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數(shù)字信號(hào)處理教程(第五版)
本書(shū)系統(tǒng)地討論了數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論、基本概念、基本分析方法、算法和設(shè)計(jì)。全書(shū)共9章,包括四個(gè)部分。第一部分介紹離散時(shí)間信號(hào)(序列)與系統(tǒng)的時(shí)域、頻域的分析,包括第1、2章的內(nèi)容;第二部分介紹離散傅里葉變換及其快速算法,包括第3、4章的內(nèi)容;第三部分介紹IIR及FIR數(shù)字濾波器的理論、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì),包括第5~7章的內(nèi)容;第四部分介紹多抽樣數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論以及數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)中的有限字長(zhǎng)效應(yīng),包括第8、9章的內(nèi)容。 本書(shū)可作為大學(xué)本專科院校電子信息類、自動(dòng)化類、電氣類等專業(yè)的教材,也可供從事相關(guān)專業(yè)的科研人員和工程技術(shù)人員作為參考。
本書(shū)系統(tǒng)地討論了數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論、基本概念、基本分析方法、算法和設(shè)計(jì)。全書(shū)內(nèi)容圍繞一個(gè)基礎(chǔ)(離散時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域、頻域分析方法),兩個(gè)支柱(離散傅里葉變換及其快速算法,數(shù)字濾波器理論及其設(shè)計(jì)方法)展開(kāi)。
主要特點(diǎn): 。1)內(nèi)容充實(shí),討論全面,深入淺出,便于理解。 。2)條理清晰,重點(diǎn)突出,敘述流暢,可讀性強(qiáng)。 。3)配有大量例題、習(xí)題,提高分析、計(jì)算能力。 配套資源: 《數(shù)字信號(hào)處理教程習(xí)題分析與解答(第五版)》(覆蓋教程的全部習(xí)題,題解全面細(xì)致,附有簡(jiǎn)要分析) 輔助教學(xué)軟件(包括概念瀏覽、教學(xué)演示、輔助設(shè)計(jì)和測(cè)試等子系統(tǒng),提高學(xué)習(xí)能力,增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果) 配套教學(xué)課件(完整的PPT,既可用來(lái)投影演示,輔助課堂教學(xué),又可用來(lái)自習(xí)或復(fù)習(xí),梳理知識(shí)點(diǎn))
前言
數(shù)字信號(hào)處理已成為國(guó)內(nèi)外高校電類專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。據(jù)了解,國(guó)內(nèi)許多高校的電子信息類、自動(dòng)化類、電氣類、生物醫(yī)學(xué)、航天航空,甚至機(jī)械工程等專業(yè)都開(kāi)設(shè)了這一課程。作者編著的《數(shù)字信號(hào)處理教程》從第一版到第四版已發(fā)行了22年,受到讀者認(rèn)可,被許多高校選用,使作者感到莫大榮幸。從本教程內(nèi)容上看,經(jīng)過(guò)多次增刪、修改、充實(shí)、完善,作者認(rèn)為第四版教材的選材內(nèi)容已能滿足高校本、?粕虒W(xué)計(jì)劃中對(duì)這一專業(yè)基礎(chǔ)課的要求。本教程既包含了課程的基本要求部分(第1~7章);又含有適當(dāng)擴(kuò)充部分(第8章和第9章);既有基本概念、基本分析方法的深入分析討論(前4章),又有實(shí)際工程技術(shù)應(yīng)用中較深入的分析與設(shè)計(jì)方案(第5~7章)。 基于以上分析,這次改版將不對(duì)第四版做重大的修改、補(bǔ)充。編寫(xiě)新版的想法是:首先,使基本概念、理論、計(jì)算、設(shè)計(jì)方法等的描述和討論更加流暢,可讀性更強(qiáng),更便于教學(xué),尤其是自學(xué)和閱讀。為此,對(duì)第2章和第3章做了較多的修改、補(bǔ)充、重組,對(duì)第7章做了小部分的補(bǔ)充、修改,其他各章只做極少的補(bǔ)充或修改。其次,對(duì)發(fā)現(xiàn)的部分錯(cuò)誤進(jìn)行了訂正。第三,增加了一些提高讀者分析計(jì)算能力的習(xí)題。第四,將原第四版所附光盤(pán)從WindowsXP操作系統(tǒng)中遷移到Windows7及以上版本操作系統(tǒng)中,同時(shí)將原光盤(pán)中的“概念瀏覽子系統(tǒng)”全部按第五版教程的主要內(nèi)容重寫(xiě),以適應(yīng)教材內(nèi)容的變動(dòng)。第五,制作了配套的教學(xué)課件,以輔助課堂教學(xué)。 基于以上討論,第五版仍包括9章內(nèi)容,分成4個(gè)部分,仍圍繞一個(gè)基礎(chǔ)(第1、2章)、兩個(gè)支柱(一個(gè)是第3、4章,另一個(gè)是第5~7章)展開(kāi),并包括第8、9章供選擇的內(nèi)容。對(duì)這4部分內(nèi)容的討論與第四版的經(jīng)典版前言中對(duì)4部分的論述完全一樣,這里不再贅述。 第五版仍保持條目式方法的論述,對(duì)重要概念及重要描述采用黑體,對(duì)重要公式則以陰影形式加以標(biāo)注,以期達(dá)到重點(diǎn)突出、便于理解和應(yīng)用的目的。 第五版中,增加了28道習(xí)題,這些題有助于訓(xùn)練提高分析計(jì)算能力。配合習(xí)題,另有《數(shù)字信號(hào)處理教程習(xí)題分析與解答(第五版)》也將出版,可作為讀者解題時(shí)的提示和校對(duì)工具。 考慮到不少院校在學(xué)習(xí)本課之前已經(jīng)學(xué)過(guò)MATLAB,因而本書(shū)沒(méi)有包括相關(guān)內(nèi)容,更適于這些院校使用。 期望本版教材對(duì)有關(guān)讀者有較大的幫助,并能受到廣大讀者的歡迎。 北京信息科技大學(xué)許淑芳老師為本書(shū)制作了配套的教學(xué)課件,在此表示感謝。 本書(shū)參考或引用了一些文獻(xiàn)中的思路、例題和習(xí)題,在此向有關(guān)作者表示感謝。 本書(shū)仍建議學(xué)時(shí)為54或64兩種,書(shū)中有*號(hào)的章節(jié)視各院校情況可選學(xué)或不學(xué)。作者一直認(rèn)為,教學(xué)大綱要求的內(nèi)容并不是全要講授的,有的內(nèi)容應(yīng)該由學(xué)生自學(xué)來(lái)掌握。 感謝清華大學(xué)出版社一直以來(lái)對(duì)本書(shū)出版的支持,尤其是李幼哲、文怡編輯對(duì)本書(shū)出版的幫助。 限于作者水平,書(shū)中可能存在不妥之處,歡迎廣大讀者批評(píng)指正。 作者2017年6月 收起全部↑
作者簡(jiǎn)介:
程佩青,北京信息科技大學(xué)原電子技術(shù)與通信系主任。1958年畢業(yè)于清華大學(xué)無(wú)線電系“無(wú)線電技術(shù)”專業(yè)。1956—1986年在清華大學(xué)無(wú)線電系(無(wú)線電電子學(xué)系)、電子系工作。1986年到北京信息工程學(xué)院(現(xiàn)北京信息科技大學(xué))創(chuàng)建通信工程系(后改名電子技術(shù)與通信系)并任系主任。長(zhǎng)期從事通信、信號(hào)與信息處理的教學(xué)和科研工作。講授過(guò)無(wú)線電基礎(chǔ)、高頻電子線路、數(shù)字濾波器、數(shù)字信號(hào)處理、電視接收機(jī)原理、數(shù)字信號(hào)處理(二)(選修)等課程。給清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)研究生院、北京廣播學(xué)院(現(xiàn)中國(guó)傳媒大學(xué))的研究生多次講數(shù)字信號(hào)處理原理與應(yīng)用(二)(統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理為主)課程。著有《信息與系統(tǒng)(合編)》、《數(shù)字濾波與快速傅里葉變換》、《數(shù)字信號(hào)處理教程(一、二、三版)》(此書(shū)被評(píng)為校優(yōu)秀教材)、《數(shù)字信號(hào)處理分析與解答》、《晶體管電視機(jī)原理(合著)》、《高頻電子線路》等教材。譯有《多維數(shù)字信號(hào)處理(合譯)》等4種著作。參與研發(fā)的“SCA-4數(shù)據(jù)傳輸機(jī)”曾獲國(guó)防科委獎(jiǎng)。合著:《信息與系統(tǒng)》,國(guó)防工業(yè)出版社,1980.12。著:《數(shù)字濾波與快速傅里葉變換》,清華大學(xué)出版社,1990.10!稊(shù)字信號(hào)處理教程(一、二、三版)》,清華大學(xué)出版社,2000.12起。譯:《數(shù)字濾波器引論》,清華大學(xué)出版社,1986.9。合譯:《多維數(shù)字信號(hào)處理》,科學(xué)出版社,1991.12。
目錄
緒論 第1章離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng) 1.1離散時(shí)間信號(hào)——序列 1.1.1序列 1.1.2序列的運(yùn)算 1.1.3序列的卷積和 1.1.4序列的相關(guān)性 1.1.5幾種常用的典型序列 1.1.6序列的周期性 1.1.7用單位抽樣序列表示任意序列 1.2線性移不變系統(tǒng) 1.2.1離散時(shí)間線性系統(tǒng) 1.2.2離散時(shí)間移不變系統(tǒng) 1.2.3離散時(shí)間線性移不變系統(tǒng)(LSI系統(tǒng)) 1.2.4因果系統(tǒng) 1.2.5穩(wěn)定系統(tǒng) 1.3常系數(shù)線性差分方程 1.4連續(xù)時(shí)間信號(hào)的抽樣 1.4.1模擬信號(hào)的理想抽樣 1.4.2時(shí)域抽樣定理 1.4.3模擬信號(hào)的實(shí)際抽樣 *1.4.4帶通信號(hào)的抽樣 *1.4.5連續(xù)時(shí)間信號(hào)xa(t)、理想抽樣信號(hào)x^a(t)以及 抽樣序列x(n)的關(guān)系 1.4.6時(shí)域信號(hào)的插值重構(gòu) 1.4.7正弦型信號(hào)的抽樣 習(xí)題 第2章z變換與離散時(shí)間傅里葉變換 2.1序列的z變換 2.1.1z變換的定義 2.1.2z變換的收斂域 2.1.34種典型序列的z變換的收斂域 2.1.4z反變換圍線積分法(留數(shù)法)、部分分式法及長(zhǎng)除法(冪級(jí)數(shù)法) 2.1.5z變換的性質(zhì)與定理 2.1.6利用z變換求解差分方程 2.2s平面到z平面的映射關(guān)系 2.3離散時(shí)間傅里葉變換(DTFT)——序列的傅里葉變換 2.3.1序列傅里葉變換的定義 2.3.2序列傅里葉變換的收斂性——DTFT的存在條件 2.3.3序列傅里葉變換的主要性質(zhì) 2.3.4序列及其傅里葉變換的一些對(duì)稱性質(zhì) 2.3.5周期性序列的傅里葉變換 2.3.6xa(t)、x^a(t)、x(n)之間及其拉普拉斯變換、 z變換、傅里葉變換之間關(guān)系的歸納 2.4離散線性移不變系統(tǒng)的頻域表征 2.4.1LSI系統(tǒng)的描述 2.4.2LSI系統(tǒng)的因果、穩(wěn)定條件 2.4.3LSI系統(tǒng)的頻率響應(yīng)H(ejω)及其特點(diǎn) 2.4.4頻率響應(yīng)的幾何確定法 2.4.5無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(IIR)系統(tǒng)與有限長(zhǎng)單位 沖激響應(yīng)(FIR)系統(tǒng) 習(xí)題 第3章離散傅里葉變換(DFT) 3.1傅里葉變換的四種可能形式 3.2周期序列的傅里葉級(jí)數(shù)——離散傅里葉級(jí)數(shù) 3.2.1DFS的定義 3.2.2DFS的性質(zhì) 3.3離散傅里葉變換——有限長(zhǎng)序列的離散頻域表示 3.3.1DFT的定義,DFT與DFS、DTFT及z變換的關(guān)系 3.3.2時(shí)域、頻域都抽樣后fk、fs、N的關(guān)系 3.3.3DFT隱含的周期性 3.4DFT的主要性質(zhì) 3.4.1線性 3.4.2序列的圓周移位性質(zhì) 3.4.3圓周共軛對(duì)稱性質(zhì) 3.4.4圓周翻褶序列及其DFT 3.4.5對(duì)偶性 3.4.6DFT運(yùn)算中的圓周共軛對(duì)稱性 3.4.7DFT形式下的帕塞瓦定理 3.4.8圓周卷積和與圓周卷積和定理 3.4.9線性卷積和與圓周卷積和的關(guān)系 3.5頻域抽樣理論 3.5.1頻域抽樣與頻域抽樣定理,由X(k)重構(gòu)時(shí)間序列x(n) 3.5.2由X(k)插值重構(gòu)X(z)、X(ejω) 3.6DFT的應(yīng)用 3.6.1利用DFT計(jì)算線性卷積 3.6.2利用DFT計(jì)算線性相關(guān) 3.6.3利用DFT對(duì)模擬信號(hào)的傅里葉變換(級(jí)數(shù))對(duì)的逼近 3.6.4用DFT對(duì)模擬信號(hào)作譜分析 3.6.5用DFT對(duì)模擬信號(hào)作譜分析中主要參量的選擇 3.6.6用DFT對(duì)模擬信號(hào)作譜分析時(shí)的幾個(gè)問(wèn)題 習(xí)題 第4章快速傅里葉變換(FFT) 4.1直接計(jì)算DFT的運(yùn)算量,減少運(yùn)算量的途徑 4.2按時(shí)間抽選(DIT)的基2FFT算法(庫(kù)利圖基算法) 4.3按頻率抽選(DIF)的基2FFT算法(桑德圖基算法) 4.4DITFFT與DIFFFT的異同 4.5離散傅里葉反變換(IDFT)的快速算法IFFT 4.6基2FFT流程圖 *4.7N為復(fù)合數(shù)的FFT算法——混合基(多基多進(jìn)制)FFT算法 4.8線性調(diào)頻z變換(Chirpz變換或CZT)算法 4.9利用FFT(用分段處理方法)計(jì)算線性卷積 4.9.1重疊相加法 4.9.2重疊保留法 4.10利用FFT算法計(jì)算線性相關(guān) 習(xí)題 第5章數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu) 5.1概述 5.2無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器的基本結(jié)構(gòu) 5.2.1IIR濾波器的特點(diǎn) 5.2.2直接型結(jié)構(gòu) 5.2.3級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu) 5.2.4并聯(lián)型結(jié)構(gòu) 5.2.5轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu) 5.3有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器的基本結(jié)構(gòu) 5.3.1FIR濾波器的特點(diǎn) 5.3.2直接型(橫截型、卷積型)結(jié)構(gòu) 5.3.3級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu) 5.3.4頻率抽樣型結(jié)構(gòu) 5.3.5快速卷積結(jié)構(gòu) 5.3.6線性相位FIR濾波器的結(jié)構(gòu) *5.4數(shù)字濾波器的格型及格型梯形結(jié)構(gòu) 5.4.1全零點(diǎn)系統(tǒng)(FIR系統(tǒng),滑動(dòng)平均(MA)系統(tǒng))的格型結(jié)構(gòu) 5.4.2全極點(diǎn)系統(tǒng)(IIR系統(tǒng),自回歸(AR)系統(tǒng))的格型結(jié)構(gòu) 5.4.3零極點(diǎn)系統(tǒng)(IIR系統(tǒng),自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)系統(tǒng)) 的格型梯形結(jié)構(gòu) 習(xí)題 第6章無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法 6.1數(shù)字濾波器的基本概念 6.2數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo) 6.3全通濾波器 6.4最小相位滯后濾波器 6.4.1最小相位系統(tǒng)、混合相位系統(tǒng)、最大相位系統(tǒng)及其 與全通系統(tǒng)的關(guān)系 6.4.2最小相位系統(tǒng)的性質(zhì) 6.4.3利用最小相位系統(tǒng)的逆系統(tǒng)補(bǔ)償幅度響應(yīng)的失真 6.5模擬原型低通濾波器設(shè)計(jì) 6.5.1概述 6.5.2模擬巴特沃思低通濾波器 6.5.3模擬切貝雪夫Ⅰ型、Ⅱ型低通濾波器 *6.5.4橢圓函數(shù)(考爾)低通濾波器簡(jiǎn)介 6.5.5四類模擬濾波器的比較 6.6模擬頻域頻帶變換 6.6.1從歸一化模擬低通濾波器到模擬低通濾波器的變換 6.6.2從歸一化模擬低通濾波器到模擬高通濾波器的變換 6.6.3從歸一化模擬低通濾波器到模擬帶通濾波器的變換 6.6.4從歸一化模擬低通濾波器到模擬帶阻濾波器的變換 6.7間接法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方案 6.8模擬濾波器到數(shù)字濾波器的映射方法 6.8.1沖激響應(yīng)不變法(脈沖響應(yīng)不變法) 6.8.2雙線性變換法 6.9數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的第一種方案 6.10模擬低通濾波器直接變換成四種通帶數(shù)字濾波器 6.10.1模擬低通→數(shù)字帶通 6.10.2模擬低通→數(shù)字帶阻 6.10.3模擬低通→數(shù)字高通 6.11數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的第二種方案 6.12數(shù)字頻域頻帶變換 6.12.1數(shù)字頻域頻帶變換的基本要求 6.12.2數(shù)字低通→數(shù)字低通 6.12.3數(shù)字低通→數(shù)字高通 6.12.4數(shù)字低通→數(shù)字帶通 6.12.5數(shù)字低通→數(shù)字帶阻 6.12.6數(shù)字低通→數(shù)字多通帶 6.13數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的第三種方案 習(xí)題 第7章有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法 7.1概述 7.2線性相位FIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn) 7.2.1線性相位條件 7.2.2線性相位約束對(duì)FIR數(shù)字濾波器(DF)的 單位沖激響應(yīng)h(n)的要求 7.2.3兩類線性相位約束下,F(xiàn)IR數(shù)字濾波器幅度函數(shù)H(ω)的特點(diǎn) 7.2.4線性相位FIR濾波器的零點(diǎn)位置 7.3窗函數(shù)設(shè)計(jì)法 7.3.1窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)思路 7.3.2理想低通、帶通、帶阻和高通的線性相位數(shù)字濾波器的表達(dá)式 7.3.3窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的性能分析 7.3.4各種常用窗函數(shù) 7.3.5窗函數(shù)法偶對(duì)稱單位沖激響應(yīng)的線性相位FIRDF 的設(shè)計(jì)步驟及舉例 *7.3.6窗函數(shù)法奇對(duì)稱單位沖激響應(yīng)的線性相位微分器及 希爾伯特變換器的設(shè)計(jì) 7.3.7窗函數(shù)設(shè)計(jì)法計(jì)算中的主要問(wèn)題 7.4頻率抽樣設(shè)計(jì)法 7.4.1頻率抽樣設(shè)計(jì)法的基本思路 7.4.2頻率抽樣的設(shè)計(jì)公式 7.4.3頻率抽樣設(shè)計(jì)法的逼近誤差及改進(jìn)辦法 7.4.4頻率抽樣設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟及舉例 7.4.5頻率抽樣設(shè)計(jì)法存在的問(wèn)題 *7.5設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器的最優(yōu)化方法 7.5.1均方誤差最小準(zhǔn)則 7.5.2最大誤差最小化準(zhǔn)則——加權(quán)切貝雪夫等波紋逼近 7.5.3交錯(cuò)定理 7.5.4最佳線性相位FIR濾波器設(shè)計(jì)算法 7.5.5ParksMcClellan算法 7.6IIR與FIR數(shù)字濾波器的比較 習(xí)題 *第8章序列的抽取與插值——多抽樣率數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ) 8.1概述 8.2用正整數(shù)D的抽取——降低抽樣率 8.3用正整數(shù)I的插值——提高抽樣率 8.4用正有理數(shù)I/D做抽樣率轉(zhuǎn)換 8.5抽取、插值以及兩者結(jié)合的流圖結(jié)構(gòu) 8.5.1抽取系統(tǒng)的直接型FIR結(jié)構(gòu) 8.5.2插值系統(tǒng)的直接型FIR結(jié)構(gòu) 8.5.3抽取和插值的線性相位FIR結(jié)構(gòu) 8.5.4抽取器的多相FIR結(jié)構(gòu) 8.5.5插值器的多相FIR結(jié)構(gòu) 8.5.6正有理數(shù)I/D抽樣率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的變系數(shù)FIR結(jié)構(gòu) 8.6變換抽樣率的多級(jí)實(shí)現(xiàn) 習(xí)題 *第9章數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)中的有限字長(zhǎng)效應(yīng) 9.1概述 9.2二進(jìn)制數(shù)的表示及其對(duì)量化的影響 9.2.1二進(jìn)制的三種算術(shù)運(yùn)算法 9.2.2負(fù)數(shù)的表示法——原碼、補(bǔ)碼和反碼 9.2.3量化方式——舍入與截尾 9.3模擬/數(shù)字(A/D)變換的量化效應(yīng) 9.3.1A/D變換的非線性模型 9.3.2A/D變換對(duì)輸入抽樣信號(hào)幅度的要求 9.3.3A/D變換的量化非線性特性 9.3.4A/D變換量化誤差的統(tǒng)計(jì)分析 9.3.5量化噪聲的功率譜密度 9.4白噪聲(A/D變換的量化噪聲)通過(guò)線性系統(tǒng) 9.5數(shù)字濾波器的系數(shù)量化效應(yīng) 9.5.1系統(tǒng)極點(diǎn)(零點(diǎn))位置對(duì)系數(shù)量化的靈敏度 9.5.2系數(shù)量化對(duì)二階子系統(tǒng)極點(diǎn)位置的影響 9.5.3系數(shù)量化效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析 9.6數(shù)字濾波器運(yùn)算中的有限字長(zhǎng)效應(yīng) 9.7防止溢出的幅度加權(quán)因子 *9.8IIR濾波器的定點(diǎn)運(yùn)算中零輸入的極限環(huán)振蕩 習(xí)題 參考文獻(xiàn)
第5章數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)
5.1概述 1.數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的框圖及流圖表示法。 一個(gè)數(shù)字濾波器在時(shí)域用常系數(shù)線性差分方程表示 y(n)=∑Mk=0bkx(n-k)-∑Nk=1aky(n-k) (5.1.1) 在z域則是用系統(tǒng)函數(shù)表示,即對(duì)(5.1.1)式取z變換,可得系統(tǒng)函數(shù)H(z)為 H(z)=∑Mk=0bkz-k 1+∑Nk=1akz-k(5.1.2) 數(shù)字濾波器的功能就是通過(guò)一定的運(yùn)算,如(5.1.1)式所示 ,把輸入變換成輸出,這一運(yùn)算就是“濾波”作用,廣義而言,也是信號(hào)處理。 可以有兩種辦法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波:一種是用軟件編程實(shí)現(xiàn),另一種是用專用硬件或通用的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)。 圖5.1基本運(yùn)算單元的兩種表示 由(5.1.1)式看出,一個(gè)數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)時(shí)的基本運(yùn)算單元為加法器、乘法器和延時(shí)器。這些基本運(yùn)算單元可以有兩種表示方法——方框圖法及信號(hào)流圖法,如圖5.1所示。 在本書(shū)的各章中都采用信號(hào)流圖表示法,因?yàn)樗?jiǎn)單、方便。方框圖表示法較為直觀,但更為煩瑣。在流圖表示中,①如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)或兩個(gè)以上輸入,則此節(jié)點(diǎn)一定是加法器;②任一節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)值是指此節(jié)點(diǎn)輸出的信號(hào)值;③任一節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)輸入,有一個(gè)或多個(gè)輸出,則此節(jié)點(diǎn)是分支節(jié)點(diǎn)。只有輸出、沒(méi)有輸入的節(jié)點(diǎn)稱為源節(jié)點(diǎn),只有輸入、沒(méi)有輸出的節(jié)點(diǎn)稱為阱節(jié)點(diǎn)。 2.實(shí)現(xiàn)(5.1.1)式或(5.1.2)式可以有很多方法,例如將(5.1.1)式的差分方程變換成各種不同的差分方程組,或等效地將(5.1.2)式的分式變換成各種分式的組合,每種都有不同的運(yùn)算方式,但這些運(yùn)算的基本單元仍為延遲器、加法器、乘法器。因而可以有多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是指運(yùn)算結(jié)構(gòu)(而非具體的電路結(jié)構(gòu))。這些結(jié)構(gòu)都對(duì)應(yīng)于同一差分方程,理論上說(shuō)它們應(yīng)該有相同的運(yùn)算結(jié)果,即這些不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在同樣的輸入情況下,應(yīng)有完全相同的輸出。 但是,實(shí)際上,不同的濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),有不同的效果,因而,才會(huì)去研究各種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從效果來(lái)看,主要是以下這幾個(gè)因素會(huì)影響人們對(duì)某種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇。 。1)計(jì)算復(fù)雜性。指乘法次數(shù),加法次數(shù),取指、存儲(chǔ)的次數(shù),兩個(gè)數(shù)的比較次數(shù)。計(jì)算復(fù)雜性會(huì)影響計(jì)算速度。 。2)存儲(chǔ)量。指系統(tǒng)參數(shù)、輸入信號(hào)、中間計(jì)算結(jié)果以及輸出信號(hào)的存儲(chǔ)。 (3)運(yùn)算誤差。主要是指有限字長(zhǎng)效應(yīng),由于輸入輸出信號(hào)、系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)算過(guò)程都受二進(jìn)制編碼長(zhǎng)度限制,就會(huì)帶來(lái)各種量化(有限字長(zhǎng))效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。所以要研究不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)有限字長(zhǎng)效應(yīng)的敏感程度,研究需要多少位字長(zhǎng)才能達(dá)到一定的精度。 。4)頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)的方便程度,這主要反映在零點(diǎn)、極點(diǎn)的調(diào)節(jié)方便程度。 以上四點(diǎn)在不同類結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)是不一樣的。 5.2無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器的基本結(jié)構(gòu) 5.2.1IIR濾波器的特點(diǎn) (1)系統(tǒng)的單位抽樣響應(yīng)h(n)是無(wú)限長(zhǎng)的。 (2)從(5.1.1)式看,必須至少有某一個(gè)ak≠0,也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)上一定存在著輸出到輸入的反饋,或者說(shuō)一定是遞歸型結(jié)構(gòu)。 。3)從(5.1.2)式看,由于至少有某一個(gè)ak≠0,故系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限z平面(0<|z|<∞)上一定有極點(diǎn)存在。 (4)在(5.1.2)式中,若只有b0不為零,其他bk=0 。╧=1,2,…,M),則稱為全極點(diǎn)型的IIR濾波器或稱自回歸(AR)系統(tǒng);只要有兩個(gè)或多個(gè)bk≠0,則稱為零極點(diǎn)型的IIR濾波器或稱自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)系統(tǒng)。 (5)IIR濾波器同一個(gè)H(z)可以有直接Ⅰ型、直接Ⅱ型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型結(jié)構(gòu),還有下一節(jié)將討論到的格型結(jié)構(gòu)。 (6)單位沖激響應(yīng)h(n)為實(shí)數(shù),則(5.1.1)式、(5.1.2)式中的所有系數(shù)(ak,bk)都應(yīng)為實(shí)數(shù)。 5.2.2直接型結(jié)構(gòu) ……
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