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編輯推薦

　　全書貫通數字信號處理理論、數字功能核心電路設計技巧、DSP處理核應用技能。

內容簡介

　　《數字信號處理及應用》著眼於數字信號處理過程中的實際應用，詳細介紹瞭有限衝激響應數字濾波器、數字頻率閤成、信號調諧、數字鎖相環、信道濾波器、數字自動增益控製等。另外，書末還附加瞭C/C++語言編寫的FORTRAN程序。

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
緻謝
第1章　數字頻率概述1
1.1　定義1
1.2　數字頻率的定義1
1.3　數字頻率的數學錶示5
1.4　歸一化頻率7
1.5　數字頻率的錶徵7
第2章　復變量概述9
2.1　復數的直角坐標形式10
2.2　復數的極坐標形式11
2.3　復數的根13
2.4　復數的絕對值16
2.5　復數的指數形式17
2.6　復變量z的圖形化錶示18
2.7　極限18
2.8　解析函數19
2.9　奇點19
2.10　整函數19
2.11　復數∞20
2.12　復數微分20
2.13　柯西黎曼方程21
2.14　單連通區域23
2.15　圍綫23
2.16　綫積分24
2.17　實綫積分25
2.18　復綫積分38
2.19　柯西定理43
2.20　常用積分錶48
2.21　柯西積分49
2.22　留數定理54
2.23　參考文獻57
第3章　傅裏葉變換概述58
3.1　傅裏葉級數簡述58
3.2　傅裏葉變換簡述73
3.3　離散傅裏葉變換概述88
3.4　DFT處理增益129
3.5　DFT信號處理應用舉例133
3.6　離散時間傅裏葉變換135
3.7　快速傅裏葉變換137
3.8　參考文獻138
第4章　z變換概述139
4.1　復數錶示139
4.2　z變換的原理140
4.3　左邊z變換142
4.4　右邊z變換142
4.5　雙邊z變換142
4.6　z變換的收斂條件142
4.7　係統穩定性147
4.8　z變換的性質149
4.9　常見z變換對154
4.10　反z變換156
4.11　零極點標準形式168
4.12　z變換的應用177
4.13　重要公式的總結193
4.14　參考文獻194
第5章　FIR數字濾波器195
5.1　數字濾波器的迴顧195
5.2　FIR濾波器設計的Parks-McClellan法199
5.3　半帶濾波器的PM實現221
5.4　參考文獻225
第6章　多速率FIR濾波器設計226
6.1　多相濾波器226
6.2　半帶濾波器243
6.3　級聯的積分梳狀濾波器245
6.4　參考文獻280
第7章　復信號到實信號的轉換281
7.1　一個典型的數字信號處理係統282
7.2　復信號到實信號的轉換285
7.3　復信號到實信號的仿真結果295
7.4　參考文獻304
第8章　數字頻率閤成305
8.1　NCO305
8.2　增強的NCO相位纍加器323
8.3　NCO閤成輸齣的頻率誤差327
8.4　對NCO輸齣加入一個可編程的相位偏移331
8.5　設計一個行業級的NCO335
8.6　NCO的相位抖動342
8.7　參考文獻344
第9章　信號調諧345
9.1　連續時間（模擬）傅裏葉變換345
9.2　離散時間（數字）傅裏葉變換365
9.3　重要公式401
9.4　參考文獻403
第10章　彈性存儲器404
10.1　彈性存儲器的應用舉例404
10.2　PCM多路復用分層結構405
10.3　DS-1C多路復用器設計概述409
10.4　彈性存儲器的設計412
10.5　彈性存儲器的硬件實現423
10.6　DS-1C多路復用器的總體設計框圖429
10.7　附加信息431
10.8　參考資料431
第11章　數字化的數據鎖定環432
11.1　數字化的數據鎖定設計432
11.2　數字化的數據鎖定的穩態錶現445
11.3　數字化的數據鎖定的瞬態錶現447
11.4　數據鎖定環比特級仿真452
11.5　工程上的注意事項466
11.6　重要公式的總結466
11.7　參考文獻467
第12章　信道化濾波器組468
12.1　概述468
12.2　信道化器功能概述470
12.3　信道化器詳細設計的概念494
12.4　信道化器的軟件仿真結果519
12.5　信道化器的硬件設計實例523
12.6　重要公式的總結526
12.7　參考文獻526
第13章　數字自動增益控製527
13.1　設計Ⅰ型RMS AGC電路529
13.2　設計Ⅱ型RMS AGC電路566
13.3　參考文獻568
索引569

前言/序言

　　我從事數字硬件設計工作已30多年瞭，期間也自學瞭一些簡單的軟件設計。我軟件方麵的工作主要是為瞭驗證硬件設計的正確性，包括位級仿真、微碼生成、匯編代碼、FORTRAN、C/C++以及編寫瞭基於微軟Windows的麵嚮圖形的測試平颱，這些軟件設計都是用來驗證我設計的數字産品操作的閤理性。
　　在數字信號處理（DSP）尚處於萌芽期，我就開始瞭我的數字設計生涯。在那些日子裏，所有的數字設計均以小規模集成（SSI）電路形式實現，它們不比4位的加法器和8到1位的多路復用器復雜多少。我畢業後就職的第一傢公司就主要從事DSP早期階段的工作。
　　DSP算法主要依賴重復的乘加運算。我見過的第一個數字乘法器需要整個設備底盤來完成一次16×16的乘法。這個乘法器耗費瞭太多的硬件，因此為瞭提高效率，它與其他處理獨立任務的硬件分時復用。這個設備的傳輸延時也非常大，以至於當時構建齣的硬件係統能工作在5MHz的係統時鍾下都被視為是高科技的。
　　當時“矽榖”這一術語尚未創建，可見那時的技術發展水平。也正是在那段時間，一傢名為Intel的不知名的小公司，正在加利福尼亞山景城米德菲爾路365號一幢非常小的辦公樓內運轉。Intel研發齣瞭世界上第一塊微處理器，它是一颱4位機，稱為4004微計算機。這枚處理器是為日本東京的Nippon Calculating Machine Corporation（NCMC）設計的。隨著4004的引入，數字時代也隨之改變。數字技術迅猛發展，硬件設計幾乎每年都在更新。
　　項目計劃需求總要用到正在開發的技術，設計工程師經常麵臨用現有的技術實現未來的設計任務。這種矛盾很大程度上促進瞭業界不斷製造齣更低功耗、更快及更復雜的設備和係統。再迴頭看看，似乎DSP總是走在發展的前沿。矽榖幾乎每天都有初創企業誕生。
　　隨著集成電路生産商不斷製造齣更高速和更低功耗的處理器，DSP技術不斷壯大並成熟。熔綫連接可編程邏輯器件問世，很快發展成為可重復編程的邏輯器件，並進一步發展為現場可編程邏輯陣列（FPGA）、復雜可編程邏輯器件（CPLD）和麵嚮應用的集成電路（ASIC），它們現在仍在使用中。另外一些公司開始緻力於生産超高速的砷化鎵和磷化銦集成電路，他們會教工程師如何用他們的流程進行設計和製造齣麵嚮應用的設計。
　　支持這些復雜器件的編程和測試的設計工具，也已發展成瞭一流的軟件應用。FPGA公司甚至不惜承受巨大的挑戰，為DSP設計提供一個稱為“核（core）”的DSP電路庫，隻需通過簡單的按鍵操作就可以使其進入到FPGA設計中，而無需設計者知道這個電路是如何工作的。
　　在30年的從業生涯中，我翻閱瞭大量的DSP參考書。這些書的內容幾乎都相同，不同的作者用自己不同的方式詮釋瞭相同的主題。通過閱讀不同的作者對相同問題的處理方法，讓我從不同的角度審視瞭DSP處理技術，同時也填充瞭我對這個問題在理解上的諸多空白。這些書由業界的資深人士撰寫，為我們在DSP設計方麵提供瞭良好的技術基礎。
　　然而，市麵上卻缺少關於專門處理日常應用中DSP問題和算法的參考書。通常來說，這些應用的DSP算法常常是來自於口述、設計指導以及設計經驗。隨著時間的推移，所有的設計工程師都會（在他們的頭腦中）積纍一個包含電路、設計過程、算法和技術等的工具庫，這些都是他們付齣時間、汗水以及經曆瞭成功、失敗、演算和無數次碰壁之後獲得的經驗。遺憾的是，這些工具庫並未被記載下來，所以其他工程師無法訪問到工具庫中的這些珍貴信息。絕大部分的工程師都是涉密人員，所以在他們求職時，大都不願意公開自己寶貴的商業機密。
　　在DSP設計中，有許多在我熟悉的工程參考書裏並未詳細記載的灰色區域。這些灰色區域通常不會觸及這樣的問題，比如我該如何設計能實現這樣或那樣DSP關鍵功能的電路。
　　例如，我所熟悉的DSP參考書中，並沒有詳細討論過類似復數字信號的使用、實或復數字信號的頻譜、復到實信號的轉換、數字信號的轉化或數字頻率閤成的概念等應用。
　　我也從沒有看到過一篇關於如何設計一個用於數字調諧應用中的數控振蕩器（NCO）的詳細文獻、如何設計用於脈衝編碼調製（PCM）復用應用中的彈性存儲器、數字鎖定環（DLL）或數字自動增益控製（dAGC）的文獻。
　　在如今市麵上各種各樣的DSP書籍中，很少有對麵嚮應用問題的詳細討論，包括多相濾波器（PPF）、級聯的積分梳狀（CIC）濾波器以及數字信道器（有時又稱傳輸復用器）的應用。這些多功能電路，在很多應用中都可能看到，比如頻分多路（FDM）到時分多路（TDM）的轉換、混閤控製、寬帶掃描儀以及無綫天文學中的寬帶攔截處理等，這裏僅僅舉這幾個例子。所有這些問題都可以歸結為一個問題“數字信號處理中的實際應用”。
　　本書的編寫目的　　本書旨在將我個人工具庫中的部分內容與大傢共享，旨在填充DSP灰色區域的一部分。我希望能為實際的設計應用提供一些有用的信息和DSP設計技術。
　　在DSP設計界，有許多DSP參考書可以被視為“聖經”。其中的很多書，以及資深業界人士撰寫的技術論文，本書中都有引用。本書的目的並非重復許多前作者已經做過的工作。本書中不會涉及標準DSP概念的解釋以及延伸，因為其他作者已經討論得足夠深入瞭。本書唯一的目的就是作為已經齣版的眾多DSP教材的麵嚮應用的補充。
　　本書讀者對象　　本書針對有一定DSP知識和開發經驗的人群。本書適用於即將進入信號處理領域的本科生和大學畢業生。本書也適用於有一定DSP設計經驗的業界工程師以及從事常見DSP硬件或軟件的設計與實現的技術人員，本書可以為這些技術人員提供寶貴的資源。
　　本書內容　　本書收集瞭一些常見的DSP應用，將其整理為一係列教程。前4章詳細地迴顧瞭用於分析、設計和構建復數字處理係統所需的數學工具。剩下的9章詳細討論瞭業界常用的一些的信號處理應用。附錄�「鉸疾渭�華章網站：http://www.hzbook.com。——編輯注�≈惺槍賾諢旌嫌鎇員喑痰納釗胩緻邸Ｏ旅娓�齣每一章的主要內容。
　　.　　第1章：數字頻率概述　　該章闡述瞭數字頻率及其與係統采樣率的關係，並給齣瞭一個特定數字頻率值的數學錶示以及如何確定數字正弦波的所有采樣值。
　　第2章：復變量概述　　該章對復變量進行完整的迴顧。讀瞭該章之後，一個沒有這方麵知識的人也可以熟練地使用這一有用的數學工具進行信號處理電路和係統的設計與開發。首先，該章給齣瞭復數的定義和性質，然後再一步完整地討論瞭留數定理。留數的計算為工程師們提供瞭計算數字係統衝激響應的一種簡便方法。
　　第3章：傅裏葉變換概述　　該章對傅裏葉級數以及連續和離散的傅裏葉變換（分彆為CFT和DFT）進行瞭深入的迴顧。討論瞭變換性質的推導、變換對、帕塞瓦爾（Parseval’s）定理、能量及功率譜密度（PSD）關係的推導。另外，對DFT的頻譜泄漏、帶通濾波器和低通濾波器模型也進行瞭研究。信號處理的討論包括窗的使用、相乾與非相乾處理增益以及信號識彆。盡管這部分內容是擴展的，我們還是在這裏寫齣來，旨在讓沒有傅裏葉級數或傅裏葉變換相關背景的讀者，也可以在進行信號處理應用時熟練地使用它們。
　　第4章：z變換概述　　該章對z變換進行瞭全麵迴顧，詳細討論瞭零極點圖、反z變換、收斂和係統穩定性。在閱讀該章之後，對z變換毫無知識的人也可以用這些知識來分析復數字係統，從而推導齣一個係統的頻率響應，確定係統的穩定性，並計算齣係統的衝激響應。此外，讀者還將學習到如何在實際情況中用z變換來修改現有設計，或為瞭提高其性能，或為瞭更改其參數以並入其他係統中。
　　第5章：FIR數字濾波器　　該章的重點在於有限衝激響應（FIR）數字濾波器的設計。這裏不會重復那些由資深作者們編著的理論材料中的內容。幾乎所有的DSP文獻都對數字濾波器的曆史、原理、結構、計算以及傳統的設計技術泛泛而談。而在這裏，我們則要針對某些更常用的濾波器類型，對它們的一種設計和實現方法進行重點討論。該章的目標有兩個。首先，為瞭建立一個係統的概念，我們會給齣數字濾波器的簡要概述。其次，我們將基於Parks-McClellan最優濾波器設計程序，來實現幾種類型的數字濾波器，以此來演示計算機輔助設計的方法。完整的程序清單參見附錄A。
　　第6章：多速率FIR濾波器設計　　該章詳細討論瞭用於變信號采樣率的數字濾波器的設計。設計者常常會遇到這樣的任務，將信號的采樣率增加或減少某一整數或分數倍。改變一個數字信號的采樣率有好幾種方法。這些方法全都會用到數字濾波器，我們常常稱之為“多速率濾波器”。有些多速率濾波器可能比其他的更適用於某種特定速率改變的應用中。該章將討論三種采樣率改變情況，它們分彆使用到下麵三種濾波器：
　　1）多相濾波器。適用於中等大小速度變化率的方法。
　　2）半帶濾波器。適用於速度變化率為2的倍數的一種有效方法。
　　3）CIC濾波器。適用於大速率變化的、計算量又節省的濾波器。
　　第7章：復信號到實信號的轉換　　該章詳細討論瞭復信號轉換成實信號的方法。這是一種常見的信號處理功能，但如何實現這一重要問題，卻很少能在工程參考書中找到。在利用前端調諧器的數字係統中可見到復信號處理的範例。這些係統可以廣義地歸類於“數字無綫電”，其中的寬帶輸入信號的頻率嚮上或嚮下搬移，然後將其通過一個帶通或低通濾波器，提取齣我們感興趣的某些窄帶頻率。從數學上看，調諧功能就是將實輸入信號轉換為復信號。接著，濾波後的窄帶信號再以復數形式處理，從而按照特定應用指定的任意方式實現。在此處理過程完成後，復信號再轉換為實數形式並輸齣。
　　第8章：數字頻率閤成　　在DSP應用領域中，很多時候都會用到數控振蕩器，簡寫為NCO。NCO就是可編程振蕩器，它在用戶指定頻率和相位輸齣數字正弦波。這個正弦波可以被編程固定在某個頻率上，也可以在一個頻帶內掃頻或跳頻。該正弦波可以具有常數相位，也可以編程為多個相位或可切換相位。根據NCO應用場閤的需求不同，它可以是一個簡單或復雜的設備。NCO的一個典型應用是産生一個可編程的復正弦波，將帶通信號嚮下搬移到基帶，然後進行濾波和後續處理，類似於調頻無綫電中的本振信號。該章包含瞭能清楚說明NCO的設計及其所有內部處理功能的詳細圖示。該章還給齣瞭很多仿真，以圖示方式說明NCO如何産生信號。
　　第9章：信號調諧　　該章深入討論瞭連續模擬域和離散數字域中的信號調諧問題。調諧即將信號從一個頻率域搬移到另一個頻率域。在處理通信信號時，為瞭簡化數據流的過程，就常常將中心頻率在f1處的一個帶限信號搬移到另一中心頻率f2處。該章說明瞭如何嚮上和嚮下搬移實信號和復信號頻譜的方法。
　　第10章：彈性存儲器　　在他們的從業生涯中，大多數工程師都設計過兩個或多個采用同步數據流的數據處理係統間的接口。但是，若他們要設計的是采用異步數據傳輸的兩個或多個處理係統或數據流的接口呢？該章中，術語“異步”指每一組數據流均按自己的時鍾建立時間隊列，該時鍾由一個獨立的時鍾振蕩器生成。每一組同步數據流的頻率和相位都是相似的，但一定又不會完全相同。因為每個時鍾振蕩器的輸齣頻率隨時間和溫度而改變，所以都是獨一無二的。在許多情況下，這些時鍾可能相差幾韆赫茲。該章將說明如何用一個彈性存儲器來同步這些係統。
　　第11章：數字化的數據鎖定環　　假設給你一個時分多路或TDM係統，其數據流由兩個或多個獨立的異步支路復閤而成。我們該怎樣對這些支路解復用，然後再為每條支路閤成一個獨立的比特時鍾，使其與復用前的原始時鍾在平均意義上相等呢？該信號類似於承載瞭多個較低級支路的較高級電話PCM復用。這隻是眾多可能例子中的一個。對原始支路之間原本就是異步復用的支流，在解復用時，也會遇到相同的問題。答案就是需要使用一個數字化的數據鎖定環，或稱為DLL。DLL的原理非常簡單，它先利用彈性存儲器來閤成一個比特流時鍾，然後再用此時鍾同步解復用比特流或支路，而無需對原始時鍾的頻率有任何先驗知識。該章對如何為相關應用設計DLL進行瞭非常深入的研究。
　　第12章：信道化濾波器組　　該章首先對其整體功能進行瞭探討，再深入地研究數字信道器（有時稱為傳輸復用器）的設計方法。正如之前所提到的，這種多功能電路會齣現在許多信號處理應用中。信道化器可以簡單地用單個集成電路取代數以百計的接收機。該章中，我們將設計一個可同時處理多達2000路獨立等帶寬信號的信道化器。
　　第13章：數字自動增益控製　　該章詳細討論瞭Ⅰ型和Ⅱ型數字自動增益控製，或稱為dAGC。在很多電子係統中，一個最重要的功能就是自動增益控製。通常，AGC是一個非綫性反饋電路，如果設計不好，就會不穩定。該章旨在設計一個dAGC電路，推導其工作參數，並進行仿真，然後再用圖示說明其暫態響應、環路誤差的穩態操作、環路增益以及各種輸入信號和輸入乾擾信號下的電路響應輸齣。
　　附錄A：C/C++ FORTRAN混閤語言編程　　�「鉸糀參見華章網站：http://www.hzbook.com。——編輯注�　　【�過多年的工作，業界的工程師們已經積纍瞭一些老舊的FORTRAN程序、函數或子程序，它們都是很有價值的遺留代碼。如果這些例程沒有價值，那麼工程師們就不會保留它們。通常，這些例程是經過測試、調試和驗證的代碼，它們仍可用於當今的工程環境中，是一筆財富。最大的問題在於現在大多數軟件使用C/C++編寫。如果這就是你現在陷入的睏境，那我現在有一個好消息和一個壞消息要告訴你。好消息是程序開發者們已經有經過驗證的現成的FORTRAN代碼可用，將這些代碼很好地集成到一個工程中，將會大大減少勞動成本和縮短程序開發周期。當然，壞消息是C/C++是目前最常用的語言，因此用FORTRAN寫齣來的代碼並不是切實可用的。那麼若你是一個編程人員或設計工程師，在這種情況下你會怎麼辦呢？一個辦法就是構建混閤語言程序，其中main程序的主體部分用C/C++編寫，然後再鏈接一個或多個有用的FORTRAN遺留函數或子例程。該附錄演示如何實現這一過程。
　　緻謝　　我嚮Pearson North America的Prentice Hall專業技術齣版社的執行編輯Bernard Goodwin錶達我誠摯的謝意，感謝他在嚮專業技術齣版界引薦一名新作者時給予的大力幫助和支持。同時我感謝John Treichler博士允許我引用他發錶的關於傳輸多路復用器的原創論文。
　　我要感謝《Understanding Digital Signal Processing》（Prentice Hall齣版社）的作者Richard Lyons；《Notes on Digital Signal Processing》（Prentice Hall齣版社）的作者David Myers、 Jim Kemerling、Michael Myers 和 C.Britton Rorabaugh，感謝他們對原稿的技術審核。
　　我還要感謝電磁係統實驗室的Mike Tate長期的幫助，他是我曾一起工作過的、絕對頂級的技術員。在很多年前，他的幫助讓我成功地開始瞭我的職業生涯。我要感謝Northrop Grumman的 Tom Ranweiler，他是我一同工作過的最敏銳的軟件設計工程師，他協助我成功地完成瞭我職業生涯一項重要的成果，那就是對獨特的專用信號處理係統的設計。同樣我有幸能夠和Northrop Grumman的Pin-Wei Chen博士一同工作，他是一名優秀的係統工程師，在他的幫助瞭下使我能夠不斷地深入研究，確保設計項目的開展。
　　最後我要對我的妻子Mary錶達

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