全相位数字谱分析方法 [All-Phase Digital Spectral Analysis Method] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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黄翔东，王兆华 著

图书标签:

• 数字信号处理
• 谱分析
• 相位分析
• 傅里叶变换
• 时频分析
• 信号处理
• 数字滤波
• 通信系统
• 雷达信号
• 图像处理

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030510907

版次：1

商品编码：12114974

包装：精装

外文名称：All-Phase Digital Spectral Analysis Method

开本：16开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：333

字数：421000

正文语种：中文

内容简介

　　《全相位数字谱分析方法》系统地阐述新的信号检测方法——全相位数字谱分析方法，此方法解决了现有谱分析存在的谱泄漏突出和相位谱模糊的问题。
　　《全相位数字谱分析方法》将系统论述全相位谱分析理论的来源、原理、应用价值，涉及的内容包括全相位数据预处理、全相位FFT频谱分析、基于谱内插的全相位FFT频谱校正理论、基于相位差的全相位频谱校正理论、全相位密集谱校正理论、全相位FFT测相理论及其衍生测相方法、双相位FFT谱分析方法、全相位DTFT谱分析方法、基于全相位谱分析的欠采样互素谱感知、全相位谱分析的应用举例等内容。鉴于当前全相位谱分析理论已经被同行在图像分析、物联网感知、光学工程、电力谐波分析、旋转机械故障诊断、通信、仪器仪表、雷达、水声、语音处理、生物医学等工程领域展开了大量应用，故运用《全相位数字谱分析方法》的新成果有望于进一步提升现有的各工程领域的性能。
　　《全相位数字谱分析方法》全部研究成果都经过了严格的理论推导、算法设计、仿真实验等多层次的验证，另外，绝大多数的研究成果还配有MATLAB程序代码，非常适合为从事工科门类中涉及信息检测的科研工作的学者和工程师作参考。另外，就高等院校的读者而言，可作为研究生参考资料，也适合于高年级本科生阅读。

作者简介

　　黄翔东，1979年4月生，博士，天津大学副教授，中国高科技产业化研究会信号处理产业化分会理事。2007年3月获天津大学信号与信息处理专业工学博士学位，同年4月留校工作至今。2009年6月晋升副教授。2009年和2011年分别赴香港大学和澳门大学做短期访问学者，2013年赴美国特拉华大学做1年访问学者。共计发表论文80余篇，其中以第1作者在IEEE Trans on Signal Processing，IEEE Signal Processing Letters等信号处理期刊上发表SCI检索论文13篇，发表EI检索论文50余篇，以第1发明人申请发明专利30项（以第1发明人授权专利12项）。出版学术专著2部，教材1本。作为项圈负责人获得过3项国家自然科学基金、1项教育部博士点基金、1项军工合作项目、1项天津市重点基金和1项天津大学B类青年基金资助，并参与1项国家重大仪器专项、1项973课题、4项国家自然科学基金项目和多

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 新信息时代对谱分析需求
1．1．1 谱分析问题概括
1．1．2 信号间断问题举例
1．2 截断问题的各种解决方案
1．3 全相位谱分析理论的发展历史概述
1．3．1 重叠数字滤波阶段
1．3．2 全相位谱分析的创立和完善
1．3．3 全相位谱分析理论的应用与全面发展
1．4 本书的主要内容
1．5 本书的主要特点
参考文献

第2章 全相位数据预处理
2．1 引言
2．2 三种全相位数据预处理
2．2．1 无窗全相位数据预处理
2．2．2 单窗全相位数据预处理
2．2．3 双窗全相位数据预处理
2．2．4 全相位预处理的统一表示及其卷积窗性质
2．3 确定信号的全相位数据预处理
2．3．1 DFT谱性能特征变化
2．3．2 自相关特性的变化
2．4 全相位数据预处理后的统计特性
2．4．1 统计特性衡量指标及其仿真测试
2．4．2 统计特性变化的理论证明
2．5 小结
参考文献

第3章 全相位FFT频谱分析
3．1 数字谱分析理论的发展历程
3．1．1 工程应用对谱分析的需求
3．1．2 数字谱分析发展的四个阶段
3．1．3 全相位FFT谱分析与工程应用需求
3．2 全相位FFT谱分析方法的衍生
3．2．1 传统DFT谱分析的缺陷及其原因
3．2．2 从传统FFT谱分析到全相位FFT的衍生
3．2．3 简化的全相位FFT谱分析流程
3．3 传统FFT谱分析和全相位FFT谱分析的数学公式
3．3．1 单频复指数信号的传统FFT分析
3．2 单频复指数信号的全相位FFT分析
3．3．3 单频复指数信号的FFT和全相位FFT的矩阵形式分析
3．3．4 单频复指数信号的FFT谱与全相位FFT谱对照
3．4 传统FFT与全相位FFT分析数据实测与矢量解释
3．4．1 数据实测分析
3．4．2 矢量分析
3．5 全相位FFT谱分析的基本性质
3．5．1 性质1
3．5．2 性质2
3．5．3 性质3
3．5．4 性质4
3．5．5 基本性质导出的噪声环境下全相位FFT与FFT的关系
3．6 全相位FFT谱分析两时延谱自适应调节机理
3．6．1 传统数据和全相位预处理后的数据的傅里叶变换表示
3．6．2 复指数信号的传统傅里叶谱及全相位傅里叶谱的内在机理
3．6．3 全相位FFT的两个子谱自适应调节机理
3．7 全相位FFT谱分析与平滑周期图谱分析的比较
3．7．1 全相位FFT谱分析与平滑周期图谱分析的区别
3．7．2 仿真实验比较
3．8 小结
参考文献

第4章 基于谱内插的全相位FFT频谱校正理论
4．1 现有谱校正方法及其主要问题
4．1．1 为什么要引入谱校正
4．1．2 谱校正器的误差来源
……

第5章 基于相位差的全相位频谱校正理论
第6章 全相位密集谱校正理论
第7章 全相位FFT测相理论及其衍生测相方法
第8章 双相位FFT谱分析方法
第9章 全相位DTFT谱分析方法
第10章 基于全相位谱分析的欠采样互素谱感知
第11章 全相位谱分析的应用举例

参考文献

前言/序言

　　近年来，随着以感知层为核心的物联网应用在通信、交通、电力、医疗、农业、安防、军用、海洋工程等各工程领域中的普遍展开，人类社会将逐渐进入以“信息物理融合”为基础的“第四次工业革命”时代。以物联网为技术牵引，衡量“工业4.0时代”是否成熟的一个重要标志就是“生产高度数字化”。在这个时代背景下，泛在分布的传感器采集到的数据必然呈现几何级数的增长，而传感器能否从海量数据中准确提取现场对象的内在信息（即实现“智能感知”），就成了一个非常关键的因素。这迫切需要在信号处理领域有一套较系统和完善的信号处理方法来实现该任务。
　　信号处理所做的其实就是两件事情：信号分解和信号重构。通俗地说，信号分解要解决的是“分析信号包含哪些成分”的问题；信号重构要解决的是“怎样提取出想要的信号成分”的问题。由此展开一系列具体应用，如信号分解衍生出了频谱分析、各种变换、压缩编码、稀疏表示、阵列参数估计等；与此对应，信号重构衍生出了数字滤波、各种反变换、信号解码、信号去噪、波束生成等。而从物联网应用来看，侧重的是“感知”目标对象的属性、特征以及环境状态，因而从信号处理角度来看，物联网应用更期望在信号分解理论上有所突破，特别是频谱分析理论。
　　从数字信号处理的观点来看，无论信号分解或重构，都是建立在离散数据处理上的。而任何数字信号处理算法只能在有限长数据中进行，这就实际上需要对信号作截断，而截断会使得信号处理（如数字滤波、谱分析、信号重构等）的性能下降，这是个普遍存在而不可忽视的问题，也是数字信号处理这门学科不容回避的问题。
　　本书提出用“全相位处理方法”去解决数据截断引起的信号处理性能下降的问题，其基本思路就是：考虑包含某样点的所有可能的数据截断情况并分别进行处理，再有机综合这些处理结果即得到最终的输出。在命名这种新处理方法时，曾考虑过用“重叠信号处理”或“全重叠信号处理”等词。侯正信教授提出的“全相位”这个词是非常恰当的，“全”是指整体，即综合考虑所有分段，“相位”是指局部，即某样点对应于输入和输出分段中所处的位置，因而“全相位”是个辩证统一的概念，既反映了以最大程度进行重叠处理的外在形式，又蕴含了其总体性能改善是源于对各子处理进行有机综合的内在实质。
　　若用全相位方法去处理因截断引起的谱分析性能下降问题，就衍生出了本书的全相位谱分析理论。截断问题的广泛存在性，注定赋予了全相位谱分析理论在工程中的广泛适用性。本书的全相位谱分析理论旨在解决谱分析领域的一系列难题，如相位估计、密集谱识别与估计、低频实信号的频率估计、欠采样下信号的频率估计、短样本频率估计等。
　　作者在2009年出版了专著《数字信号全相位谱分析与滤波技术》，该专著出版以来，学术界和工程界的同行们给予了较高的关注，并且专著所论述的学术方法在无线通信、仪器仪表设计、故障诊断、光学工程、雷达、水声、生物医学、生物信息学等各个工程领域中得到了广泛应用。有关全相位信号处理方法的理论及应用的论文如雨后春笋般出现（迄今为止，期刊论文数目达到600余篇，学位论文80余篇）。这些来自同行们的大量反馈对于本书的形成和完善起到了非常积极的推动作用。
　　2009年的专著更侧重于介绍全相位滤波，全相位谱分析仅少量内容。而近几年来，我们能感觉到，国内同行对谱分析领域的需求更加广泛，因而我们在全相位谱分析领域做了大量细化、深入和拓展性的新研究工作。本书把已被国内同行验证符合工程应用的全相位谱分析的新成果纳入其中，对大多数学术观点作了更有深度的重新阐述，因而本书相比于2009年的专著，内容丰富程度大幅度提高，覆盖面更广，这与国内同行们的支持是分不开的。另外，本书还弥补了2009年专著的一个缺陷，就是为几乎所有的学术内容配备了MATLAB程序代码（文件名与相应的图、表编号一致），这样更方便于读者加深对理论原理及应用的理解。期望通过以上改进，本书可以更有针对性、更深入地为同行研究提供支持。
　　本书获得国家自然科学基金面上项目（批准号：61271322）和国家自然科学基金重点项目（批准号：61434004）以及科技部863项目（批准号：2015AAOIA703）资助。三十余年来，国家自然科学基金委员会对我们在全相位信号处理的研究方向给予了持续支持，反映了国家对基础研究的高度重视。我们也真诚期望能将基础性研究成果回馈给国家和人民。
　　本书还得到了中国工程院毛二可院士、刘尚合院士的推荐和IEEEFellow、“长江学者”马建国教授的充分肯定以及科学出版社鲁永芳编辑的大力支持，天津大学青岛海洋工程研究院信息工程研究所提供了清静的写作环境，另外，研究生张博、黎鸣诗做了一些勘误工作，一并表示真诚感谢。
　　限于作者的水平，不妥之处在所难免，恳切希望读者给予批评指正。

全相位数字谱分析方法 本书简介 本书深入探讨了数字信号处理领域中一个至关重要且常被忽视的方面——全相位数字谱分析。不同于传统的幅度谱分析，全相位方法着重于信号的相位信息，揭示了隐藏在信号瞬态特性、频率变化以及复杂调制结构中的关键信息。通过精确提取和分析信号的全相位信息，我们可以获得对信号更深层次、更精细的理解，从而在众多应用领域中实现性能的飞跃。 核心内容与技术要点 本书将带领读者系统地学习全相位数字谱分析的理论基础、核心算法以及实际应用。 1. 全相位谱的概念与重要性： 相位谱的局限性：本书首先回顾了传统幅度谱分析的原理和应用，并深入分析其在处理非平稳信号、瞬态信号以及具有复杂调制特性的信号时所存在的固有的局限性。幅度谱主要反映信号的能量分布，但却忽略了信号在时间维度上的演变规律，即其“动态”信息。 全相位谱的引入：本书正式引入全相位谱的概念。与仅考虑幅度的幅度谱不同，全相位谱同时包含了信号的幅度和相位信息。它能够提供更丰富的信号描述，尤其是在瞬态事件的精确定位、信号的瞬时频率和瞬时幅度的准确估计、以及对信号调制机制的深入理解方面具有独特优势。 相位信息的重要性：通过详细的数学推导和直观的类比，本书阐述了相位信息在信号分析中的关键作用。例如，在语音信号中，相位信息与声道的共振特性紧密相关；在图像处理中，相位信息是边缘检测和纹理分析的重要依据；在通信系统中，相位是调制的载体，其精度直接影响解调的准确性。 2. 全相位谱估计的算法： 傅里叶变换与相位：本书从最基础的傅里叶变换（FT）讲起，探讨了离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）在计算相位谱时的固有特性。虽然FFT能够高效地计算出傅里叶系数的相位，但直接从FFT结果提取的相位通常是“包裹相位”（wrapped phase），其值被限制在 $(-pi, pi]$ 范围内，需要进行相位展开（phase unwrapping）才能获得真实、连续的相位信息。 相位展开技术：本书详细介绍了多种经典的相位展开算法，包括： 路径积分法：通过在相位图上选择特定的路径，累加相位差来恢复展开相位。书中将深入分析不同路径选择策略对展开精度的影响，以及如何避免由于相位跳变导致的展开错误。 最小范数法：通过求解一个最优化问题，使得展开相位在全局上满足一定的平滑度约束。本书将推导其数学模型，并介绍常用的求解器和算法。 基于统计的方法：探讨利用信号的统计特性来辅助相位展开，例如在噪声环境下如何提高展开的鲁棒性。 短时傅里叶变换（STFT）与瞬时相位：为了分析非平稳信号，本书重点介绍了短时傅里叶变换（STFT）及其衍生的全相位谱分析方法。 STFT原理：详细讲解了STFT的原理，如何通过加窗和滑动窗口的方式将非平稳信号转化为一系列在局部近似平稳的信号段。 STFT的全相位谱：分析了STFT计算得到的时频叠加信号的相位信息，并强调其在瞬时频率和瞬时幅度分析中的关键作用。 窗函数的影响：深入讨论了不同窗函数（如汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗等）的选择对STFT相位谱估计精度的影响，包括分辨率和泄漏的权衡。 希尔伯特变换与解析信号：本书将详细介绍希尔伯特变换（Hilbert Transform）及其在构建解析信号（Analytic Signal）中的应用。 希尔伯特变换的定义与性质：从数学上严格定义希尔伯特变换，并分析其将原始信号的相位进行 $pi/2$ 移位这一核心特性。 解析信号的构建：阐述如何将原始信号与其希尔伯特变换组合，形成一个复数信号，即解析信号。解析信号在提取瞬时幅度和瞬时频率方面具有天然的优势。 解析信号的全相位谱：分析解析信号的相位直接对应于原始信号的瞬时相位，从而避免了相位展开的复杂性。 小波变换与多分辨率分析：本书还将探讨小波变换（Wavelet Transform）在全相位谱分析中的应用。 小波变换的原理：介绍连续小波变换（CWT）和离散小波变换（DWT）的基本概念，以及如何利用不同尺度和位置的小波基函数来分析信号。 小波域的全相位谱：分析小波变换的幅度和相位信息如何反映信号在不同尺度和时间上的局部特性。 多分辨率分析：阐述小波变换的多分辨率特性如何帮助识别信号的细微结构和瞬态成分。 3. 全相位谱分析的性能评估与改进： 误差分析：本书将深入分析在实际信号处理中，由于采样、量化、噪声以及算法本身的局限性等因素，全相位谱估计过程中可能产生的各种误差，例如相位展开误差、频率分辨率限制、能量泄漏等。 鲁棒性提升：针对上述误差，本书将介绍和分析各种提高全相位谱分析鲁棒性的技术，包括： 噪声抑制方法：结合滤波、平滑等技术，减小噪声对相位信息的影响。 自适应算法：介绍能够根据信号特性动态调整参数的自适应算法，以获得更精确的谱估计。 多解法与约束法：探讨如何结合多种方法或利用先验知识来解决复杂的相位展开问题。 与幅度谱的融合：强调全相位谱分析并非要完全取代幅度谱分析，而是在许多情况下，将两者融合分析能够提供更全面、更准确的信号洞察。本书将指导读者如何有效地结合幅度谱和全相位谱的信息。 应用领域 本书所介绍的全相位数字谱分析方法在广泛的工程和科学领域具有深远的实际应用价值，包括但不限于： 通信系统： 调制识别与解调：精确的相位信息是识别和恢复数字通信信号调制方式的关键，尤其是在高阶调制、MIMO系统以及软件无线电等复杂场景下。 信道估计与均衡：相位信息对于精确估计无线信道特性、进行信道均衡以补偿信号失真至关重要。 频率合成与时钟同步：全相位分析有助于提高频率合成器的精度和时钟同步的稳定性。 语音和音频信号处理： 语音识别与合成：瞬时相位信息与声道共振、发音部位等紧密相关，是提高语音识别和合成自然度的重要依据。 音乐信号分析：分析乐器演奏的瞬态特征、和声结构的细微变化，以及音频信号的音色特征。 音频信号增强与去噪：通过分析音频信号的相位特性，可以更有效地分离目标信号与噪声。 生物医学信号分析： 心电图（ECG）和脑电图（EEG）分析：识别和量化心电图、脑电图中的微小波动和瞬态事件，有助于疾病的早期诊断和监测。 医学成像：在磁共振成像（MRI）等技术中，相位信息是重建图像的重要组成部分。 机械振动与故障诊断： 设备状态监测：分析机械设备的振动信号，识别异常的相位行为，用于预测和诊断设备故障，如轴承损坏、齿轮磨损等。 瞬态故障检测：快速捕捉和分析设备运行时出现的短暂的、非周期性的异常振动信号。 雷达与声纳系统： 目标识别与跟踪：精确的相位信息有助于区分不同目标，提高目标识别的准确性，以及实现更精密的跟踪。 目标回波分析：分析目标回波的相位信息，可以获得目标的速度、形状等关键参数。 地质勘探与地震信号分析： 地震波分析：分析地震波的相位信息，有助于研究地球内部结构、识别地下介质特性。 图像处理与计算机视觉： 边缘检测与特征提取：相位信息在图像的边缘检测和局部特征提取中扮演着重要角色。 图像复原与增强：利用相位信息可以帮助复原退化的图像或增强图像的细节。 本书特色 理论与实践并重：本书在深入讲解理论知识的同时，也提供了丰富的算法实现思路和伪代码，方便读者将其应用于实际工程项目。 数学严谨性与直观性结合：力求在保持数学推导严谨性的前提下，通过图示和类比，帮助读者建立对抽象概念的直观理解。 前沿性与实用性兼顾：涵盖了当前全相位谱分析领域的一些前沿研究方向，同时也关注其在实际工程中的应用落地。 循序渐进的讲解：从基础概念入手，逐步深入到复杂的算法和应用，适合不同背景的读者阅读。 目标读者 本书适合于高等院校相关专业（如电子工程、通信工程、计算机科学、自动化、声学、信号处理等）的在校研究生和高年级本科生，以及从事信号处理、通信、音频、机械、生物医学等领域的研究和工程技术人员。对于希望深入理解信号内在机制、提升信号分析和处理能力的研究者而言，本书将是不可或缺的参考。 通过本书的学习，读者将能够掌握全相位数字谱分析的核心技术，并将其灵活应用于解决实际问题，从而在各自的研究和工程领域取得新的突破。

评分☆☆☆☆☆

我是一名业余的音频爱好者，同时也是一名喜欢折腾各种电子设备的科技爱好者。我常常在自己的音乐制作过程中，试图通过各种软件来分析和调整音频信号，以达到更好的听感效果。虽然我不是专业的音频工程师，但我对声音的细节和频谱特性有着近乎苛刻的追求。最近，我开始对音频信号的相位信息产生浓厚的兴趣。我隐约感觉到，许多影响声音“质感”的微妙之处，可能就隐藏在相位信息中。当我看到《全相位数字谱分析方法》这本书的书名时，我的好奇心被彻底点燃了。我非常想知道，这本书能否揭示那些隐藏在声音背后的相位秘密，以及如何利用这些秘密来提升音频信号的质量。即使书中的一些技术细节对我来说可能过于深奥，但我相信，通过这本书，我一定能对音频信号有更深层次的理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计相当沉稳，采用了深蓝色背景，搭配银色的书名和作者信息，给人一种专业、严谨的感觉。我是在书店里偶然翻到的，当时就被它厚实的装帧和略带学术气息的气质吸引了。虽然我不是专门研究数字信号处理的，但工作中有时会接触到一些数据分析的场景，所以对这类内容一直抱有好奇心。拿到手里掂量了一下，厚度适中，感觉内容量应该不少。封面上那些我不太理解的专业术语，像是“全相位”、“数字谱分析”，虽然让我有些望而却步，但内心深处却也升起一股探索的欲望。我喜欢这种能让我感觉有深度、需要静下心来学习的书籍，感觉翻阅它就像打开了一个新的知识领域的大门。尽管我还没有来得及深入阅读，但单凭这本书给我的第一印象，就足以让我对它充满期待。它摆放在书架上，自带一种“硬核”的知识光环，让人忍不住想去探寻其中的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

作为一名从事通信信号处理领域多年的老兵，我一直关注着这一领域的新进展。过去，我们更多地依赖于傅里叶变换等经典方法来分析信号，虽然在很多方面都取得了成功，但我们也深知其在相位信息捕捉上的不足。近年来，随着对信号精细化分析要求的不断提高，相位信息的重要性日益凸显。因此，“全相位数字谱分析方法”这个概念，在我看来，正是顺应了这一时代的需求。我期待这本书能够系统地阐述全相位谱分析的理论基础，从数学原理到具体的算法实现，都能够有清晰的讲解。同时，我也希望书中能够包含一些实际的应用案例，比如在雷达、声纳、地震勘探等领域的成功应用，这样不仅能够加深我们对理论的理解，还能看到它在实际工程中的价值。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在校的研究生，正在攻读电子信息工程专业。在学习过程中，我接触到了大量的信号处理课程，从傅里叶变换到小波分析，我都尽力去理解和掌握。然而，在文献阅读和实验设计中，我常常会遇到一些关于相位信息处理的瓶颈。例如，在一些精密的定位算法或者通信系统的设计中，相位的精确测量和利用至关重要。当我了解到《全相位数字谱分析方法》这本书的存在时，我感觉找到了一个可能解决我当前困惑的途径。我希望能从书中学习到构建全相位谱的技术，了解其与传统方法的区别和优势，并学习如何将这些方法应用到我的研究项目中。这本书的出现，对我来说，更像是一本“宝典”，能够帮助我拓展研究的深度和广度。

评分☆☆☆☆☆

我是一名软件工程师，平时主要负责后端开发，但最近在项目需求中遇到了需要处理一些音频和传感器数据的任务。在这之前，我对于如何从原始信号中提取出有意义的信息了解不多，更多的是依赖现有的库或者工具。然而，随着项目越来越深入，我发现很多时候通用的工具并不能完全满足我们的需求，或者说，我想要更深入地理解数据背后的原理。因此，我开始寻找一些能够帮助我理解信号处理基础知识的书籍。当我在网上看到《全相位数字谱分析方法》的介绍时，立刻就被“全相位”这个概念吸引住了。我了解到传统的频谱分析方法在相位信息上存在一些局限性，而“全相位”似乎是解决这一问题的关键。这本书的出版，对于我这样希望提升信号处理技能的工程师来说，无疑是一个福音。它或许能让我摆脱对现有工具的依赖，培养更强的自主分析能力，从而更好地解决实际问题。