數(shù)字信號處理：系統(tǒng)分析與設(shè)計

　　本書包含了數(shù)字信號處理（DSP）系統(tǒng)分析和設(shè)計的所有重要內(nèi)容，采用現(xiàn)代的方法討論問題，包括MATLAB范例和其他仿真工具的介紹。主要內(nèi)容包括：數(shù)字信號處理系統(tǒng)的使用，如何用多項式和比值多項式逼近轉(zhuǎn)移函數(shù)并保持轉(zhuǎn)移函數(shù)的特性，為什么在應(yīng)用中要將轉(zhuǎn)移函數(shù)用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行圖形表示，濾波器組和小波設(shè)計，以及信號時域和頻域表述的相互關(guān)系。本書可作為高等院校電子和通信等專業(yè)本科或研究生教材，也可作為信號處理系統(tǒng)開發(fā)工程技術(shù)人員的參考用書。前言本書的前身是巴西電信公司所屬的TELEBRAS研發(fā)中心的工程師培訓(xùn)教材。該教材在1987年由本書第一作者講授，主要目的是介紹高效濾波器的設(shè)計方法，以解決工程上的一些問題。后來，第一作者用這一教材作為COPPE/里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)電子工程專業(yè)數(shù)字濾波器和數(shù)字信號處理課程的參考書。多年來，原先的學(xué)生都有這樣的疑問：既然這本教材里表述了獨(dú)特的觀點，是值得出版的，卻為何遲遲不出版。有許多原因造成了這種情況，其中的一個重要原因是在這個課題上已經(jīng)有大量寫得很好的教材存在。而且，在這個課題上進(jìn)行了多年的教學(xué)和研究后，作者的興趣更傾向于研究新方法，而不是進(jìn)行枯燥的寫書工作，因此到了最后，將這本葡萄牙文課本純粹地翻譯成英文變成了一件乏味的事情。近幾年，參加了信號處理課程編寫的第二作者和第三作者，不斷地提出了信號處理的新方法。這時，我們決定完成和更新原來的課本，使其變?yōu)楝F(xiàn)代課本。這樣，本書產(chǎn)生了，它更新了原來的內(nèi)容，加入了大量的過去幾年里三位作者為許多課程教學(xué)所寫的新材料。本書主要是作為有基本離散線性系統(tǒng)先修課程基礎(chǔ)的本科學(xué)生數(shù)字信號處理課程的課本，而更深入的章節(jié)也可作為研究生數(shù)字信號處理課程的課本。在里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)和其他許多大學(xué)的課本里我們大多采用這種結(jié)構(gòu)。在很多章的末尾，都有一小節(jié)是關(guān)于MATLAB的內(nèi)容，目的是指導(dǎo)讀者如何開始使用MATLAB進(jìn)行數(shù)字信號處理系統(tǒng)的分析與設(shè)計。本書的最大特點是用簡潔而完整的形式對數(shù)字信號處理分析和設(shè)計進(jìn)行廣泛的討論，使讀者能夠完整地開發(fā)實際的系統(tǒng)。盡管本書主要作為本科或研究生教材，但由于它的前身是培訓(xùn)教材，所以它的工業(yè)和實踐價值也足以作為信號處理系統(tǒng)開發(fā)工程人員的參考書。實際上，我們想讓讀者明白為什么和怎樣使用數(shù)字信號處理系統(tǒng)及其工具，怎樣用多項式和比值多項式來逼近轉(zhuǎn)移函數(shù)的特性，為什么在實際應(yīng)用中將轉(zhuǎn)移函數(shù)用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行圖形表示，怎樣分析、表述、研究信號的時域和頻域表述。為此，在每一章中有大量的例子，在每章的末尾有習(xí)題，以幫助讀者對概念的吸收。第1、2章回顧離散時間信號處理的概念和z變換。雖然很多讀者熟悉這部分內(nèi)容，但可以通過閱讀這兩章了解作者描述的方法與符號。第1章回顧離散時間系統(tǒng)的概念，包括離散時間信號和系統(tǒng)的表述方法，以及時域和頻域響應(yīng)。最重要的是介紹取樣定理，它是離散時間信號用于解決連續(xù)時間實際問題的條件。第2章介紹z變換和傅里葉變換，它們是描述離散時間信號和系統(tǒng)的有用的數(shù)學(xué)工具。討論了z變換和傅里葉變換的性質(zhì)，包括收斂域測定。第3章討論離散變換，重點是離散傅里葉變換（DFT），它是對時域離散信號進(jìn)行頻域分析的重要工具。DFT可對時域離散信號進(jìn)行頻域離散描述。序列描述是計算機(jī)的特性，DFT為我們提供了強(qiáng)有力的工具，使我們可以像處理原始序列一樣來處理頻域信息。DFT計算機(jī)快速算法的出現(xiàn)使得DFT的作用更大了，這就是所謂的快速傅里葉變換（FFT）。本章還介紹了實系數(shù)變換，如正弦和余弦變換，它們被廣泛用于現(xiàn)代聲音和圖像編碼以及其他很多應(yīng)用中。在這章里有一節(jié)內(nèi)容討論了信號的幾種表述形式，可供讀者選擇使用。第4章介紹用圖表法將轉(zhuǎn)移函數(shù)生成數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)。還介紹了一些基本分析方法和數(shù)字濾波器的性質(zhì)。第5章介紹FIR（有限沖激響應(yīng)）濾波器的幾種逼近方法。首先是頻率取樣法和廣泛使用的窗口法。窗口法提供了在不同信號處理應(yīng)用下的窗口方案。而后介紹了其他的近似方法包括最平滑濾波器和加權(quán)最小平方（WLS）的方法。最后介紹了基于多元最優(yōu)化算法：：Remez交換法的Chebyshev近似法，這種方法采用頻率響應(yīng)線性相位最小排列準(zhǔn)則。這一章還討論了WLSChebyshev法，它采用逼近誤差總的能量最小準(zhǔn)則。這種逼近方法在各種文獻(xiàn)里討論得不多，但是實際上，它的應(yīng)用很廣。第6章討論IIR（無限沖激響應(yīng)）濾波器的逼近。首先介紹經(jīng)典連續(xù)時間轉(zhuǎn)移函數(shù)的逼近，即巴特沃思、切比雪夫和橢圓逼近，它們用適當(dāng)?shù)淖儞Q方法產(chǎn)生離散時間轉(zhuǎn)移函數(shù)。本章還介紹了兩種變換方法，即沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法。這章包括了離散頻率變換的內(nèi)容，介紹了最優(yōu)化IIR數(shù)字濾波器量值和相位逼近，它用于設(shè)計滿足一般規(guī)范的轉(zhuǎn)移函數(shù)。這章末尾總結(jié)了時域逼近的要點。第7章介紹對數(shù)字濾波器量化效應(yīng)進(jìn)行評估的模型。討論了用幾種方法來分析和處理信號表述和濾波器系數(shù)有限字長的影響。研究了量化噪聲的影響，信號縮放比例對內(nèi)部信號動態(tài)范圍的限制，轉(zhuǎn)移函數(shù)系數(shù)量化的影響，以及在遞歸實現(xiàn)中可能出現(xiàn)的非線性振動。這些分析被用于指導(dǎo)實際有限精度數(shù)字濾波器的實現(xiàn)。第8章介紹多率離散時間系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論。本章重點討論多率系統(tǒng)的性質(zhì)，介紹抽取和內(nèi)插操作，舉例說明如何使用它們進(jìn)行高效率數(shù)字濾波器設(shè)計。第9章介紹多率濾波器組的幾種設(shè)計技術(shù)，包括雙邊帶濾波器組的幾種形式、余弦調(diào)制濾波器組以及卷積變換。介紹了用小波變換對信號進(jìn)行多分辨率分解表述的概念，討論用濾波器組設(shè)計小波變換。另外，還介紹了正交技術(shù)，如信號表述中的雙正交。第1章介紹如何在滿足規(guī)范要求的前提下降低FIR濾波器的運(yùn)算復(fù)雜度。特別介紹了前置濾波器和內(nèi)插法，主要用于設(shè)計窄帶低通和高通濾波器。另外，還介紹了用于窄帶過渡頻帶濾波器的頻率響應(yīng)掩蔽法和用于帶通、帶阻濾波器的積分法。第11章介紹高效IIR濾波器的幾種實現(xiàn)方法，討論這些方法的有限精度影響點及其顯著特征。這些實現(xiàn)方法供讀者在設(shè)計良好的IIR濾波器時選擇。這章給出了幾種結(jié)構(gòu)體系，即：采用直接型重排截面的并聯(lián)和級聯(lián)設(shè)計，采用最優(yōu)化截面和極限環(huán)自由狀態(tài)空間截面的并聯(lián)和級聯(lián)設(shè)計，格形濾波器，以及波數(shù)字濾波器的幾種形式。第12章簡單介紹了在信號處理中廣泛使用的實現(xiàn)技術(shù)。這個內(nèi)容是非常廣的，不可能只用一章就說明白；另外它的變化也非常快，要長期地更新書本也是不現(xiàn)實的。因此，我們只介紹在最近十年里數(shù)字信號處理應(yīng)用中最常用的技術(shù)和當(dāng)前的趨勢，而不去詳細(xì)討論具體某種應(yīng)用的細(xì)節(jié)。無論如何，這一章的內(nèi)容足夠幫助系統(tǒng)設(shè)計者選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號處理算法形式。本書所包括的內(nèi)容可作為數(shù)字信號處理本科課程或研究生一年級課程。本書可以根據(jù)需要選擇不同的課程組合。我們建議本科課程至少應(yīng)包括第1、2、3、4章，也可包括第5、6章中的非迭代逼近方法，即第5章的頻率取樣和窗口法，第6章的模擬逼近法和IIR濾波器連續(xù)時間到離散時間的變換方法。根據(jù)任課老師的需要，還可以選擇第7、8、1、11章的部分內(nèi)容。若作為研究生課程，第1章到第4章可作為復(fù)習(xí)資料，其他章節(jié)應(yīng)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。如果不處在一個學(xué)術(shù)氣氛濃厚、視野開闊的環(huán)境中，本書絕不可能問世。我們有幸邀請到L.P.Cal-ba和E.H.Watanabe教授作為同事和顧問。感謝COPPE的工作人員，特別是M.A.Guimar-es先生和F.J.Ribeiro女士給予了本書巨大的支持。感謝第一作者的學(xué)生J.C.Cabezas、R.G.Lins和J.A.B.Pereira（已逝），是他們和第一作者一起寫出的運(yùn)算包產(chǎn)生了本書的幾個例子。感謝CPqD的工程師幫助我們修正早期的版本。我們尤其要感謝J.Sampaio工程師對我們工作的信任。我們得益于工作在一個大型的信號處理工作組的環(huán)境中，同事們以各種方式幫助我們。其中，我們要提到L.W.P.Biscainho、M.L.R.deCampos、G.V.Mendonca、A.C.M.deQueiroz、F.G.V.deResendeJr和J.M.deSeixas教授，以及信號處理實驗室（www.lps.ufrj.br）的全體工作人員。感謝里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)尤其是電子工程系的同事，以及COPPE研究生院的同事，他們在本書的準(zhǔn)備時給予了很大的支持。感謝為本書的出版給予幫助的其他學(xué)校的朋友，特別是我們要提到FluminenseFederalUniversity的A.S.delaVega教授，F(xiàn)ederalUniversityofEspíritoSanto的M.SarcinelliFo.教授，UniversityofVictoria的P.Agathoklis、A.Antoniou和W.S.Lu教授，HelsinkiUniversityofTechnology的I.Hartimo、T.I.Laakso教授和V.Vlimki博士，TampereUniversityofTechnology的T.Saramki教授，NationalUniversityofSingapore的Y.C.Lim教授，XeroxCorporation的R.L.deQueiroz博士，MicrosoftCorporation的H.S.Malvar博士，UniversityofNotreDame的Y.F.Huang教授，UniverdadNacionaldelSur的J.E.Cousseau教授，UniversityofAlberta的B.Nowrouzian教授，CiscoSystems的M.G.deSiqueira博士，MilitaryInstituteofEngineeringinRiodeJaneiro的R.MiscowFo.和E.Viegas教授，UniversityofSoPaulo的E.Cabral博士。感謝劍橋大學(xué)出版社的工作人員，編輯PhilpMeyler博士和EricWillner先生，以及校對者JoClegg博士。感謝作者家人的耐心支持。Paulo感謝Mariza、Paula、Luiza和他的母親Hirlene。Eduardo、感謝LuisEduardo和Isabella的支持，妻子Cl、udia的愛，父母Zélia和Bismarck的愛與支持。Sergio表達(dá)對父母Sergio和MariaChristina的感謝，對Luciana和Bruno的愛。PauloS.R.DinizEduardoA.B.daSilvaSergioL.Netto

　　PauloS.R.Diniz：里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)（UFRJ）電子與計算機(jī)工程系和COPPE/UFRJ研究生院教授，赫爾辛基理工大學(xué)的客座教授；IEEE會士。