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离散时间信号处理(第三版)(英文版)
丛   书   名: 国外电子与通信教材系列
作   译   者:Alan V. Oppenheim(艾伦 ? V. 奥本海姆) 出 版 日 期:2019-08-01
出   版   社:电子工业出版社 维   护   人:马岚 
书   代   号:G0372320 I S B N:9787121372322

图书简介:

本书系统论述了离散时间信号处理的基本理论和方法,是国际信号处理领域中的经典教材。内容包括离散时间信号与系统,z 变换,连续时间信号采样,线性时不变系统的变换分析,离散时间系统结构,滤波器设计方法,离散傅里叶变换,离散傅里叶变换的计算,利用离散傅里叶变换的信号傅里叶分析,参数信号建模,离散希尔伯特变换,倒谱分析与同态解卷积。本书例题和习题丰富,具有实用价值。本书的配套网站www.pearsonhighered.com/oppenheim提供了一些重要概念的可视化解释以及利用这些概念进行实践的操作环境,以帮助对本书内容进行增强和补充。
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    内容简介

    本书系统论述了离散时间信号处理的基本理论和方法,是国际信号处理领域中的经典教材。内容包括离散时间信号与系统,z 变换,连续时间信号采样,线性时不变系统的变换分析,离散时间系统结构,滤波器设计方法,离散傅里叶变换,离散傅里叶变换的计算,利用离散傅里叶变换的信号傅里叶分析,参数信号建模,离散希尔伯特变换,倒谱分析与同态解卷积。本书例题和习题丰富,具有实用价值。本书的配套网站www.pearsonhighered.com/oppenheim提供了一些重要概念的可视化解释以及利用这些概念进行实践的操作环境,以帮助对本书内容进行增强和补充。

    图书详情

    ISBN:9787121372322
    开 本:16开
    页 数:1124
    字 数:2338.0

    本书目录

    CONTENTS
    
    1 Introduction
    2 Discrete-Time Signals and Systems
    2.0 Introduction
    2.1 Discrete-Time Signals
    2.2 Discrete-Time Systems
    2.2.1 Memoryless Systems 
    2.2.2 Linear Systems
    2.2.3 Time-Invariant Systems
    2.2.4 Causality
    2.2.5 Stability 
    2.3 LTI Systems
    2.4 Properties of Linear Time-Invariant Systems
    2.5 Linear Constant-Coefficient Difference Equations
    2.6 Frequency-Domain Representation of Discrete-Time Signals and Systems
    2.6.1 Eigenfunctions for Linear Time-Invariant Systems
    2.6.2 Suddenly Applied Complex Exponential Inputs
    2.7 Representation of Sequences by Fourier Transforms
    2.8 Symmetry Properties of the Fourier Transform
    2.9 Fourier Transform Theorems
    2.9.1 Linearity of the Fourier Transform
    2.9.2 Time Shifting and Frequency Shifting Theorem
    2.9.3 Time Reversal Theorem
    2.9.4 Differentiation in Frequency Theorem
    2.9.5 Parseval’s Theorem
    2.9.6 The Convolution Theorem
    2.9.7 The Modulation or Windowing Theorem
    2.10 Discrete-Time Random Signals
    2.11 Summary
    Problems
    3 The z-Transform
    3.0 Introduction
    3.1 z-Transform
    3.2 Properties of the ROC for the z-Transform
    3.3 The Inverse z-Transform
    3.3.1 Inspection Method
    3.3.2 Partial Fraction Expansion
    3.3.3 Power Series Expansion
    3.4 z-Transform Properties
    3.4.1 Linearity
    3.4.2 Time Shifting
    3.4.3 Multiplication by an Exponential Sequence
    3.4.4 Differentiation of X(z)
    3.4.5 Conjugation of a Complex Sequence
    3.4.6 Time Reversal 
    3.4.7 Convolution of Sequences
    3.4.8 Summary of Some z-Transform Properties
    3.5 z-Transforms and LTI Systems
    3.6 The Unilateral z-Transform
    3.7 Summary
    Problems
    4 Sampling of Continuous-Time Signals
    4.0 Introduction
    4.1 Periodic Sampling
    4.2 Frequency-Domain Representation of Sampling
    4.3 Reconstruction of a Bandlimited Signal from Its Samples
    4.4 Discrete-Time Processing of Continuous-Time Signals
    4.4.1 Discrete-Time LTI Processing of Continuous-Time Signals
    4.4.2 Impulse Invariance
    4.5 Continuous-Time Processing of Discrete-Time Signals
    4.6 Changing the Sampling Rate Using Discrete-Time Processing
    4.6.1 Sampling Rate Reduction by an Integer Factor
    4.6.2 Increasing the Sampling Rate by an Integer Factor
    4.6.3 Simple and Practical Interpolation Filters
    4.6.4 Changing the Sampling Rate by a Noninteger Factor
    4.7 Multirate Signal Processing
    4.7.1 Interchange of Filtering with Compressor/Expander
    4.7.2 Multistage Decimation and Interpolation
    4.7.3 Polyphase Decompositions
    4.7.4 Polyphase Implementation of Decimation Filters
    4.7.5 Polyphase Implementation of Interpolation Filters
    4.7.6 Multirate Filter Banks
    4.8 Digital Processing of Analog Signals
    4.8.1 Prefiltering to Avoid Aliasing
    4.8.2 A/D Conversion
    4.8.3 Analysis of Quantization Errors
    4.8.4 D/A Conversion
    4.9 Oversampling and Noise Shaping in A/D and D/A Conversion
    4.9.1 Oversampled A/D Conversion with Direct Quantization
    4.9.2 Oversampled A/D Conversion with Noise Shaping
    4.9.3 Oversampling and Noise Shaping in D/A Conversion
    4.10 Summary
    Problems
    5 Transform Analysis of Linear Time-Invariant Systems
    5.0 Introduction
    5.1 The Frequency Response of LTI Systems
    5.1.1 Frequency Response Phase and Group Delay
    5.1.2 Illustration of Effects of Group Delay and Attenuation
    5.2 System Functions—Linear Constant-Coefficient Difference Equations
    5.2.1 Stability and Causality
    5.2.2 Inverse Systems
    5.2.3 Impulse Response for Rational System Functions
    5.3 Frequency Response for Rational System Functions
    5.3.1 Frequency Response of 1st-Order Systems
    5.3.2 Examples with Multiple Poles and Zeros
    5.4 Relationship between Magnitude and Phase
    5.5 All-Pass Systems
    5.6 Minimum-Phase Systems
    5.6.1 Minimum-Phase and All-Pass Decomposition
    5.6.2 Frequency-Response Compensation of Non-Minimum-Phase Systems
    5.6.3 Properties of Minimum-Phase Systems
    5.7 Linear Systems with Generalized Linear Phase
    5.7.1 Systems with Linear Phase
    5.7.2 Generalized Linear Phase
    5.7.3 Causal Generalized Linear-Phase Systems
    5.7.4 Relation of FIR Linear-Phase Systems to Minimum-Phase Systems
    5.8 Summary
    Problems
    6 Structures for Discrete-Time Systems
    6.0 Introduction
    6.1 Block Diagram Representation of Linear Constant-Coefficient Difference Equations
    6.2 Signal Flow Graph Representation
    6.3 Basic Structures for IIR Systems
    6.3.1 Direct Forms 
     6.3.2 Cascade Form 
    6.3.3 Parallel Form
    6.3.4 Feedback in IIR Systems 
    6.4 Transposed Forms 
    6.5 Basic Network Structures for FIR Systems 
    6.5.1 Direct Form 
    6.5.2 Cascade Form
    6.5.3 Structures for Linear-Phase FIR Systems 
    6.6 Lattice Filters
    6.6.1 FIR Lattice Filters
    6.6.2 All-Pole Lattice Structure
    6.6.3 Generalization of Lattice Systems
    6.7 Overview of Finite-Precision Numerical Effects 
    6.7.1 Number Representations
    6.7.2 Quantization in Implementing Systems
    6.8 The Effects of Coefficient Quantization
    6.8.1 Effects of Coefficient Quantization in IIR Systems 
    6.8.2 Example of Coefficient Quantization in an Elliptic Filter
    6.8.3 Poles of Quantized 2nd-Order Sections
    6.8.4 Effects of Coefficient Quantization in FIR Systems 
    6.8.5 Example of Quantization of an Optimum FIR Filter
    6.8.6 Maintaining Linear Phase 
    6.9 Effects of Round-off Noise in Digital Filters
    6.9.1 Analysis of the Direct Form IIR Structures
    6.9.2 Scaling in Fixed-Point Implementations of IIR Systems
    6.9.3 Example of Analysis of a Cascade IIR Structure
    6.9.4 Analysis of Direct-Form FIR Systems
    6.9.5 Floating-Point Realizations of Discrete-Time Systems 
    6.10 Zero-Input Limit Cycles in Fixed-Point Realizations of IIR Digital Filters
    6.10.1 Limit Cycles Owing to Round-off and Truncation 
    6.10.2 Limit Cycles Owing to Overflow
    6.10.3 Avoiding Limit Cycles
    6.11 Summary
    Problems 
    7 Filter Design Techniques
    7.0 Introduction
    7.1 Filter Specifications 
    7.2 Design of Discrete-Time IIR Filters from Continuous-Time Filters
    7.2.1 Filter Design by Impulse Invariance
    7.2.2 Bilinear Transformation
    7.3 Discrete-Time Butterworth, Chebyshev and Elliptic Filters
    7.3.1 Examples of IIR Filter Design 
    7.4 Frequency Transformations of Lowpass IIR Filters
    7.5 Design of FIR Filters by Windowing 
    7.5.1 Properties of Commonly Used Windows
    7.5.2 Incorporation of Generalized Linear Phase
    7.5.3 The KaiserWindow Filter Design Method
    7.6 Examples of FIR Filter Design by the KaiserWindow Method
    7.6.1 Lowpass Filter
    7.6.2 Highpass Filter
    7.6.3 Discrete-Time Differentiators
    7.7 Optimum Approximations of FIR Filters
    7.7.1 Optimal Type I Lowpass Filters
    7.7.2 Optimal Type II Lowpass Filters
    7.7.3 The Parks–McClellan Algorithm
    7.7.4 Characteristics of Optimum FIR Filters
    7.8 Examples of FIR Equiripple Approximation
    7.8.1 Lowpass Filter
    7.8.2 Compensation for Zero-Order Hold 
    7.8.3 Bandpass Filter
    7.9 Comments on IIR and FIR Discrete-Time Filters
    7.10 Design of an Upsampling Filter
    7.11 Summary
    Problems
    8 The Discrete Fourier Transform
    8.0 Introduction
    8.1 Representation of Periodic Sequences: The Discrete Fourier Series
    8.2 Properties of the DFS
    8.2.1 Linearity
    8.2.2 Shift of a Sequence
    8.2.3 Duality
    8.2.4 Symmetry Properties
    8.2.5 Periodic Convolution
    8.2.6 Summary of Properties of the DFS Representation of Periodic Sequences
    8.3 The Fourier Transform of Periodic Signals
    8.4 Sampling the Fourier Transform
    8.5 Fourier Representation of Finite-Duration Sequences
    8.6 Properties of the DFT
    8.6.1 Linearity
    8.6.2 Circular Shift of a Sequence
    8.6.3 Duality
    8.6.4 Symmetry Properties
    8.6.5 Circular Convolution
    8.6.6 Summary of Properties of the DFT
    8.7 Linear Convolution Using the DFT
    8.7.1 Linear Convolution of Two Finite-Length Sequences
    8.7.2 Circular Convolution as Linear Convolution with Aliasing
    8.7.3 Implementing Linear Time-Invariant Systems Using the DFT
    8.8 The Discrete Cosine Transform (DCT)
    8.8.1 Definitions of the DCT
    8.8.2 Definition of the DCT-1 and DCT-2
    8.8.3 Relationship between the DFT and the DCT-1
    8.8.4 Relationship between the DFT and the DCT-2
    8.8.5 Energy Compaction Property of the DCT-2
    8.8.6 Applications of the DCT
    8.9 Summary
    Problems
    9 Computation of the Discrete Fourier Transform
    9.0 Introduction 
    9.1 Direct Computation of the Discrete Fourier Transform
    9.1.1 Direct Evaluation of the Definition of the DFT
    9.1.2 The Goertzel Algorithm
    9.1.3 Exploiting both Symmetry and Periodicity
    9.2 Decimation-in-Time FFT Algorithms
    9.2.1 Generalization and Programming the FFT
    9.2.2 In-Place Computations
    9.2.3 Alternative Forms
    9.3 Decimation-in-Frequency FFT Algorithms
    9.3.1 In-Place Computation
    9.3.2 Alternative Forms
    9.4 Practical Considerations
    9.4.1 Indexing
    9.4.2 Coefficients
    9.5 More General FFT Algorithms
    9.5.1 Algorithms for Composite Values of N 
    9.5.2 Optimized FFT Algorithms
    9.6 Implementation of the DFT Using Convolution 
    9.6.1 Overview of the Winograd Fourier Transform Algorithm
    9.6.2 The Chirp Transform Algorithm
    9.7 Effects of Finite Register Length
    9.8 Summary
    Problems
    10 Fourier Analysis of Signals Using the Discrete Fourier Transform
    10.0 Introduction
    10.1 Fourier Analysis of Signals Using the DFT
    10.2 DFT Analysis of Sinusoidal Signals 
    10.2.1 The Effect of Windowing
    10.2.2 Properties of the Windows
    10.2.3 The Effect of Spectral Sampling 
    10.3 The Time-Dependent Fourier Transform
    10.3.1 Invertibility of X[n,)
    10.3.2 Filter Bank Interpretation of X[n,) 
    10.3.3 The Effect of the Window 
    10.3.4 Sampling in Time and Frequency
    10.3.5 The Overlap–Add Method of Reconstruction
    10.3.6 Signal Processing Based on the Time-Dependent Fourier Transform
    10.3.7 Filter Bank Interpretation of the Time-Dependent Fourier Transform 
    10.4 Examples of Fourier Analysis of Nonstationary Signals
    10.4.1 Time-Dependent Fourier Analysis of Speech Signals
    10.4.2 Time-Dependent Fourier Analysis of Radar Signals
    10.5 Fourier Analysis of Stationary Random Signals: the Periodogram
    10.5.1 The Periodogram
    10.5.2 Properties of the Periodogram
    10.5.3 Periodogram Averaging
    10.5.4 Computation of Average Periodograms Using the DFT
    10.5.5 An Example of Periodogram Analysis
    10.6 Spectrum Analysis of Random Signals
    10.6.1 Computing Correlation and Power Spectrum Estimates Using theDFT
    10.6.2 Estimating the Power Spectrum of Quantization Noise
    10.6.3 Estimating the Power Spectrum of Speech
    10.7 Summary
    Problems
    11 Parametric Signal Modeling
    11.0 Introduction
    11.1 All-Pole Modeling of Signals
    11.1.1 Least-Squares Approximation
    11.1.2 Least-Squares Inverse Model
    11.1.3 Linear Prediction Formulation of All-Pole Modeling
    11.2 Deterministic and Random Signal Models
    11.2.1 All-Pole Modeling of Finite-Energy Deterministic Signals
    11.2.2 Modeling of Random Signals
    11.2.3 Minimum Mean-Squared Error
    11.2.4 Autocorrelation Matching Property
    11.2.5 Determination of the Gain Parameter G
    11.3 Estimation of the Correlation Functions
    11.3.1 The Autocorrelation Method
    11.3.2 The Covariance Method
    11.3.3 Comparison of Methods
    11.4 Model Order
    11.5 All-Pole Spectrum Analysis 
    11.5.1 All-Pole Analysis of Speech Signals
    11.5.2 Pole Locations
    11.5.3 All-Pole Modeling of Sinusoidal Signals
    11.6 Solution of the Autocorrelation Normal Equations
    11.6.1 The Levinson–Durbin Recursion 
    11.6.2 Derivation of the Levinson–Durbin Algorithm 
    11.7 Lattice Filters
    11.7.1 Prediction Error Lattice Network
    11.7.2 All-Pole Model Lattice Network
    11.7.3 Direct Computation of the k-Parameters
    11.8 Summary 
    Problems
    12 Discrete Hilbert Transforms
    12.0 Introduction
    12.1 Real- and Imaginary-Part Sufficiency of the Fourier Transform
    12.2 Sufficiency Theorems for Finite-Length Sequences 
    12.3 Relationships Between Magnitude and Phase
    12.4 Hilbert Transform Relations for Complex Sequences
    12.4.1 Design of Hilbert Transformers
    12.4.2 Representation of Bandpass Signals
    12.4.3 Bandpass Sampling
    12.5 Summary
    Problems
    13 Cepstrum Analysis and Homomorphic Deconvolution
    13.0 Introduction
    13.1 Definition of the Cepstrum 
    13.2 Definition of the Complex Cepstrum
    13.3 Properties of the Complex Logarithm
    13.4 Alternative Expressions for the Complex Cepstrum
    13.5 Properties of the Complex Cepstrum
    13.5.1 Exponential Sequences
    13.5.2 Minimum-Phase and Maximum-Phase Sequences 
    13.5.3 Relationship Between the Real Cepstrum and the Complex Cepstrum
    13.6 Computation of the Complex Cepstrum
    13.6.1 Phase Unwrapping 
    13.6.2 Computation of the Complex Cepstrum Using the Logarithmic Derivative
    13.6.3 Minimum-Phase Realizations for Minimum-Phase Sequences
    13.6.4 Recursive Computation of theComplexCepstrum forMinimumand Maximum-Phase Sequences
    13.6.5 The Use of Exponential Weighting
    13.7 Computation of the Complex Cepstrum Using Polynomial Roots
    13.8 Deconvolution Using the Complex Cepstrum
    13.8.1 Minimum-Phase/Allpass Homomorphic Deconvolution
    13.8.2 Minimum-Phase/Maximum-Phase Homomorphic Deconvolution
    13.9 The Complex Cepstrum for a Simple Multipath Model
    13.9.1 Computation of the Complex Cepstrum by z-Transform Analysis
    13.9.2 Computation of the Cepstrum Using the DFT
    13.9.3 Homomorphic Deconvolution for the Multipath Model 
    13.9.4 Minimum-Phase Decomposition
    13.9.5 Generalizations
    13.10 Applications to Speech Processing
    13.10.1 The Speech Model
    13.10.2 Example of Homomorphic Deconvolution of Speech 
    13.10.3 Estimating the Parameters of the Speech Model
    13.10.4 Applications
    13.11 Summary
    Problems
    A Random Signals
    B Continuous-Time Filters
    C Answers to Selected Basic Problems
    Bibliography
    Index
    展开

    前     言

    本书系统论述了离散时间信号处理的基本理论和方法,是国际信号处理领域中的经典教材。内容包括离散时间信号与系统,z 变换,连续时间信号采样,线性时不变系统的变换分析,离散时间系统结构,滤波器设计方法,离散傅里叶变换,离散傅里叶变换的计算,利用离散傅里叶变换的信号傅里叶分析,参数信号建模,离散希尔伯特变换,倒谱分析与同态解卷积。本书例题和习题丰富,具有实用价值。
    本书的配套网站www.pearsonhighered.com/oppenheim提供了一些重要概念的可视化解释以及利用这些概念进行实践的操作环境,以帮助对本书内容进行增强和补充。
    
    前言
    Discrete-Time Signal Processing, Third Edition是我们于1975年出版的Digital Signal Processing一书的延续。后者是本非常成功的教材,出现在该技术领域还不成熟,刚开始进入快速发展的时期。当时,这个论题只在研究生阶段和为数不多的几所学校里讲授,1975年出版的此书正是专门为这类课程写就的。目前,它仍在重印并依然在美国本土和国际范围内的许多学校中使用着。
    到了20世纪80年代,信号处理研究、应用和实现技术的发展步伐都清晰地表明,数字信号处理(DSP)将实现并超越它在20世纪70年代就已显露出的巨大潜力。数字信号处理所萌发出的重要性,清楚地表明对原书进行修订和内容更新已势在必行。在筹划其修订版时,由于在该技术领域及相关课程的讲授水平和风格上都已发生了很多变化,显然最佳方案是在原书的基础上重写一本新书,而原书仍可同时销售。我们将1989年出版的新书定名为Discrete-Time Signal Processing,以强调该书所讨论的大部分理论和设计方法一般都是面向离散时间系统应用的,既可以是模拟的(时间上离散化了的模拟信号),也可以是数字的。
    在编写Discrete-Time Signal Processing一书时,我们意识到DSP的基本原理已经普遍在大学本科阶段讲授过,有时甚至是作为有关离散时间线性系统的第一门课程中的一部分内容来讲授的,但更为普遍的是在第三学年和第四学年讲授,或者作为最初的研究生专题课来讲授。因此,在处理诸如线性系统、采样、多采样率信号处理、应用及谱分析之类的内容时,进行大幅度扩展是合适的。另外,书中还用更多的例题来强调和说明一些重要概念。我们始终把精心设计的例题和课后作业放在重要的地位,因此这本书包括了400多道习题。 
    尽管该技术领域在理论和应用上还在继续发展,但其包含的基本原理和基础内容大多是一样的,只是在突出的重点、理解方式和教学方法上做了一些锤炼。因此,到1999年Discrete-Time Signal Processing出版了第二版。这个版本进行了大量修订,目的是让离散时间信号处理这一学科对于大学生和实际工程师们来说都更容易被理解和接受,而没有在基本内容范围上做过多考虑。
    Discrete-Time Signal Processing, Third Edition是对第二版的重要修订。这个新版本响应了大学本科和研究生一年级阶段的课程讲授方法的改变及典型课程范围的变化,继承了重视学生和实际工程师们对于这些论题的可接受性,以及关注基本工作原理和广泛适用性的传统。新版本的一个主要特征是吸收并扩充了一些更为前沿的论题,以及在该领域有效开展工作所必需的基础知识。新版对前版本中的每一章都进行了重要的审阅和修改,并新增了全新的一章,另外还有一章在当初本书第一版的基础上做了重要更新并重新编入。伴随第三版的问世,Rose-Hulman技术学院的Mark Yoder和Wayne Padgett教授也开发完成了一个高度集成且交互性很强的配套网站 。
    自第二版以来,我们已经持续讲授这门课程10多年了,照例也为作业布置和测验而新编了一些题目。我们总是非常重视精心构造的例题和作业题,所以在第三版中添加了从中精选的最好的130道题,现在整本书的作业题总数超过了700道。
    和本书的先前版本一样,我们假定读者已具备高等微积分的知识背景,并在复数和复变函数基础方面有较好的掌握。对包括拉普拉斯变换和傅里叶变换在内的连续时间信号的线性系统理论有所了解,仍然是一个基本的前提,而这些在大多数电气和机械工程系大学本科课程安排中都会有。同时,大多数本科课程中也普遍包含了离散时间信号与系统、离散时间傅里叶变换和连续时间信号的离散时间处理的初步知识。
    给本科高年级学生和研究生讲授离散时间信号处理课程的经验告诉我们,首选详细回顾这些论题是很有必要的,可以让学生从对基础内容的了解,对贯穿课程始终且伴随教材的统一符号框架的熟悉,发展到可以学习更深入的内容。在本科低年级课程中关于离散时间信号处理的初步介绍,最通常的做法是让学生解决许多数学运算问题,但在重新整理这些题目时我们想让学生尝试对一些基本概念做更深入的推理。因此,在这个版本的前五章中保留了对这些基本知识的覆盖,并通过新的例题和扩展讨论对其进行了增强。在一些章的后几节中,会涉及一些像量化噪声这样的内容,这就要求有随机信号方面的基础知识。在第2章和附录A中都对此进行了简单介绍。
    过去10年间,在DSP教学中发生了一个重大变革,那就是广泛使用了诸如MATLAB、LabVIEW和Mathematica等复杂的软件包,使学生们能够进行交互性较强的实践操作。这些软件包使用起来方便简单,让我们有机会将离散时间信号处理中的基本概念和数学公式与涉及实信号和实时系统的实际应用联系起来。这些软件包有完备的说明文档、良好的技术支持和友好的用户界面,这些都使学生能够在不分心于对软件基础结构的深入研究和理解的基础上来方便地使用它们。现在,在许多信号处理课程中都普遍包含利用一个或多个软件包实现的工程课题和练习题。当然,为了能够对学生的学习最有益,需要仔细设计这些课题和练习题,应该强调基于概念、参数等内容的实验,而不是简单地照着书本操练。令人特别振奋的是,只要安装上这样一款强大的软件包,每个学生的笔记本电脑都会成为一个能够对离散时间信号处理概念和系统进行实验的新型实验室。
    作为教师,我们一贯坚持寻找最好的方式,从而利用计算机资源改善学生的学习环境。我们仍然坚信教材是在形式上最方便而且稳定地封装知识的最好方法。教材的发展演进应该是相对缓慢的,这样才能保证一定程度上的稳定,让学生有时间来归纳整个技术领域的发展,并验证提出新思想的方法。而另一方面,计算机软件和硬件技术的发展变化快得多,软件更新通常半年一次,而硬件速度每年仍在提高。这些情况以及万维网的使用,让我们可以对学习环境中的交互和实验部分进行更频繁的更新。正是由于这些原因,一种很自然的讲授方式是利用不同的平台环境,一方面在教材中陈述基本的数学公式和概念,另一方面通过网站来呈现需要亲自实践的交互实验。
    基于以上这些想法,我们完成了Discrete-Time Signal Processing, Third Edition,其中包括我们认为的离散时间信号处理领域中的基本数学知识和概念,以及一个配套网站,该网站提供了用于学习的各种交互式软件资源,可以巩固和扩大书本的影响。设计的网站可以持续地动态更新,以快速呈现本书作者和网站作者开发的新资源。该网站能够快速反映不断变化的软硬件环境,这些环境提供了对主要概念和基于实信号处理问题实验的可视化平台。我们惊叹于该配套网站环境的无穷潜力,它极大地提高了我们在离散时间信号处理课程上的教学能力及学生的学习能力。
    本书在材料的组织上为大学本科生和研究生的使用都提供了相当大的灵活性。典型的供本科生一学期用的选修课可以覆盖第2章的2.0节至2.9节,第3章,第4章的4.0节至4.6节,第5章的5.0节至5.3节,第6章的6.0节至6.5节,第7章的7.0节至7.3节(及7.4节和7.5节的简单介绍)。如果学生在一般的信号与系统课程中已学过离散时间信号与系统,则可以很快地掠过第2章至第4章,而留出充裕的时间来学习第8章。作为一年级研究生或本科高年级选修课,除了上述内容,还可以包括第5章余下的部分,4.7节有关多采样率信号处理的讨论,4.8节有关量化问题的简单介绍,还可以包括4.9节讨论的有关在模数和数模转换器中噪声形成的介绍。一年级研究生课还应该包括6.6节至6.9节讨论的量化问题,7.7节至7.9节讨论的最优有限脉冲响应滤波器问题,以及第8章的所有离散傅里叶变换和第9章的利用快速傅里叶变换的离散傅里叶变换的计算等内容。第10章的很多例子能有效地加强对离散傅里叶变换的讨论。在两学期的研究生课中,除了应包括本书的所有内容,还可以包括其他一些更高深的专题。在所有这些章节中,每一章后面的作业题都能在借助或不借助计算机的情况下完成。另外,为了加强信号处理系统理论和计算机实现之间的联系,我们可以借助网站上列出的一些习题和工程课题。
    下面总结了各章的内容,重点强调了第三版的主要变化。
    第2章介绍了离散时间信号与系统的基本类型,并定义了系统的基本性质,诸如线性、时不变性、稳定性和因果性等。本书主要关注线性时不变系统,这是因为有许多成熟的方法可以用于这类系统的分析与设计。尤其是在这一章中,通过卷积和建立了线性时不变系统的时域表示法,并讨论了由线性常系数差分方程描述的一类线性时不变系统。第6章还将更详细地论述此类系统。第2章还通过离散时间傅里叶变换引入了离散时间信号与系统的频域表示法。第2章的重点是利用离散时间傅里叶变换来表示序列,也就是把序列表示为一组复指数的线性组合,以及离散时间傅里叶变换基本性质的建立。
    在第3章中,作为傅里叶变换的推广建立了z变换。这一章的重点在于z变换的基本定理和性质,以及逆变换运算的部分分式展开法。第三版中新增了关于单边z变换的小节。第5章将广泛深入地讨论如何利用第2章和第3章中所得的结果来表示和分析线性时不变系统。虽然对许多学生来说,第2章和第3章中的内容是重新复习,但大部分介绍性的信号与系统课程的深度或广度都不及这两章所涵盖的内容。另外,这些章节还给出了全书将要用到的符号注释。因此,我们建议学生应当认真学习第2章和第3章的内容,从而可以建立起掌握离散时间信号与系统基础知识的信心。 
    在通过对连续时间信号周期采样而得到离散时间信号的情况下,第4章详细讨论了这两类信号之间的关系,其中包括奈奎斯特采样定理。另外,还讨论了离散时间信号增采样和减采样,这些在多采样率信号处理系统和采样率转换中都会用到。这一章以在从连续时间到离散时间转换时所遇到的某些实际问题的讨论作为结束,其中包括为避免混叠而采用的预滤波,当离散时间信号用数字表示时的幅度量化效应的建模,以及在简化模数和数模转换过程中利用过采样的问题等。第三版中增加了新的量化噪声仿真的例子,增加了基于样条推导内插滤波器的讨论,增加了多级内插和双通道多采样率滤波器组的讨论。
    在第5章中,利用前面各章中建立的概念,详细地研究线性时不变系统的各种性质。我们定义了一类理想频率选择性滤波器,并对由线性常系数差分方程描述的系统建立了系统函数和零-极点表示法,而该类系统的实现将在第6章中详细讨论。同时,在第5章中还定义并讨论了群延迟、相位响应和相位失真,以及系统的幅度响应和相位响应之间的关系,其中包括对最小相位、全通和广义线性相位系统等的讨论。第三版的变化在于增加了一个群时延和衰减的例子,这个例子的交互性实验在配套网站上可以找到。
    第6章重点讨论了由线性常系数差分方程描述的系统,并用方框图和线性信号流图来表示这类系统。本章的大部分内容是建立各种重要的系统结构,并比较它们之间的一些性质。这些讨论和各种滤波器结构的重要性都基于这样一个事实:在离散时间系统的具体实现中,系数的不准确性和运算误差的影响,都与所采用的具体结构密切相关。无论对于数字还是离散时间模拟实现,这些基本问题都是类似的。本章在数字实现的范畴内,通过对数字滤波器的系数量化和运算舍入噪声影响的讨论来阐明这些问题。本章新增了一个小节,详细讨论了利用有限脉冲响应(FIR)和无限脉冲响应(IIR)格型滤波器实现线性常系数差分方程。正如在第6章和第11章中所讨论的,这种滤波器结构由于具有期望的性质,已经在许多应用中占据了重要地位。很多教材和文献中讨论格型滤波器时,通常都会将其重要性与这类滤波器在线性预测分析及信号建模中的作用紧密联系起来。然而,应用FIR和IIR滤波器格型实现结构的重要性与待实现的差分方程是如何得到的,并没有关系。例如,差分方程可能是利用第7章讨论的滤波器设计技术设计的,但我们会采用第11章讨论的参数信号建模或其他各种可实现差分方程的方法来实现它。
    第6章主要关注的是线性常系数差分方程的表示和实现,而第7章则讨论为了逼近某一期望的系统响应而获得这类差分方程系数的步骤,其设计方法分为无限脉冲响应滤波器设计和有限脉冲响应滤波器设计两大类。新增的IIR滤波器设计实例对不同逼近方法的性质进行了深入探讨。内插滤波器设计的新例子给出了一种在实际环境中比较IIR和FIR滤波器的框架。
    在连续时间线性系统理论中,傅里叶变换主要作为表示信号与系统的一种分析工具。与此对照,在离散时间情况下,很多信号处理系统和算法则涉及直接计算傅里叶变换。尽管傅里叶变换本身是不能计算的,但它的采样形式,即离散傅里叶变换(DFT)却是可以计算出来的,并且对有限长信号来说,其离散傅里叶变换就是该信号的完全傅里叶表示。第8章详细讨论了离散傅里叶变换及其性质,以及它与离散时间傅里叶变换(DTFT)的关系。这一章还将介绍离散余弦变换(DCT),这一变换在诸如音频和视频压缩的应用中起着非常重要的作用。
    第9章将介绍并讨论许多重要的用于计算或产生离散傅里叶变换的各种算法,其中包括Goertzel算法、快速傅里叶变换(FFT)算法,以及线性调频(鸟声)变换算法等。在第三版中,利用第4章讨论的基本增采样和减采样操作,增加了对FFT算法推导的深入分析。这一章还将讨论,随着技术的演进,评估信号处理算法效率的重要指标发生的极大改变。20世纪70年代(我们第一本书出版的时代),存储和算术计算(乘法及浮点加法)的成本很高,此时算法效率通常是用对这些资源的需求量来判断的。而如今,通过增大存储量来提高信号处理算法的速度并降低实现所需的功率,已是司空见惯的事。类似地,一些教材中指出了在多核平台上适于算法的并行实现(虽然可能会增加计算开销)。现在,数据交换的周期数、片上通信及所需功率成为算法实现结构选取的关键度量。正如第9章所讨论的,虽然从所需乘法次数的角度来说,FFT的效率比Goertzel算法或DFT直接实现更高,但如果主要衡量指标是通信周期数,则FFT的效率更低,因为采用直接实现或Goertzel算法的并行化程度比FFT高。
    有了前面这几章,特别是第2章和第3章、第5章和第8章的背景知识,第10章中重点讨论了如何利用DFT对信号进行傅里叶分析。如果没有对前面所涉及的问题,以及对连续时间傅里叶变换、DTFT和DFT之间的关系的透彻理解,利用DFT对一个实际信号进行分析时往往会导致混淆和曲解。第10章将会提到许多这样的问题。关于利用依时傅里叶变换对具有时变特性的信号进行傅里叶分析的问题也将做适当的讨论。第三版中的新内容对滤波器组的分析进行了更详细的讨论,包括MPEG滤波器组的例子,用线性调频信号的依时博里叶分析新实例探讨对窗口长度的影响,以及关于量化噪声分析的更详细的仿真。
    第11章是全新的一章,其主题是参数信号建模。本章从把信号表示成一个LTI系统输出的基本概念入手,给出了如何通过求解一组线性方程来得到信号模型各参数的过程。讨论了方程建立和求解所涉及的计算细节,并通过举例来说明。特别强调了Levinson-Durbin求解算法及其许多性质,这些性质可以很容易地从类似格型滤波器内插的算法细节中推导出来。
    第12章关注离散希尔伯特变换。这种变换出现在各种不同的实际应用中,其中包括逆滤波、实带通信号的复数表示、单边带调制技术及其他许多方面。随着日益复杂的通信系统的出现,以及宽带和多带连续时间信号高效采样方法的日益丰富,对希尔伯特变换的根本性理解也变得越来越重要。希尔伯特变换在第13章的倒谱讨论中也具有重要作用。
    在1975年我们出版的第一本书和1989年出版的本书的第一版中,包括了对一类非线性技术的详细阐述,这类技术称为倒谱分析和同态解卷积。如今这些技术已经变得越来越重要,在包括语音编码、语音及说话人识别、地球物理分析和医学成像数据在内的应用中被广泛采用。同时,在其他许多应用中,解卷积也成为一个重要理论。正因为如此,第三版中重新引入了这些专题,并扩充了讨论和举例。本章包括了对倒谱定义和性质的详细讨论,以及计算倒谱的各种方法,涵盖了利用多项式求根作为倒谱计算基础的一些新的结论。利用第13章中的内容,读者还可对前面各章中的基础知识及日益重要的一系列非线性信号分析技术有全新的理解,也使得利用这些非线性技术可以像利用线性技术那样进行各种丰富多彩的分析。本章还包括了几个新例子,对在解卷积中采用同态滤波技术进行了说明。
    我们期盼着在教学中使用这个新版教材,并希望我们的同行和学生们可以从这些相较于之前版本有所增强的内容中获益。总之,信号处理,尤其是离散时间信号处理在其所有维度上都具有丰富性,这意味着未来将会出现更加令人振奋的发展。
    
    Alan V. Oppenheim
    Ronald W. Schafer
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