简明数字信号处理

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出版者:人民邮电出版社
作者:姚剑清
出品人:
页数:183
译者:
出版时间:2009-1
价格:29.00元
装帧:
isbn号码:9787115188649
丛书系列:图灵电子与电气工程丛书
图书标签:
  • 数字信号处理
  • 电子
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具体描述

数字信号处理(DSP)广泛应用于通信、电子、自动控制等方面,并日益显示出其重要性。本书旨在帮助更多的工程师掌握 DSP的基本概念和技术。内容包含最基本和最必需的知识,从最本质的层面阐述DSP原理,辅以必要的数学公式,配有简明易懂的解释,并尽可能多地使用图表以辅助说明。

本书适用于软硬件研发工程师,也可供高等院校相关专业师生参考。

模拟世界中的数字脉搏:现代通信与控制系统的基石 本书深入探讨了现代工程领域至关重要的一门核心技术——离散时间信号处理(Discrete-Time Signal Processing, DTSP)。它以一种严谨而又富有洞察力的方式,揭示了如何将连续变化的物理世界转化为计算机可以理解和操作的数字序列,以及如何利用这些数字序列来精确地分析、修改和重建信息。 我们生活在一个模拟信号主导的连续世界中,无论是声音、图像、温度,还是压力和振动,它们都以平滑、不间断的形式存在。然而,随着电子技术的飞速发展,特别是微处理器和数字集成电路的普及,将这些模拟信息转化为离散的、可编程的数字信号已成为现代通信、自动化、医疗影像和消费电子产品实现高精度、高鲁棒性和低成本处理的必由之路。本书正是聚焦于这座连接连续物理世界与离散计算世界的桥梁——数字信号处理的理论基础、核心算法及其工程实现。 全书内容组织严谨,结构清晰,旨在为读者构建一个扎实的理论框架,并配备必要的实用工具。 --- 第一部分:离散时间系统的基础构架 本部分是理解后续所有高级主题的基石。我们从采样理论这一核心概念入手,详细阐述了如何将连续时间信号准确地转化为离散时间序列。关键在于奈奎斯特-香农采样定理的深入剖析,包括其理论意义、实际应用中的限制(如混叠现象)以及应对策略(如抗混叠滤波器的设计)。 随后,我们建立了描述离散时间系统的数学模型。这包括对离散时间信号的表示(如序列、单位冲激响应),以及对线性时不变(LTI)系统的分析。我们引入了卷积和这一核心运算,解释了它是如何完整地刻画一个LTI系统对任意输入信号的响应。为了简化复杂的卷积运算,本书详细介绍了Z变换。Z变换作为连续时间系统分析中拉普拉斯变换的离散对应,提供了一个强大的工具来分析系统的稳定性、因果性和频率响应。我们不仅推导了Z变换的基本性质,还重点研究了单边和双边Z变换的应用场景,并利用Z变换求解差分方程,这在数字滤波器和控制系统的设计中至关重要。 --- 第二部分:离散傅里叶变换及其应用 傅里叶分析是信号处理的灵魂。在离散时间域中,这一角色由离散傅里叶变换(DFT)承担。本书系统地介绍了DFT的定义、推导过程,以及它如何揭示信号在离散频率上的能量分布。 然而,直接计算DFT的计算复杂度极高。因此,本书投入大量篇幅讲解快速傅里叶变换(FFT)算法。我们不仅解释了FFT的原理(如蝶形运算和时间抽取/频点抽取算法),还对比了不同FFT实现(如按度计算、混合基数等)的性能特点。理解FFT的效率至关重要,因为它是所有现代频谱分析、通信调制解调以及实时滤波实现的基础。 FFT的应用贯穿于信号处理的各个环节。我们探讨了如何利用FFT进行频谱分析(周期图估计、功率谱密度估计),卷积的快速算法实现(重叠相加法和重叠保留法),以及在数字滤波器的实现中的作用。此外,还涉及了离散相关性的计算及其在模式识别和时延估计中的应用。 --- 第三部分:数字滤波器设计与实现 数字滤波器是信号处理中最核心的应用模块,用于选择性地通过或阻止信号中的特定频率分量。本书将滤波器设计分为两大主要类别进行详尽论述: 1. 有限脉冲响应(FIR)滤波器设计 FIR滤波器因其线性相位特性(保证信号波形不失真)和固有稳定性而受到青睐。我们详细介绍了设计FIR滤波器的主要方法: 窗函数法 (Windowing Method):通过选择合适的窗函数(如矩形窗、汉宁窗、海明窗等),截断理想滤波器的无限脉冲响应,并分析不同窗函数对主瓣宽度和旁瓣衰减的权衡。 频率采样法 (Frequency Sampling):直接在频率域指定滤波器的特性点。 等波纹优化法(Parks-McClellan/Remez交换算法):用于设计性能最优的最小化误差滤波器,实现最优的过渡带性能。 2. 无限脉冲响应(IIR)滤波器设计 IIR滤波器通常比同等性能的FIR滤波器具有更低的阶数,从而节省计算资源。本书着重于如何从成熟的模拟滤波器(如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器)的经典设计出发,通过双线性变换法(Bilinear Transformation)或脉冲响应不变法将其精确地映射到离散时间域。我们详细分析了双线性变换引入的频率预畸变现象及其补偿方法,并讨论了IIR滤波器的稳定性边界和量化效应。 在滤波器实现的具体细节上,本书也深入讨论了差分方程的构建,以及如何利用直接型、级联型和并行型等不同的结构实现来优化计算速度和对系数量化的鲁棒性。 --- 第四部分:有限精度与量化效应 数字信号处理的物理实现必然涉及有限位宽的运算。本部分关注量化误差对系统性能的影响。我们分析了信号量化(A/D转换过程)和系数量化(滤波器设计中系数的截断或舍入)带来的噪声和失真。通过引入量化噪声模型,我们可以预测和评估这些非理想因素对最终处理结果的影响,从而指导硬件选型和算法设计,确保系统在实际有限精度环境下仍能满足性能指标。 --- 第五部分:现代数字系统中的高级主题 为拓宽读者的视野,本书在最后一部分引入了两个在现代通信和控制中不可或缺的高级概念: 1. 多速率信号处理 (Multirate Signal Processing):研究如何利用采样率的改变(插值和抽取)来高效处理信号。这包括抽取滤波器(用于降低采样率)和插值滤波器(用于提高采样率),以及单相/多相分解在高效亚采样率系统中的应用。这对于软件定义无线电(SDR)和高效数据压缩至关重要。 2. 自适应滤波基础 (Adaptive Filtering):在许多场景中,信号的统计特性是未知的或时变的(如消除回声、均衡信道)。本部分引入了自适应滤波器的概念,重点介绍了最小均方误差(LMS)算法,解释了其迭代更新的原理,以及它如何在无法预知系统模型的情况下,实现信号的实时优化处理。 结语: 本书旨在提供一个全面、深入且实用的数字信号处理知识体系。通过对理论的精确推导和对工程实践的细致关注,读者将能够熟练掌握从信号采样到频率分析,从滤波器设计到系统优化的全过程。掌握这些技术,即是掌握了现代电子、通信、自动化乃至人工智能领域中数据处理的底层核心能力。

作者简介

姚剑清,北京微电子技术研究所研究员,毕生从事计算机硬软件开发、语音识别与语音编码和CMOS混合信号电路设计工作。主要研究方向包括基于HMM的语音识别和MELP语音编码技术,△Z,两步并行和流水ADC/DAC电路。译著有《锁相环技术(第3版)》 (人民邮电出版社)。

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书在讲解一些关键算法和理论时,给我留下了深刻的印象,尤其是在涉及滤波器的设计部分。我之前读过一些关于滤波器设计的资料,常常被各种巴特沃斯、切比雪夫、椭圆等滤波器类型以及它们的低通、高通、带通、带阻等形式弄得眼花缭乱,再加上不同设计方法的数学推导,更是让人头疼。然而,在这本《简明数字信号处理》中,我发现作者并没有把所有的细节都事无巨细地列出来,而是非常有针对性地选取了几种最常用、最基础的设计方法进行讲解,并且重点放在了理解这些方法背后的思想和适用场景上。例如,在介绍FIR(有限脉冲响应)滤波器设计时,书中可能用了一种比较直观的方法,比如窗函数法,来解释如何通过选择合适的窗函数来近似理想滤波器的频率响应。作者并没有花费太多笔墨去推导窗函数本身的数学性质,而是着重强调了不同窗函数(比如矩形窗、汉宁窗、海明窗)在通带纹波和阻带衰减之间的权衡关系。通过图示和简明的文字说明,我能够很清楚地了解到,为什么选择不同的窗函数会导致滤波器的性能有所差异,以及在实际应用中应该如何根据需求来选择。对于IIR(无限脉冲响应)滤波器,书中也可能采用了类似的手法,挑选了例如双线性变换法等经典方法,讲解其原理和步骤,而不是罗列一大堆公式。这种“大道至简”的处理方式,让我觉得这本书确实做到了“简明”,它没有把一些非常复杂、非常深入的数学细节强加给读者,而是聚焦于让读者理解核心概念和掌握基本的应用技能。这对于很多初学者来说,无疑是一个巨大的福音,可以帮助他们快速建立起对滤波器设计的初步认识,为后续更深入的学习打下基础。

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在阅读这本书的过程中,我发现它在讲解一些抽象概念时,非常注重数学模型与实际应用之间的联系,这一点让我觉得非常受用。比如,在讲到卷积运算时,我们都知道它在信号处理中扮演着核心角色,无论是系统响应的计算还是滤波器的实现,都离不开它。而在这本书里,作者并没有仅仅停留在给出卷积的数学定义和公式,而是通过生动的图示和具体的例子,来解释卷积操作的物理意义。我记得书中可能用了“两个信号的‘滑动叠加’过程”来比喻卷积,并用一个简单的脉冲信号和一个衰减指数信号的卷积为例,展示了卷积结果如何反映了系统对输入信号的累积效应。这种可视化和实例化的方法,让我能够更直观地理解卷积是如何将输入信号与系统的冲 প্রভাবশালী联系起来,从而得到输出信号。更重要的是,书中可能还提到了卷积在图像处理中的应用,比如图像的模糊、锐化等操作,实际上就是通过不同的卷积核(滤波器)来实现的。这种将理论知识与实际应用场景紧密结合的做法,让我能够清晰地认识到,我们学习的这些数学工具并非空中楼阁,而是能够解决实际问题的强大武器。此外,在讲解傅里叶变换时,作者也可能没有局限于纯粹的数学推导,而是花了一部分篇幅来解释傅里叶变换如何将时域信号转换到频域,以及频域分析对于理解信号特性(如频率成分、带宽等)的优势。通过对一些简单信号(如正弦波、方波)的傅里叶变换结果的展示,我能够直观地感受到频域分析的强大威力。这种理论与实践相结合的讲解模式,让我在学习过程中感到更加有动力,也更容易将所学的知识融会贯通,并思考它们在更广泛领域的应用可能性。

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在阅读这本书关于一些应用实例的章节时,我感觉它非常有启发性,能够帮助我将学到的理论知识应用到实际场景中。虽然这本书的名称是“简明”,但我发现它并没有完全回避掉一些具体的应用,而是有选择性地介绍了一些具有代表性的案例。例如,在讲解了基本的采样和量化之后,书中可能会简要介绍一下CD音质的实现,或者数字语音信号的采集过程。作者可能没有深入讲解其中的编码算法,但会点出采样率、量化位数等关键参数是如何影响音质的,以及为什么会有这些参数的取值。我印象深刻的是,书中可能还提到了在通信系统中的一些应用,比如数字信号的传输和接收,以及简单的调制解调过程。通过这些介绍,我能够了解到,我们学习的傅里叶变换、滤波器等概念,是如何在实际的通信设备中发挥作用的。另外,在图像处理方面,书中也可能通过一些简单的例子,来展示数字信号处理技术是如何用于图像的增强、去噪或者压缩的。例如,可能会用简单的卷积核来演示图像的模糊效果,或者介绍一下简单的去噪滤波器是如何工作的。这些应用实例的讲解,并没有过多的数学推导,而是侧重于展示技术的作用和解决的问题。这种“授人以渔”的模式,让我觉得这本书不仅仅是在教授理论,更是在激发我对数字信号处理在实际领域应用的兴趣。它让我明白,学到的知识是可以真正用来解决实际问题的,这对于学习者来说,是一种非常宝贵的激励。

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读完这本书的某些章节后,我最大的感受是它对于一些复杂数学概念的“去神秘化”。很多时候,我们在学习数字信号处理时,会遇到大量的希腊字母、积分、求和符号,以及一些抽象的变换。这很容易让初学者产生畏惧心理,觉得这个学科非常高深。然而,在这本《简明数字信号处理》中,我发现作者非常擅长用通俗易懂的语言来解释这些概念。例如,在讲解Z变换时,书中可能不会直接抛出Z变换的积分形式,而是先从离散时间傅里叶变换(DTFT)出发,解释Z变换是如何将DTFT的概念推广到复平面上的,以及它在分析离散时间系统稳定性方面的作用。书中可能还用了一些类比,比如将Z变换看作是一种“复频率”的表示,用于分析信号在不同“复频率”上的行为。而且,在涉及拉普拉斯变换或Z变换的收敛域(ROC)时,作者也可能通过图示的方式,直观地展示出不同的收敛域对应着系统不同的性质(例如因果性、稳定性)。这种将数学的严谨性与直观的理解相结合的做法,极大地减轻了读者的学习负担。我特别留意到,对于一些非常重要的数学工具,比如卷积定理,书中可能不仅仅是给出了定理的表达式,而是通过解释它的意义——“时域的卷积对应于频域的乘积”——来帮助读者理解其强大之处。它使得我们知道,在某些情况下,将问题从一个域转换到另一个域进行处理,可能会大大简化计算。这种“化繁为简”的处理方式,让我觉得这本书确实对得起“简明”二字,它并非简化到失去实质,而是通过精心的组织和表达,让复杂变得易于理解。

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这本书的封面设计倒是挺吸引人的,简洁明了,封面上“简明数字信号处理”几个大字,字迹清晰,颜色搭配也很舒服,没有那种花里胡哨的感觉,一看就是一本扎实的教材。我拿到手后,翻看了几页,纸张的质感也挺好的,不是那种劣质的纸,摸起来比较光滑,拿在手里感觉很厚实,不像那种薄薄的书,很容易翻坏。而且印刷也相当不错,字迹工整,没有出现模糊不清或者错别字的情况,这一点对于一本技术类书籍来说非常重要,毕竟我们要靠它来学习知识,如果印刷不好,读起来会很费劲,甚至影响理解。书的整体尺寸也比较适中,方便携带,我放在背包里不会觉得太占地方,偶尔在咖啡馆或者图书馆里翻阅一下,也挺方便的。我特别留意了目录,虽然这本书叫“简明”,但目录的设计还是比较详尽的,从基础概念到一些高级的应用都有涉及,让我对这本书的整体内容有了初步的了解,也勾勒出了学习的脉络。感觉这本书的编写者在结构安排上是花了心思的,力求在内容的取舍和逻辑的编排上做到平衡,既要保证核心知识点的覆盖,又要避免过于庞杂,给读者造成阅读负担。封面和装帧细节上的用心,总能让人对书的内容产生一定的期待,觉得作者和出版社在制作这本书的时候是认真的,希望这本书能够真正做到“简明”而又“实用”,能够帮助我们这些初学者或者希望巩固基础的读者,快速掌握数字信号处理的关键概念和方法。

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这本书在内容的选择和编排上,展现出一种非常务实和注重实效的风格。我翻阅了一些关于系统分析的章节,感觉作者在讲解如何判断一个离散时间系统的性质时,并没有陷入到过多的理论细节中。例如,在分析系统的因果性、稳定性、线性时不变性(LTI)时,书中可能主要关注了如何通过系统的脉冲响应或者系统函数(传递函数)的性质来判断。对于因果性,可能直接指出其脉冲响应在t<0时必须为零。对于稳定性,可能重点讲解了如何通过系统函数极点的分布来判断,例如所有极点都必须在单位圆内。作者在讲解时,非常注重引导读者将理论与实际联系起来,例如,可能会提及在实际系统中,哪些因素会导致系统不稳定,以及为什么稳定性对于信号处理系统至关重要。更值得称赞的是,书中可能提供了一些典型的系统例子,并引导读者去分析它们的性质,比如一个简单的延迟系统、一个积分器系统等。通过这些具体的例子,读者能够更加深入地理解抽象的理论概念。而且,在讨论系统的频率响应时,书中也可能不仅仅是给出了数学表达式,而是通过绘制频率响应的幅频和相频特性曲线,来帮助读者直观地理解系统在不同频率上的增益和相位变化。这种“理论+例子+图示”的讲解模式,使得学习过程更加生动和有效。它让我觉得,这本书不仅仅是在传授知识,更是在培养一种分析和解决问题的能力。我感觉通过这本书的学习,我能够更自信地去分析和设计一些简单的数字信号处理系统。

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拿到这本《简明数字信号处理》之后,我做的第一件事就是大致浏览了一下它的章节安排和目录结构。让我印象深刻的是,这本书在开头部分并没有急于深入复杂的数学推导,而是从一些非常基础的概念入手,比如什么是信号,什么是数字信号,以及它们与模拟信号的区别等等。这种由浅入深的处理方式,对于我这样可能之前接触过一些信号理论但基础不够牢固的读者来说,无疑是一剂强心针。它没有上来就抛出一堆公式和定理,而是通过一些生活化的例子或者通俗易懂的比喻来解释抽象的概念。我记得在讲到采样的时候,书中似乎用了一个“拍照”的类比,将连续的画面比作一个动态的过程,而数字信号的采样过程就像是用相机在不同时间点“定格”画面。这种形象化的描述,大大降低了理解门槛,让那些对数学公式感到畏惧的读者也能有所领悟。此外,我注意到书中对于一些核心概念的阐述,比如离散时间傅里叶变换(DTFT)和离散傅里叶变换(DFT),虽然篇幅不多,但重点突出,抓住了它们最本质的区别和联系。作者并没有花费大量篇幅去推导它们的数学表达式,而是更多地强调了它们在实际应用中的意义和使用场景。这种“点到为止”的讲解方式,反而让学习者能够更清晰地把握住核心,不至于被细节淹没。在一些章节的末尾,我还看到了作者设置了一些思考题或者小练习,虽然我还没来得及深入去做,但这种设计表明作者鼓励读者主动思考和实践,而不是被动接受信息。总的来说,这本书在知识的引入和基础概念的铺陈上,做得非常扎实,而且非常注重启发性,这一点是令我十分赞赏的。

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我非常欣赏这本书在算法讲解部分所呈现出的清晰度和逻辑性。在数字信号处理领域,各种算法层出不穷,比如FFT(快速傅里叶变换)、LMS(最小均方)算法等等,这些算法的原理和实现往往涉及到一定的数学基础和编程技巧。在这本《简明数字信号处理》中,我感觉作者在介绍这些算法时,并没有一味地追求算法的完整推导和优化过程,而是非常有选择性地抓住了算法的核心思想和关键步骤。对于FFT,书中可能详细讲解了蝶形运算的原理,以及如何通过分治法将DFT的计算复杂度从O(N^2)降低到O(N log N),并且可能配有清晰的流程图来辅助说明。重点在于让读者理解FFT的“快”体现在哪里,以及它的基本计算单元是如何工作的。对于LMS算法,书中可能强调了它作为一种自适应滤波算法,如何通过迭代的方式不断调整滤波器系数,以最小化输出误差。作者很可能通过一个简单的通信均衡或者噪声消除的场景来引入LMS算法,并解释其更新方程的含义,比如步长参数对收敛速度和稳定性的影响。书中对于算法的讲解,往往伴随着伪代码或者简单的流程描述,这使得读者即使不熟悉具体的编程语言,也能理解算法的实现逻辑。而且,我注意到作者在介绍算法时,往往会提到它们的优缺点以及适用范围,比如FFT计算效率高但需要信号长度是2的幂次方,LMS算法简单易实现但收敛速度可能不如其他一些更复杂的自适应算法。这种辩证的分析,帮助读者在面对不同问题时,能够做出更明智的算法选择。总而言之,这本书在算法的介绍上,做到了既有深度又不失广度,既能让读者理解算法的原理,又能指导他们在实际问题中运用这些算法。

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这本书的语言风格给我留下了深刻的印象,它有一种恰到好处的“技术范”同时又不失“人情味”。我注意到,作者在撰写过程中,尽量避免使用过于生僻或者晦涩的术语,除非是这个术语本身就是该学科的核心概念。当引入一个新的概念时,作者通常会先给出一个相对简洁的定义,然后通过一个具体的例子来加以阐释,或者用一个比喻来帮助读者理解。例如,在讲解“量化误差”时,作者可能没有直接就给出误差的数学公式,而是先解释说,模拟信号在转换为数字信号的过程中,需要将其连续的幅度值映射到有限的离散级别,这个映射过程必然会产生一个不可避免的误差,就像我们用尺子测量一个不规则形状的长度时,总会存在一定的误差一样。这种语言上的“接地气”,让我在阅读过程中感到非常轻松。同时,书中也保持了科学的严谨性,对于一些关键的定义和公式,作者仍然会清晰地给出。我特别注意到,在一些章节的结尾,作者可能会用一些总结性的语言,回顾本章的核心内容,并展望下一章将要讨论的内容,这种“承上启下”的写作方式,有助于读者建立起对整本书知识体系的连贯性认识。而且,我感觉作者在字里行间流露出一种对数字信号处理这门学科的热爱和自信,他/她似乎很有信心能够将这门看似复杂的学科,以一种清晰易懂的方式传达给读者。这种积极的态度,也能够感染读者,让他们更有信心去克服学习过程中的困难。

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这本书的整体排版和版式设计,也给我留下了非常好的印象。当我拿到这本书时,首先注意到的是它清晰的字体和合理的行间距。阅读技术类书籍时,清晰的排版至关重要,因为我们需要准确地读取大量的公式和符号。这本书的字体大小适中,不会太小以至于费眼,也不会太大而显得浪费纸张。行间距的处理也很好,使得文字看起来不至于拥挤,方便阅读。我特别欣赏的是,书中对于公式的排版非常规范,每一个公式都单独一行,并且有清晰的编号,方便在正文中引用。一些复杂的数学公式,作者也可能采取了分步展示或者使用一些辅助符号来提高可读性。图表的插入也恰到好处,无论是原理示意图还是数据分析图,都清晰明了,并且与文字内容紧密结合,起到了很好的辅助说明作用。我记得在讲解滤波器设计时,书中可能插入了一些频率响应的幅频和相频曲线图,这些图表非常直观,能够帮助我快速理解滤波器的特性。同时,书中还可能在一些关键的概念或者定义旁边,设置了“注意”或者“提示”的小框,用不同的字体或者颜色来突出显示,这对于提醒读者注意一些容易混淆或者非常重要的知识点非常有帮助。书的页眉页脚也设计得比较合理,方便快速定位到具体的章节或者页码。总而言之,这本书在视觉呈现上做得非常出色,高质量的排版和版式设计,不仅提升了阅读体验,也间接反映了作者和出版社在制作这本书时的专业和用心。一本易于阅读、视觉友好的技术书籍,能够极大地提高学习的效率和乐趣。

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