大规模傅里叶变换的应用得以实现。我们将详细介绍FFT的原理和不同算法。 频域分析让我们能够理解信号的“频谱特性”，从而设计出能够满足特定需求的滤波器。例如，低通滤波器允许低频信号通过，而衰减高频信号；高通滤波器允许高频信号通过，而衰减低频信号；带通滤波器只允许某个频段的信号通过；带阻滤波器则阻挡某个频段的信号。 四、 数字滤波器设计：塑造信号的利器 数字滤波器是数字信号处理中最基本、也是最重要的组成部分之一。它们的作用就像一个“筛子”，能够根据频率成分来选择性地保留或去除信号中的某些部分，从而达到去噪、增强特定信息、或者实现信号变换的目的。数字滤波器主要分为两大类： 无限冲激响应（IIR）滤波器： IIR滤波器通常可以使用较少的系数实现较高的滤波性能，计算量相对较小，但其设计过程可能涉及到循环小数和稳定性问题。我们将学习几种常见的IIR滤波器设计方法，如巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆（Elliptic）滤波器等，并理解它们在幅频响应和相频响应上的特性。 有限冲激响应（FIR）滤波器： FIR滤波器具有线性相位特性（即不同频率分量的信号在通过滤波器时延迟相同），这在许多应用中非常重要，例如图像处理和通信系统中。尽管FIR滤波器通常需要更多的系数来实现相同的滤波效果，但其设计相对简单且稳定性高。我们将介绍几种常见的FIR滤波器设计方法，如窗函数法（Rectangular, Hanning, Hamming, Blackman等）和频率采样法。 滤波器设计是一个权衡各种性能指标的过程，包括通带纹波、阻带衰减、过渡带宽度、相位响应以及计算复杂度等。本书将引导您理解这些指标的意义，并学习如何根据实际需求选择合适的滤波器类型和设计参数。 五、 Z变换：连接时域与复频域的桥梁 在分析和设计数字信号处理系统时，Z变换（Z-transform）扮演着至关重要的角色。它类似于拉普拉斯变换在连续时间系统中的作用，是将离散时间信号从时域映射到复频域（s平面）的推广，即z平面。Z变换可以非常方便地将复杂的卷积运算转化为代数运算，简化了系统的分析。 Z变换的定义与性质： 我们将学习Z变换的定义，以及它在线性、时移、积分、微分等方面的基本性质。 逆Z变换： 如何从z平面上的表示恢复到时域上的信号。 系统函数： 对于LTI系统，其单位冲激响应的Z变换称为系统函数（Transfer Function），记为H(z)。通过系统函数，我们可以方便地分析系统的稳定性、频率响应等特性。 Pole-Zero分析： 系统函数在z平面上的零点（Zero）和极点（Pole）决定了系统的行为。我们将学习如何通过分析零极点图来理解系统的动态特性。 Z变换是理解数字滤波器工作原理、分析系统稳定性以及进行系统综合的有力工具。 六、 自适应信号处理：随环境而变的智慧 在许多实际应用中，信号的统计特性可能会随着时间而变化，或者我们对信号的统计特性一无所知。在这种情况下，传统的固定滤波器就显得力不从心。自适应信号处理（Adaptive Signal Processing）应运而生，它能够根据输入的信号数据，自动调整滤波器的参数，使其能够最佳地满足预设的目标。 最小均方误差（LMS）算法： LMS算法是最经典、最常用的自适应算法之一，它能够以迭代的方式逐步减小输出信号与期望信号之间的均方误差，从而达到自适应的目的。 递归最小二乘（RLS）算法： RLS算法相对于LMS算法，收敛速度更快，但计算复杂度也更高。 自适应滤波器的应用： 自适应滤波器在许多领域都有着广泛的应用，例如： 噪声消除（Noise Cancellation）： 消除语音信号中的背景噪声，提高语音清晰度。 回声消除（Echo Cancellation）： 在电话通信中消除通话双方的回声。 信道均衡（Channel Equalization）： 在通信系统中补偿信道失真，提高数据传输的可靠性。 预测（Prediction）： 预测信号的未来值。 自适应信号处理是数字信号处理领域一个非常活跃和重要的分支，它使得信号处理系统能够更加智能化、鲁棒化。 七、 现代信号处理的应用实例：让理论落地 理论知识的学习最终需要回归到实际应用。本书将通过一系列生动、具体的应用实例，展示数字信号处理技术的强大威力： 通信系统： 现代通信系统，如手机通信、无线网络、卫星通信等，都离不开数字信号处理。我们将探讨调制解调、信道编码、频谱扩展、MIMO（多输入多输出）等技术，以及它们在数字信号处理中的作用。 音频处理： MP3、AAC等音频压缩技术，数字音频效果器（如混响、均衡器）、语音识别、声纹识别等，都依赖于数字信号处理。 图像与视频处理： JPEG、MPEG等图像和视频压缩标准，图像去噪、边缘检测、特征提取、人脸识别、目标跟踪等，都是数字信号处理的经典应用。 医学影像： CT、MRI、超声等医学成像技术，其数据采集、图像重建和处理都大量运用了数字信号处理。 雷达与声纳： 雷达和声纳系统通过发射和接收电磁波或声波来探测目标，其信号处理过程是数字信号处理的核心应用之一。 生物医学信号处理： 心电图（ECG）、脑电图（EEG）等生理信号的分析和处理。 通过对这些实际应用的深入剖析，您将能够更深刻地理解本书所介绍的理论知识的价值，并激发您在相关领域进行进一步探索的兴趣。 八、 结论：数字信号处理的未来 数字信号处理技术正以惊人的速度发展，并不断渗透到我们生活的方方面面。随着计算能力的提升、新算法的不断涌现以及人工智能、机器学习等技术的融合，数字信号处理的应用前景将更加广阔。本书旨在为您打下坚实的理论基础，培养您的工程思维，使您能够应对未来数字信号处理领域所带来的挑战与机遇。希望本书能够成为您探索数字世界、驾驭信号之流的得力助手。

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阅读这本书的过程，就像是重新温习了一遍扎实的模拟电子学基础，只不过这次的讲解环境，完全是围绕着实际维修的场景展开的。作者在描述如何替换元件时，非常细致地提醒了诸如引脚方向、散热要求以及不同参数元件替换后的潜在影响。这对于我这种过去只敢于拆解、却害怕装配和调试的“拆家型”维修者来说，是极其宝贵的指导。很多维修书籍往往只告诉你“换掉那个电阻”，却没告诉你“换那个电阻时，要确保它具有足够的耐压和功率，否则刚修好可能几分钟又烧了”。这本书在这方面的提醒就非常到位，显示出作者是真正从长期使用的角度来考虑问题的。 尤其让我感到受用的是，书中对于电源部分经常出现的“假性故障”的分析。比如，有些设备断电后，用万用表测量的电压值看起来是正常的，但只要一通电，问题立刻重现。作者对此类现象的解释，常常与元件的热胀冷缩、内部的接触不良或者电容的老化特性相关联。这种对细微差别的捕捉和解释能力，让这本书的价值远超出了单纯的元件替换指南。它教会了我如何用更严谨的思维去面对那些“时好时坏”的电子设备，这对于提升维修的成功率至关重要。

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这本书的语言风格非常朴实、直接，没有过多的文学修饰，完全是工程师写给工程师（或者说，想成为工程师的爱好者）看的实用指南。它没有过多地使用花哨的术语来烘托难度，而是用最直白的语言告诉你，哪里是关键，哪里是陷阱。我记得有一次，我修一台旧电视，怎么都找不到故障源头，最后翻到书中关于滤波电路的某个小节，作者提到，有时候铝电解电容的漏电流会随着温度升高而急剧变化，导致间歇性工作不良。我立刻去测试了我的那几个电容，果然找到了一个参数已经严重漂移的家伙。 这本书给我的最大感受是“信心”。在学习电子维修的过程中，最大的障碍往往不是知识储备的不足，而是面对复杂电路时产生的畏难情绪和无从下手的感觉。这本书通过清晰的流程图和案例分析，有效地打破了这种心理壁垒。它让你相信，只要你按照逻辑一步步排查，任何故障最终都是可以被定位和解决的。它不追求技术的尖端，而是专注于解决眼前最常见、最头疼的问题，因此，对于那些希望快速上手解决家用或老旧设备电源问题的读者来说，这本书的实用价值是无可替代的。

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这本书的排版和图示风格，让我联想到上世纪九十年代末期出版的那些技术手册，粗犷但务实。插图的质量虽然达不到现代高清印刷的标准，但它们服务的目的性极强——清晰地标示出测试点和关键的焊点。我最欣赏的一点是，作者在讲解完一个电路模块的工作原理后，总会紧接着列举出几种最常见的故障模式，比如“输出电压不稳”、“保险丝频繁熔断”、“有规律的啸叫声”等等。这种“问题-解答”的结构，极大地提高了阅读效率，尤其是在实际操作中遇到突发状况时，可以直接翻阅相关章节，找到对应的处理建议。 如果说有什么可以改进的地方，那可能是在于对一些保护电路的深入探讨上。虽然它覆盖了主要的故障点，但对于一些非常精妙的过压、欠压保护电路的内部逻辑，描述得还是相对简略了一些。我能理解作者是想保持本书的“速修”定位，避免让读者陷入过多的细节泥潭，但对于我这种好奇心比较重的读者来说，偶尔还是希望能够多了解一点背后的设计思路。总的来说，它更像是一个“经验箱”，里面装满了实战中总结出的捷径和教训，而不是一本事无巨细的理论百科全书。

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我真正开始被这本书吸引，是在我尝试拆解并检查那块电源板的时候。坦白说，市面上很多维修书籍，要么过于理论化，讲的都是理想状态下的电路工作原理，让你在实际面对被烧毁、元件老化、或者虚焊导致的故障时，根本不知道从何下手；要么就是内容太泛泛，只停留在识别元件的层面上，对于故障的深入分析和特定问题的解决方案缺乏着墨。这本书给我的感觉是，它仿佛记录了作者多年来在维修台上遇到的各种“疑难杂症”的解决方案汇总。它没有过多地去谈论现代流行的数字控制IC，而是将重点放在了那些经典、耐用、并且在老式设备中常见的那一类故障分析上，这正中我的下怀，因为我修的就是这种老家伙。 特别是关于脉冲变压器的故障排查部分，我印象特别深刻。作者用一种类似于“排除法”的逻辑，一步步引导读者如何判断是驱动电路的问题，还是反馈回路的故障，亦或是变压器本身的问题。他提供的那些故障现象与对应元件损坏的关联性描述，非常精准。读到这里，我甚至有点庆幸自己没有直接去买那些最新款电源维修的参考书，因为对于我这种初级维修爱好者来说，掌握经典电路的维修逻辑，比去了解最新的集成电路芯片的工作原理，来得更为实际和立竿见影。这本书的价值，就在于它构建了一套基于现象到原因的实用诊断体系。

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这本书的封面设计得很有意思，那种带着一点点年代感的配色和字体，一下子就把我拉回了那个DIY精神蓬勃的年代。我记得我拿到这本书的时候，是想解决家里那台老式CRT彩电的电源故障。说实话，我对电子维修本来就有点摸不着头脑，尤其是涉及到开关电源这种相对复杂的电路，更是让我望而却步。我抱着试试看的心态翻开了这本书，希望它能像一本使用手册一样，清晰地指导我完成维修。 起初，我对书里那些密密麻麻的元器件符号和复杂的电路图有些头疼。不过，作者的讲解方式非常注重实践，他没有过多地纠缠于那些高深的理论公式，而是直接把重点放在了故障的判断和维修步骤上。比如，讲解如何用万用表测量高压电容的充放电情况，或者如何判断开关管的虚焊问题，都配有非常直观的插图和详细的步骤说明。这感觉就像身边有位经验丰富的老师傅，耐心地手把手教你，每一步都告诉你“注意这里，容易出错”。虽然有些地方的描述还是略显晦涩，但整体上，这本书的实操性确实是它的亮点，它更像一本“故障维修速查手册”，而不是一本大学教材。

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