深入理解數字信號處理——理論、算法及工程應用（原書第3版·中文導讀版）

理查德·G. 萊昂斯（Richard G. Lyons）美國系統工程師，Besser Associates培訓講師；深耕信號處理行業多年，曾出任諾斯羅普·格魯曼公司（Northrop Grumman）信號處理系統首席工程師，還在加利福尼亞大學聖克魯茲分校主講DSP課程；發表多篇數字信號處理領域佳作；兼任《IEEE信號處理》雜誌副主編，負責“DSP技巧與方法”專欄運營，並持續為專欄撰文分享專業見解。譯者簡介張曉光中國礦業大學教授，“數字信號處理”與“現代信號處理”課程負責人。主持國家及江蘇省自然科學基金、中國高校產學研創新基金、江蘇省教育廳及教育部高等學校電子信息類專業教學指導委員會教改項目等多項課題。獲江蘇省教學成果獎一等獎、二等獎，全國煤炭行業教學成果獎特等獎（排名第一），中國石油教育學會石油高等教育教學成果獎特等獎（排名第一）。作為核心成員（排名第二）建成“數字信號處理”國家級線上一流本科課程、線上線下混合式一流本科課程；共同主編《數字信號處理原理及實現》（第4版），主編《現代數字信號處理——使用MATLAB分析與實現（新形態版）》等。以第一完成人獲全國電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽（鼎陽杯）一等獎及**創意獎、江蘇省高校教師教學創新大賽二等獎等獎勵20余項。兼任高等學校電路和信號系統教學與教材研究會理事、江蘇省高等教育學會電子信息類專業教學研究會理事。

目錄

 

 

目錄

 

 

Chapter 1Discrete Sequences and Systems

 

 

 

1.1Discrete Sequences and Their Notation

 

1.2Signal Amplitude, Magnitude, Power

 

1.3Signal Processing Operational Symbols

 

1.4Introduction to Discrete Linear TimeInvariant 

Systems

 

1.5Discrete Linear Systems

 

1.6TimeInvariant Systems

 

1.7The Commutative Property of Linear TimeInvariant Systems

 

1.8Analyzing Linear TimeInvariant Systems

 

 

 

Chapter 2Periodic Sampling

 

2.1Aliasing: Signal Ambiguity in the Frequency Domain

 

2.2Sampling Lowpass Signals

 

2.3Sampling Bandpass Signals

 

2.4Practical Aspects of Bandpass Sampling

 

 

 

Chapter 3The Discrete Fourier Transform

 

3.1Understanding the DFT Equation

 

3.2DFT Symmetry

 

3.3DFT Linearity

 

3.4DFT Magnitudes

 

3.5DFT Frequency Axis

 

3.6DFT Shifting Theorem

 

3.7Inverse DFT

 

3.8DFT Leakage

 

3.9Windows

 

3.10DFT Scalloping Loss

 

3.11DFT Resolution, Zero Padding, and FrequencyDomain Sampling

 

3.12DFT Processing Gain

 

3.13The DFT of Rectangular Functions

 

3.14Interpreting the DFT Using the DiscreteTime Fourier Transform

 

 

 

Chapter 4The Fast Fourier Transform

 

4.1Relationship of the FFT to the DFT

 

4.2Hints on Using FFTs in Practice

 

4.3Derivation of the Radix2 FFT Algorithm

 

4.4FFT Input/Output Data Index Bit Reversal

 

4.5Radix2 FFT Butterfly Structures

 

4.6Alternate SingleButterfly Structures

 

 

 

Chapter 5Finite Impulse Response Filters

 

5.1An Introduction to Finite Impulse Response(FIR) 

Filters

 

5.2Convolution in FIR Filters

 

5.3Lowpass FIR Filter Design

 

5.4Bandpass FIR Filter Design

 

5.5Highpass FIR Filter Design

 

5.6ParksMcClellan Exchange FIR Filter Design Method

 

5.7Halfband FIR Filters

 

5.8Phase Response of FIR Filters

 

5.9A Generic Description of Discrete Convolution

 

5.10Analyzing FIR Filters

 

 

 

Chapter 6Infinite Impulse Response Filters

 

6.1An Introduction to Infinite Impulse Response Filters

 

6.2The Laplace Transform

 

6.3The zTransform

 

6.4Using the zTransform to Analyze IIR Filters

 

6.5Using Poles and Zeros to Analyze IIR Filters

 

6.6Alternate IIR Filter Structures

 

6.7Pitfalls in Building IIR Filters

 

6.8Improving IIR Filters with Cascaded Structures

 

6.9Scaling the Gain of IIR Filters

 

6.10Impulse Invariance IIR Filter Design Method

 

6.11Bilinear Transform IIR Filter Design Method

 

6.12Optimized IIR Filter Design Method

 

6.13A Brief Comparison of IIR and FIR Filters

 

 

 

Chapter 7Specialized Digital Networks and 

Filters

 

7.1Differentiators

 

7.2Integrators

 

7.3Matched Filters

 

7.4Interpolated Lowpass FIR Filters

 

7.5Frequency Sampling Filters: The Lost Art

 

 

 

Chapter 8Quadrature Signals

 

8.1Why Care about Quadrature Signals?

 

8.2The Notation of Complex Numbers

 

8.3Representing Real Signals Using Complex Phasors

 

8.4A Few Thoughts on Negative Frequency

 

8.5Quadrature Signals in the Frequency Domain

 

8.6Bandpass Quadrature Signals in the Frequency 

Domain

 

8.7Complex DownConversion

 

8.8A Complex DownConversion Example

 

8.9An Alternate DownConversion Method

 

 

 

Chapter 9The Discrete Hilbert Transform

 

9.1Hilbert Transform Definition

 

9.2Why Care about the Hilbert Transform?

 

9.3Impulse Response of a Hilbert Transformer

 

9.4Designing a Discrete Hilbert Transformer

 

9.5TimeDomain Analytic Signal Generation

 

9.6Comparing Analytic Signal Generation Methods

 

 

 

Chapter 10Sample Rate Conversion

 

10.1Decimation

 

10.2TwoStage Decimation

 

10.3Properties of Downsampling

 

10.4Interpolation

 

10.5Properties of Interpolation

 

10.6Combining Decimation and Interpolation

 

10.7Polyphase Filters

 

10.8TwoStage Interpolation

 

10.9zTransform Analysis of Multirate Systems

 

10.10Polyphase Filter Implementations

 

10.11Sample Rate Conversion by Rational Factors

 

10.12Sample Rate Conversion with Halfband Filters

 

10.13Sample Rate Conversion with IFIR Filters

 

10.14Cascaded IntegratorComb Filters

 

 

 

Chapter 11Signal Averaging

 

11.1Coherent Averaging

 

11.2Incoherent Averaging

 

11.3Averaging Multiple Fast Fourier Transforms

 

11.4Averaging Phase Angles

 

11.5Filtering Aspects of TimeDomain Averaging

 

11.6Exponential Averaging

 

 

 

Chapter 12Digital Data Formats and Their 

Effects

 

12.1FixedPoint Binary Formats

 

12.2Binary Number Precision and Dynamic Range

 

12.3Effects of Finite FixedPoint Binary Word Length

 

12.4FloatingPoint Binary Formats

 

12.5Block FloatingPoint Binary Format

 

 

 

Chapter 13Digital Signal Processing Tricks

 

13.1Frequency Translation without Multiplication

 

13.2HighSpeed Vector Magnitude Approximation

 

13.3FrequencyDomain Windowing

 

13.4Fast Multiplication of Complex Numbers

 

13.5Efficiently Performing the FFT of Real Sequences

 

13.6Computing the Inverse FFT Using the Forward FFT

 

13.7Simplified FIR Filter Structure

 

13.8Reducing A/D Converter Quantization Noise

 

13.9A/D Converter Testing Techniques

 

13.10Fast FIR Filtering Using the FFT

 

13.11Generating Normally Distributed Random Data

 

13.12ZeroPhase Filtering

 

13.13Sharpened FIR Filters

 

13.14Interpolating a Bandpass Signal

 

13.15Spectral Peak Location Algorithm

 

13.16Computing FFT Twiddle Factors

 

13.17Single Tone Detection

 

13.18The Sliding DFT

 

13.19The Zoom FFT

 

13.20A Practical Spectrum Analyzer

 

13.21An Efficient Arctangent Approximation

 

13.22Frequency Demodulation Algorithms

 

13.23DC Removal

 

13.24Improving Traditional CIC Filters

 

13.25Smoothing Impulsive Noise

 

13.26Efficient Polynomial Evaluation

 

13.27Designing Very HighOrder FIR Filters

 

13.28TimeDomain Interpolation Using the FFT

 

13.29Frequency Translation Using Decimation

 

13.30Automatic Gain Control(AGC)

 

13.31Approximate Envelope Detection

 

13.32A Quadrature Oscillator

 

13.33Specialized Exponential Averaging

 

13.34Filtering Narrowband Noise Using Filter Nulls

 

13.35Efficient Computation of Signal Variance

 

13.36Realtime Computation of Signal Averages and Variances

 

13.37Building Hilbert Transformers from Halfband 

Filters

 

13.38Complex Vector Rotation with Arctangents

 

13.39An Efficient Differentiating Network

 

13.40LinearPhase DCRemoval Filter

 

13.41Avoiding Overflow in Magnitude Computations

 

13.42Efficient Linear Interpolation

 

13.43Alternate Complex Downconversion Schemes

 

13.44Signal Transition Detection

 

13.45Spectral Flipping around Signal Center Frequency

 

13.46Computing Missing Signal Samples

 

13.47Computing Large DFTs Using Small FFTs

 

13.48Computing Filter Group Delay without Arctangents

 

13.49Computing a Forward and Inverse FFT Using a 

Single FFT

 

13.50Improved Narrowband Lowpass IIR Filters

 

13.51A Stable Goertzel Algorithm

 

 

 

Appendix ATHE ARITHMETIC OF COMPLEX NUMBERS

 

Appendix BCLOSED FORM OF A GEOMETRIC SERIES

 

Appendix CTIME REVERSAL AND THE DFT

 

Appendix DMEAN, VARIANCE, AND STANDARD DEVIATION

 

Appendix EDECIBELS(DB AND DBM)

 

Appendix FDIGITAL FILTER TERMINOLOGY

 

Appendix GFREQUENCY SAMPLING FILTER DERIVATIONS

 

Appendix HFREQUENCY SAMPLING FILTER DESIGN TABLES

 

Appendix ICOMPUTING CHEBYSHEV WINDOW SEQUENCES

 

 

第1章離散序列與系統

 

1.1離散序列及其表示法

 

1.2信號幅度、模值與功率

 

1.3信號處理運算符號

 

1.4離散線性時不變系統簡介

 

 

1.5離散線性系統

 

1.6時不變系統

 

1.7線性時不變系統的交換律性質

 

 

1.8線性時不變系統分析

 

 

 

第2章周期采樣

 

2.1混疊： 頻域中的信號模糊性

 

2.2低通信號的采樣

 

2.3帶通信號的采樣

 

2.4帶通采樣的實際考量

 

 

 

第3章離散傅裏葉變換（DFT）

 

3.1理解DFT方程

 

3.2DFT的對稱性

 

3.3DFT的線性特性

 

3.4DFT的幅度

 

3.5DFT的頻率軸

 

3.6DFT的移位定理

 

3.7逆離散傅裏葉變換

 

3.8DFT泄漏效應

 

3.9窗函數

 

3.10DFT的柵欄效應

 

3.11DFT的分辨率、補零與頻域采樣

 

 

3.12DFT的處理增益

 

3.13矩形函數的DFT

 

3.14利用離散時間傅裏葉變換解釋DFT

 

 

 

 

第4章快速傅裏葉變換（FFT）

 

4.1FFT與DFT的關系

 

4.2實際使用FFT的要點

 

4.3基2 FFT算法的推導

 

4.4FFT輸入/輸出數據索引的倒位序排列

 

4.5基2 FFT的蝶形運算結構

 

4.6其他單蝶形結構

 

 

 

第5章有限沖激響應（FIR）濾波器

 

5.1FIR濾波器簡介

 

 

5.2FIR濾波器中的卷積

 

5.3低通FIR濾波器設計

 

5.4帶通FIR濾波器設計

 

5.5高通FIR濾波器設計

 

5.6ParksMcClellan交換法FIR濾波器

設計

 

5.7半帶FIR濾波器

 

5.8FIR濾波器的相位響應

 

5.9離散卷積的通用描述

 

5.10FIR濾波器分析

 

 

 

第6章無限沖激響應（IIR）濾波器

 

6.1IIR濾波器簡介

 

6.2拉普拉斯變換

 

6.3z變換

 

6.4使用z變換分析IIR濾波器

 

6.5使用極點和零點分析IIR濾波器

 

6.6其他IIR濾波器結構

 

6.7構建IIR濾波器的陷阱

 

6.8使用級聯結構改進IIR濾波器

 

6.9IIR濾波器的增益縮放

 

6.10沖激響應不變法IIR濾波器設計

 

6.11雙線性變換法IIR濾波器設計

 

6.12最優化IIR濾波器設計方法

 

6.13IIR與FIR濾波器簡要比較

 

 

 

第7章專用數字網絡與濾波器

 

 

7.1微分器

 

7.2積分器

 

7.3匹配濾波器

 

7.4插值低通FIR濾波器

 

7.5頻率采樣濾波器： 失傳的藝術

 

 

 

第8章正交信號

 

8.1為何關註正交信號

 

8.2復數表示法

 

8.3使用復相量表示實信號

 

8.4關於負頻率的一些思考

 

8.5頻域中的正交信號

 

8.6頻域中的帶通正交信號

 

 

8.7復數下變頻

 

8.8復數下變頻示例

 

8.9另一種下變頻方法

 

 

 

第9章離散希爾伯特變換

 

9.1希爾伯特變換定義

 

9.2為何需要關註希爾伯特變換

 

9.3希爾伯特變換器的沖激響應

 

9.4設計離散希爾伯特變換器

 

9.5時域解析信號生成

 

9.6解析信號生成方法比較

 

 

 

第10章采樣率轉換

 

10.1抽取

 

10.2兩級抽取

 

10.3降采樣特性

 

10.4插值

 

10.5插值特性

 

10.6抽取與插值的結合

 

10.7多相濾波器

 

10.8兩級插值

 

10.9多速率系統的z變換分析

 

10.10多相濾波器的實現

 

10.11基於有理因子的采樣率轉換

 

10.12使用半帶濾波器進行采樣率轉換

 

10.13使用IFIR濾波器進行采樣率轉換

 

10.14級聯積分梳狀濾波器

 

 

 

第11章信號平均

 

11.1相幹平均

 

11.2非相幹平均

 

11.3平均多個快速傅裏葉變換

 

11.4平均相位角

 

11.5時域平均的濾波特性

 

11.6指數平均

 

 

 

第12章數字數據格式及其影響

 

 

12.1定點二進制格式

 

12.2二進制數的精度與動態範圍

 

12.3有限字長定點二進制的影響

 

12.4二進制浮點數格式

 

12.5二進制塊浮點數格式

 

 

 

第13章數字信號處理技巧

 

13.1無須乘法的頻率搬移

 

13.2高速矢量幅度近似計算

 

13.3頻域加窗

 

13.4復數快速乘法

 

13.5高效計算實序列的FFT

 

13.6利用正向FFT計算逆FFT

 

 

13.7簡化的FIR濾波器結構

 

13.8降低模數轉換器的量化噪聲

 

13.9模數轉換器測試技術

 

13.10使用FFT進行快速FIR濾波

 

13.11生成正態分布隨機數據

 

13.12零相位濾波

 

13.13銳化FIR濾波器

 

13.14帶通信號插值

 

13.15頻譜峰值定位算法

 

13.16計算FFT旋轉因子

 

13.17單音檢測

 

13.18滑動DFT

 

13.19縮放FFT

 

13.20實用頻譜分析儀

 

13.21高效的反正切近似算法

 

13.22頻率解調算法

 

13.23直流分量去除

 

13.24改進傳統CIC濾波器

 

13.25平滑脈沖噪聲

 

13.26高效的多項式求值

 

13.27設計超高階FIR濾波器

 

13.28使用FFT進行時域插值

 

13.29利用抽取進行頻率變換

 

13.30自動增益控制

 

13.31近似包絡檢測

 

13.32正交振蕩器

 

13.33專用指數平均

 

13.34利用濾波器零點濾除窄帶噪聲

 

13.35信號方差的高效計算

 

13.36信號均值與方差的實時計算

 

 

13.37基於半帶濾波器構建希爾伯特

變換器

 

13.38使用反正切運算的復矢量旋轉

 

13.39高效微分網絡

 

13.40線性相位直流分量去除濾波器

 

13.41避免幅度計算中的溢出

 

13.42高效線性插值

 

13.43其他復數下變頻方案

 

13.44信號跳變檢測

 

13.45圍繞信號中心頻點的頻譜翻轉

 

13.46計算缺失的信號樣本

 

13.47利用小型FFT計算大型DFT

 

13.48無須反正切運算計算濾波器群

延遲

 

13.49使用單個FFT計算正向與

逆向FFT

 

13.50改進的窄帶低通IIR濾波器

 

13.51穩定的Goertzel算法

 

 

 

附錄A復數運算（電子資源）

 

 

附錄B幾何級數的閉合形式（電子資源）

 

附錄C時間反轉與DFT（電子資源）

 

附錄D均值、方差與標準差（電子資源）

 

 

附錄E分貝（dB與dBm）（電子資源）

 

附錄F數字濾波器術語（電子資源）

 

附錄G頻率采樣濾波器的推導（電子資源）

 

 

附錄H頻率采樣濾波器設計表（電子資源）

 

 

附錄I切比雪夫窗序列計算（電子資源）