內容簡介
《數字信號處理(第二版)》為北京郵電大學校級精品課程配套教材。全書共分7章,主要涉及數字信號處理三個基本的內容:一是對離散信號和離散係統進行錶示和分析所必需的基礎知識;二是離散傅裏葉變換和快速算法,以及典型應用;三是數字濾波器的設計和實現(包括結構和字長效應)等。為便於理解,書中將每章涉及的Matlab內容單獨成章,列於各章之後。每章都配備瞭難易適中的習題和實驗指導內容,書後還提供瞭部分習題解答,可幫助學生理解。
內頁插圖
目錄
第二版 前言
第一版 前言
第1章 緒 論
1.1 數字信號處理的定義、特點和方法
1.1.1 數字信號定義
1.1.2 數字信號處理的特點
1.1.3 數字信號處理的方法
1.1.4 數字信號處理的應用
1.2 數學預備知識
1.2.1 傅裏葉變換的幾種形式
1.2.2 常用的模擬信號
習題
第2章 離散時間信號與離散時間係統
2.1 取樣和內插
2.1.1 取樣
2.1.2 內插
2.2 離散時間信號
2.2.1 常用序列
2.2.2 序列的基本運算
2.3 時域離散係統的基本概念
2.4 離散係統的差分方程描述及信號流圖
2.4.1 離散係統的差分方程
2.4.2 信號流圖錶示
2.5 離散時間信號的傅裏葉變換
2.5.1 離散時間信號傅裏葉變換的定義
2.5.2 離散信號傅裏葉變換對的推導
2.5.3 離散時間信號傅裏葉變換的性質
2.5.4 綫性非移變係統的頻率響應
2.6 Z變換的定義及收斂域
2.6.1 Z變換的定義
2.6.2 Z變換的收斂域
2.7 Z反變換
2.7.1 Z反變換的定義
2.7.2 Z反變換的求解
2.8 Z變換的性質
2.9 一些常用的Z變換對
2.10 Z變換與拉普拉斯變換、傅裏葉變換的關係
2.10.1 Z變換與拉普拉斯變換的關係
2.10 2 Z變換與傅裏葉變換的關係
2.11 離散係統的頻域分析
2.11.1 傳輸函數
2.11.2 用單邊Z變換解綫性差分方程
2.11.3 傳輸函數的零極點
2.11.4 綫性非移變因果係統的穩定性
2.11.5 信號流圖的轉置定理
2.12 本章涉及的Matlab函數
習題
第3章 離散傅裏葉變換及其快速計算方法
3.1 問題的提齣
3.2 DFS及其性質
3.2.1 DFS的定義
3.2.2 DFS的性質
3.3 DFT及其性質
3.3.1 DFT的定義
3.3.2 DFT同Z變換和DTFT間的關係
3.3.3 DFT的性質
3.3.4 DFT變換的應用
3.4 快速傅裏葉變換
3.4.1 基2時域抽選算法
3.4.2 基2時域抽選算法的矩陣錶示形式
3.4.3 基2頻域抽選算法
3.4.4 基4時域抽選算法
3.4.5 DFT的快速計算方法
3.5 FFT的應用
3.5 l 綫性捲積的快速計算
3.5.2 CZT及其快速計算
3.6 DFT相關變換
3.6.1 DCT及其同DFT的關係
3.6.2 DST及其同DFT的關係
3.6.3 小結
3.7 本章涉及的Matlab函數
……
第4章 IIR數字濾波器設計和實現
第5章 FIR數字濾波器設計和實現
第6章 數字信號處理中的有限字長效應第7章 多抽樣率數字信號處理
部分習題答案
參考文獻
前言/序言
本書是2005年8月科學齣版社齣版的《數字信號處理》的第二版,是在第一版的基礎上,根據曾經使用過本書的教師和學生的意見,以及近年來技術發展和課程改革的情況,經過一定的增刪和修改而成。與第一版相比,本書有以下幾方麵的改進:
1.在第1章“緒論”中增加瞭1.1.4節“數字信號處理的應用”,簡要地介紹瞭數字信號處理的研究範圍和應用領域,因為在教學過程中,學生們經常有這方麵的疑問。
2.在第3章“離散傅裏葉變換及其快速計算方法”中增加瞭3.6節“DFT相關變換”,闡述瞭有限長實數序列的離散餘弦變換和離散正弦變換,本節拓展瞭離散信號變換的內容,使學生對離散信號變換有更深入係統的理解。
3.對第4章“IIR數字濾波器設計和實現”做瞭較大增刪和修改,其中在4.2.1節中增加瞭“3.H(s)零極點的選擇”;完全重寫瞭4.2.2節“巴特沃思濾波器”;刪除瞭原4.6節“數字濾波器的頻率變換”,編寫瞭新的4.6節“高通、帶通和帶阻IIR數字濾波器的設計”;增加瞭4.9節“IIR數字濾波器的應用”。
4.在第5章“FIR數字濾波器設計和實現”中修改瞭5.3.4節“窗函數法的具體實現”和5.4.2節“綫性相位的約束條件”,增加瞭5.6.4節“格型結構”,在5.7節“本章涉及的Matlab函數”中增加瞭Matlab函數的例題。
5.在第6章“數字信號處理中的有限字長效應”中增加瞭6.3.3節“係數量化對FIR濾波器的影響”,改寫瞭6.4.2節“極限環振蕩”,增加瞭6.5節“本章涉及的Matlab函數”。
6.新增瞭第7章“多抽樣率數字信號處理”,因為在數字信號處理的實際應用中,越來越多地麵臨著需要改變係統抽樣頻率,使係統工作在多抽樣率狀態下的問題,這也就是本章所要講述的內容。
7.針對每章的重要知識點,增加瞭相應的例題,以便學生更好地理解所學的內容,並和每章後麵所附習題有更好的呼應。
8.本書配有電子課件,可供任課教師參考,方便教學。
希望通過上述的增刪和修改,使得本書的內容更為係統完整、條理清晰、推導嚴謹、簡繁適當,更好地適應大學本科“數字信號處理”課程的教學。
本書除瞭新增的第7章由王海嬰老師執筆外,其他章節仍由本書第一版的作者執筆修訂。
除瞭本書第一版的緻謝外,我們感謝為本書第二版做齣貢獻的每一個人,他們以不同的方式為本書的修訂提供瞭幫助,特彆要感謝對本書第一版提齣寶貴意見和建議的老師們和同學們。同時,在本書修訂過程中,北京郵電大學多媒體中心的研究生給予瞭大力協助,在此錶示真誠的感謝!
《電子係統設計原理與實踐》 第一章 緒論:從基礎到應用,構建現代電子係統的基石 本章將帶領讀者深入理解電子係統設計這一核心學科。我們將從最基本的電子元件(電阻、電容、電感)的物理特性和電路行為齣發,逐步構建起復雜的集成電路和係統。內容將涵蓋直流電路和交流電路的基本分析方法,如基爾霍夫定律、歐姆定律、戴維南定理和諾頓定理,並在此基礎上,介紹運算放大器的經典應用,如信號放大、濾波和波形生成。此外,本章還會觸及半導體器件的基礎,包括二極管和三極管的PN結原理,以及它們在基本開關和放大電路中的作用。最終,我們將初步探討現代電子係統的層次化設計思想,從原理圖設計到PCB布局布綫,再到係統集成和測試,勾勒齣完整的電子産品研發流程。本章旨在為讀者打下堅實的理論基礎,培養對電子係統設計的直觀理解和解決實際問題的能力。 第二章 運算放大器及其應用:信號處理的萬能工具 運算放大器(Op-Amp)作為模擬電子電路中最基礎也是最具代錶性的元件之一,在本章中將得到詳細的闡述。我們將深入研究理想運算放大器的特性,包括無窮大的開環增益、無窮小的輸入阻抗和零輸齣阻抗,以及它們如何簡化電路分析。隨後,我們將重點介紹實際運算放大器的非理想特性,如有限的增益、有限的輸入阻抗、非零的輸齣阻抗、失調電壓、偏置電流和共模抑製比等,並分析這些非理想因素對電路性能的影響。 本章的核心內容將圍繞運算放大器的經典應用展開。我們將詳細講解同相放大器、反相放大器、電壓跟隨器等基本放大電路的原理和設計,分析其增益、輸入輸齣阻抗和帶寬等關鍵參數。接著,我們將深入探討運算放大器在濾波器設計中的作用,包括有源低通、高通、帶通和帶阻濾波器的構成方式、傳遞函數以及Q值對濾波特性的影響。讀者將學習如何根據信號的頻率特性選擇閤適的濾波器類型和設計參數。 此外,本章還將介紹運算放大器在信號處理中的其他重要應用,例如信號加法器、減法器、積分器和微分器。這些電路在模擬信號處理中扮演著至關重要的角色。我們還會觸及一些更復雜的運算放大器應用,如振蕩器(如 Wien 橋振蕩器、RC 相移振蕩器)和比較器電路,為理解更高級的電路設計打下基礎。本章的最終目標是讓讀者能夠熟練運用運算放大器解決各種模擬信號處理問題,並理解其在現代電子係統中的廣泛應用。 第三章 晶體管電路設計:從基本放大到集成電路的基石 本章將深入探討晶體管(包括雙極結型晶體管BJT和場效應晶體管FET)在電子電路設計中的應用。我們將從PN結的基本原理齣發,詳細介紹BJT的結構、工作原理和各種工作區域(截止區、放大區、飽和區)。接著,我們將分析BJT的基本放大電路,如共發射極放大器、共集電極放大器(射極跟隨器)和共基極放大器,深入理解它們的電壓增益、電流增益、輸入輸齣阻抗和頻率響應。讀者將學習如何根據不同的應用需求選擇閤適的晶體管配置,並進行偏置設計以獲得穩定的放大性能。 隨後,我們將轉嚮場效應晶體管(FET),包括結型場效應晶體管(JFET)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。我們將闡述其工作原理、結構特點以及與BJT的異同。MOSFET作為現代集成電路中最主要的器件,其n溝道和p溝道增強型及耗盡型結構將得到詳細講解。本章將重點介紹MOSFET構成的基本放大電路,如共源極放大器、共漏極放大器(源極跟隨器)和共柵極放大器,並分析其性能參數。 本章還將探討晶體管在開關電路中的應用。理解晶體管如何作為電子開關,控製電流的通斷,是設計數字邏輯電路的基礎。我們將介紹晶體管開關的開關特性、開關速度以及在驅動電路中的應用。此外,本章還將初步介紹晶體管作為有源元件在構建更復雜模擬集成電路中的作用,例如如何使用晶體管構建電流鏡、差分放大器等基本單元電路。通過本章的學習,讀者將對晶體管的物理特性和電路行為有深刻的理解,並能夠設計齣各種類型的晶體管放大器和開關電路。 第四章 綫性電源與開關電源:穩定可靠的能量供給 本章將全麵介紹電子係統中至關重要的能量供給部分——電源的設計與實現。我們將首先從傳統的綫性電源入手,詳細講解其工作原理,包括整流(半波整流、全波整流)、濾波(電容濾波、電感濾波)和穩壓(如使用齊納二極管、三端穩壓器)等關鍵環節。我們將分析綫性電源的優點,如低紋波、低噪聲,以及其缺點,如效率較低、體積較大、散熱問題等。本章將提供不同類型綫性電源的設計實例,幫助讀者理解其設計思路和參數選擇。 接著,我們將重點轉嚮更高效率、更小型化的開關電源。本章將深入剖析開關電源的基本工作原理,包括 PWM(脈衝寬度調製)控製技術、功率開關元件(如 MOSFET、IGBT)的應用以及儲能元件(電感、電容)的作用。我們將詳細介紹幾種主流的開關電源拓撲結構,如降壓(Buck)、升壓(Boost)、升降壓(Buck-Boost)和反激(Flyback)變換器,分析它們的電路結構、工作過程、電壓/電流變換關係以及優缺點。 本章還將探討開關電源設計中的關鍵考慮因素,包括效率優化、電磁乾擾(EMI)抑製、紋波控製、負載調整率和綫路調整率等。讀者將學習如何進行功率器件的選擇、電感和電容的參數計算、反饋控製迴路的設計以及 EMI 濾波器的設計。此外,我們還會簡要介紹一些高級的開關電源技術,如同步整流、軟開關技術等,以幫助讀者瞭解更前沿的設計方法。本章旨在使讀者能夠理解不同電源類型的特點,並能夠根據實際需求設計齣穩定、高效的電源解決方案。 第五章 濾波器設計與信號調理:塑造和淨化你的信號 本章將深入探討濾波器在信號處理中的核心作用,以及如何通過信號調理技術優化信號的質量。我們將首先迴顧和深化對模擬濾波器的理解,包括低通、高通、帶通和帶阻濾波器的概念及其在頻域中的響應特性。本章將重點介紹幾種重要的濾波器設計方法,如巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)和貝塞爾(Bessel)濾波器。我們將分析這些濾波器類型在通帶紋波、阻帶衰減、相位響應和瞬態響應等方麵的特性差異,以及如何根據具體應用場景選擇最閤適的濾波器類型。 在濾波器設計方麵,本章將深入講解連續時間濾波器(如使用 RLC 元件和運算放大器構成的有源濾波器)和離散時間濾波器(如 FIR 和 IIR 濾波器)的設計原理。讀者將學習如何根據給定的技術指標(如截止頻率、阻帶衰減、階數等)來計算濾波器的元件值或濾波器係數。我們將提供不同實現方式的濾波器設計實例,包括使用運算放大器的有源濾波器設計,以及在數字信號處理器(DSP)上實現的數字濾波器設計。 除瞭濾波,本章還將涵蓋其他重要的信號調理技術。這包括信號的放大與衰減,以達到閤適的幅度範圍;信號的偏置與直流恢復,以適應後續處理的要求;以及信號的隔離和保護,以防止外部乾擾或保護敏感電路。我們還會探討噪聲的來源及其抑製方法,例如使用濾波技術、差分信號傳輸和屏蔽等。最終,本章的目標是使讀者能夠全麵掌握信號調理的各項技術,並能設計齣滿足特定應用需求的濾波器和信號處理鏈路,以確保信號的準確性和可靠性。 第六章 傳感器接口與信號采集:連接物理世界與數字領域 本章將聚焦於如何有效地連接物理世界中的傳感器與數字處理係統。我們將從傳感器的基本原理和分類入手,介紹各種常見的傳感器類型,如溫度傳感器(熱敏電阻、熱電偶)、壓力傳感器、光傳感器(光敏電阻、光電二極管)、位移傳感器( LVDT、編碼器)以及加速度計等。我們將分析這些傳感器的輸齣特性,包括模擬輸齣(電壓、電流)和數字輸齣。 本章的核心內容將圍繞傳感器接口電路的設計展開。我們將詳細講解如何設計閤適的信號調理電路來匹配傳感器的輸齣信號。這包括傳感器的綫性化處理(例如,對於非綫性輸齣的傳感器,使用查找錶或數學模型進行校正)、放大(使用運算放大器或其他放大電路)、濾波(去除傳感器工作時産生的噪聲)以及電平轉換(將傳感器輸齣信號轉換為微控製器或其他數字電路可接受的邏輯電平)。 此外,本章還將深入介紹模擬數字轉換器(ADC)和數字模擬轉換器(DAC)在信號采集與輸齣中的作用。我們將詳細講解不同類型的 ADC(如逐次逼近型、Σ-Δ 型、流水綫型)的原理、特點、分辨率、采樣率和量化噪聲,並指導讀者如何根據應用需求選擇閤適的 ADC。同樣,我們也將介紹 DAC 的類型和應用。本章還將討論如何設計一個完整的信號采集係統,包括傳感器、信號調理電路、ADC、微控製器或 DSP 以及與外部係統的接口。最終,本章旨在使讀者能夠理解傳感器的工作原理,並能夠設計齣高效、準確的傳感器接口電路和信號采集係統。 第七章 PCB設計與布局布綫:實現電路的物理載體 本章將帶領讀者從原理圖走嚮實際電路的實現,重點關注印刷電路闆(PCB)的設計與布局布綫。我們將首先介紹 PCB 的基本構成、工藝流程以及不同類型的 PCB(單麵闆、雙麵闆、多層闆)。隨後,我們將深入探討 PCB 設計軟件的基本操作和功能,如原理圖繪製、元件庫管理、PCB 布局和布綫。 本章的核心內容將圍繞 PCB 布局和布綫規則展開。我們將詳細講解如何進行閤理的元器件布局,包括考慮信號流嚮、散熱、電磁兼容性(EMC)、連接性以及機械結構等因素。在布綫方麵,我們將深入分析信號完整性(SI)和電源完整性(PI)的概念。讀者將學習如何處理高速信號布綫、差分信號布綫、信號綫的阻抗匹配、過孔的使用、地綫和電源綫的規劃以及去耦電容的放置等關鍵技術,以最小化信號失真和電磁乾擾。 此外,本章還將討論 PCB 設計中的其他重要方麵,例如電源分配網絡的優化、屏蔽設計、接地策略以及元器件的封裝選擇。我們將強調遵守設計規則檢查(DRC)和製造規則檢查(MRC)的重要性,以確保 PCB 的可製造性和可靠性。本章將通過實例演示,逐步引導讀者完成一個實際的 PCB 設計項目,從原理圖導入到最終的 Gerber 文件輸齣。最終,本章的目標是使讀者能夠掌握 PCB 設計的基本原理和實踐技巧,能夠獨立完成高質量的 PCB 設計。 第八章 嵌入式係統基礎:微控製器與外圍設備 本章將為讀者介紹嵌入式係統設計的基礎知識,重點關注微控製器(MCU)及其與外圍設備的交互。我們將從微控製器的基本架構入手,介紹其核心處理器、存儲器(RAM、ROM、Flash)、輸入輸齣端口(GPIO)、定時器/計數器、中斷控製器以及各種通信接口(如 UART、SPI、I2C)的工作原理。 本章將深入講解微控製器的編程模型和開發流程。我們將介紹匯編語言和高級語言(如 C 語言)在嵌入式係統開發中的應用,以及編譯器、調試器等開發工具的使用。讀者將學習如何編寫底層驅動程序來控製微控製器的各種外圍設備,例如如何使用 GPIO 實現 LED 的閃爍、如何利用定時器産生 PWM 信號,以及如何通過 UART 進行串行通信。 此外,本章還將重點介紹微控製器與其他外圍設備(如傳感器、顯示器、存儲器芯片、通信模塊)的接口設計。我們將分析各種接口的時序和協議,並指導讀者如何編寫相應的驅動程序來實現設備之間的有效通信。本章還將觸及嵌入式係統的中斷機製,理解中斷在實時係統中的重要性,以及如何進行中斷服務程序的編寫和優化。通過本章的學習,讀者將能夠理解嵌入式係統的基本構成和工作原理,並具備使用微控製器進行簡單嵌入式係統開發的初步能力。 第九章 實踐項目與案例分析:理論聯係實際 本章旨在通過一係列精心設計的實踐項目和詳細的案例分析,將前幾章所學的理論知識融會貫通,並應用於解決實際的電子工程問題。我們將從一個簡單的應用入手,例如設計一個基於運算放大器的信號發生器,或者一個簡單的 LED 驅動電路,讓讀者有機會在實際操作中鞏固基礎概念。 隨後,我們將逐步引入更具挑戰性的項目,例如設計一個簡單的溫度監測與顯示係統,該係統將涉及到傳感器接口、信號調理、ADC 轉換和微控製器編程。我們還將介紹一個基於開關電源的模塊設計,要求讀者根據給定的規格設計並實現一個高效率的電源轉換電路,並進行相關的 EMI 評估。 案例分析部分將選取一些在實際工程中具有代錶性的電子産品或電路,對其設計原理、關鍵技術和實現細節進行深入剖析。例如,我們將分析一個手機充電器的工作原理,揭示其內部的開關電源拓撲、保護電路和 EMI 抑製技術。我們還將研究一個簡單的數碼相機電路闆的設計,講解其 PCB 布局、信號布綫以及各功能模塊之間的連接。 通過本章的學習,讀者將不僅能夠加深對電子係統設計各個環節的理解,更重要的是能夠培養獨立分析問題、解決問題的能力,並掌握將理論知識轉化為實際産品的工程實踐能力。每個項目都將提供詳細的設計文檔、原理圖、PCB 布局圖和源代碼(如適用),並附帶調試和測試的方法,幫助讀者全麵掌握項目的開發流程。