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出版者:科学出版社发行部

作者:张健

出品人:

页数:342

译者:

出版时间:2006-7

价格:30.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030172921

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 逻辑设计
• 计算机组成原理
• 电子技术
• 电路分析
• 数字系统设计
• FPGA
• Verilog
• VHDL
• 可编程逻辑器件

现代电子系统中的信号处理与算法实现 图书简介 本书旨在全面深入地探讨现代电子系统中至关重要的信号处理技术及其在硬件层面的高效实现。本书内容聚焦于从理论基础到实际应用的完整链条，特别强调了数字信号处理（DSP）在当前高性能计算、通信、控制和图像处理等前沿领域的核心作用。 第一部分：连续时间信号与系统基础 本部分构建了理解所有信号处理系统的理论基石。我们从傅里叶级数和傅里叶变换开始，详细阐述了信号在频域中的表示及其物理意义，这是分析和设计滤波器、调制解调系统的先决条件。随后，系统分析部分引入了线性时不变（LTI）系统的概念，通过卷积积分深入解析了系统的输入-输出关系。我们不仅关注理论推导，更着重于如何利用这些工具来分析实际物理系统，例如RLC电路在不同激励下的响应。系统的稳定性、频率响应特性和瞬态响应被细致剖析，为后续的滤波器设计奠定了坚实的基础。此外，拉普拉斯变换作为处理连续时间系统的强大数学工具，其在求解微分方程和分析因果系统中的应用被详尽阐述。 第二部分：离散时间信号与系统 随着数字电子技术的普及，信号的离散化处理成为主流。本部分的核心在于将连续信号转换为可供数字系统处理的离散序列，并分析这些离散系统的特性。我们首先介绍了采样定理（Nyquist-Shannon），详细解释了欠采样和过采样的后果，并探讨了抗混叠滤波器的设计原则。离散时间信号的处理通过Z变换进行，该变换被视为傅里叶变换在离散系统中的扩展。Z变换的性质、收敛域（ROC）的概念及其在系统因果性、稳定性和物理可实现性判断中的作用被详细论述。系统分析则转向差分方程，并运用脉冲响应和系统函数（传递函数）来描述和分析离散LTI系统。本部分还深入探讨了有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）滤波器的基本结构差异及其设计权衡。 第三部分：数字滤波器设计与实现 这是本书的核心应用篇章之一。数字滤波器是DSP系统的“心脏”，本部分系统地介绍了设计高性能滤波器的各种方法。 3.1 模拟原型滤波器：从巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）到椭圆（Elliptic）滤波器，我们详细对比了这些原型滤波器在通带纹波、过渡带陡度和群延迟特性上的差异，帮助读者理解不同设计目标下的选择依据。 3.2 频率变换与模拟到数字：重点讲解了如何利用双线性变换（Bilinear Transformation）将连续时间滤波器转换为离散时间滤波器，并讨论了频率映射过程中可能引入的“频率压缩”问题及相应的预弯曲技术。 3.3 FIR 滤波器设计：FIR 滤波器以其线性相位特性在对群延迟要求严格的应用中不可替代。我们详细介绍了窗函数法（包括汉明窗、海宁窗等）和频率采样法的设计流程。特别地，对Parks-McClellan算法（最小二乘法）在实现最优幅度响应滤波器中的优势和挑战进行了深入剖析。 3.4 IIR 滤波器设计：IIR 滤波器因其低阶、高效率而广受欢迎。本章着重于利用模拟原型匹配设计 IIR 滤波器，并强调了双线性变换在保持滤波器稳定性和正确频率响应形状方面的关键作用。 第四部分：快速算法与变换域处理 现代信号处理的速度依赖于高效的算法。本部分将重点放在离散傅里叶变换（DFT）及其革命性的快速傅里叶变换（FFT）算法上。 4.1 DFT与FFT：详细推导了DFT的定义和性质，随后系统地剖析了蝶形运算的原理，深入讲解了基2-FFT（按时间抽取和按频率抽取）的算法结构和计算复杂度。针对非2的N点的信号，我们讨论了Rader算法和Chirp Z变换等通用算法。 4.2 卷积的快速实现：通过卷积定理，阐述了如何利用FFT将时间域的复杂卷积运算转化为频域的简单乘法运算，这极大地加速了滤波器的实现。循环卷积与线性卷积的区别及填充策略被清晰界定。 4.3 谱分析技术：本章探讨了如何利用FFT进行实际的频谱分析，包括功率谱密度（PSD）的估计方法（如周期图法和Welch平均法），以及处理离散信号时的栅栏效应（Scalloping Effect）和泄漏问题。 第五部分：现代通信与控制系统中的应用实例 本书的最后部分将理论知识应用于两个最主要的工程领域： 5.1 数字调制与解调：在通信系统中，信号被编码和传输。本章介绍了数字调制方案（如ASK, FSK, PSK, QAM）的基带等效模型。关键在于讲解如何设计匹配滤波器（Matched Filter）以在加性高斯白噪声（AWGN）信道中实现最优的误码率性能。并讨论了同步技术（如载波恢复和定时恢复）在解调过程中的重要性。 5.2 现代控制系统的数字实现：对于离散时间控制系统，PID控制器是核心。本章讲解了如何将连续时间控制器（如微分项）通过零阶保持器（ZOH）和一阶保持器等方法转换为离散时间形式。此外，我们探讨了状态空间法在数字控制设计中的优势，以及如何处理数字控制系统中的量化误差和溢出问题，以确保系统的鲁棒性和实时性。 本书结构严谨，理论阐述详尽，配有丰富的工程案例和习题，旨在培养读者从系统需求出发，选择合适的信号处理算法，并最终在硬件或软件平台上高效实现这些算法的综合能力。它不仅是信号处理领域的参考书，更是连接基础理论与复杂工程实践的桥梁。

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