第1章離散時間信號 1

1.1 信號的概念及分類 1

1.2 基本離散時間信號的表示 5

1.3 典型離散隨機信號的表示 12

1.4 離散時間信號的基本運算和操作 19

思考與練習題 29

第2章離散傅裡葉變換和Z 變換 32

2.1 離散傅裡葉變換 32

2.2 進行頻譜分析的注意事項 41

2.3 頻譜分析實例 46

2.4 Z 變換概述 48

思考與練習題 50

第3章離散時間繫統 52

3.1 離散時間繫統的概念和性質 52

3.2 離散時間繫統的模型 53

3.3 離散時間繫統的結構、分析與實現 59

思考與練習題 70

第4章數字濾波器設計 73

4.1 概述 73

4.2 IIR濾波器設計 75

4.3 FIR濾波器設計 85

思考與練習題 97

第5章離散隨機信號及其特征 100

5.1 隨機變量和隨機信號 100

5.2 隨機信號的平穩性和各態遍歷性 101

5.3 平穩隨機信號特征描述 103

5.4 平穩隨機信號相關分析和譜密度 106

5.5 平穩隨機信號通過線性繫統 112

思考與練習題 117

第6章離散隨機信號的估計和濾波 119

6.1 隨機信號估計的解釋 119

6.2 小均方誤差估計和小二乘估計 122

6.3 線性濾波和預測 129

思考與練習題 136

第7章平穩隨機信號線性模型 137

7.1 概述 137

7.2 全極點模型和自回歸模型 139

7.3 其他模型簡述 144

7.4 隨機信號建模 148

思考與練習題 173

第8章微弱信號數字化檢測技術 175

8.1 數字化檢測中的抗混疊方法和采樣策略 175

8.2 數字平均和數字濾波技術 182

8.3 數字相關檢測 188

8.4 調制解調、閉環檢測和偏置工作點控制 193

8.5 微弱信號數字化檢測技術綜合舉例 201

思考與練習題 202

第9章噪聲抵消和經驗建模技術 203

9.1 相關抵消技術 203

9.2 自適應噪聲抵消 209

9.3 經驗建模技術 212

思考與練習題 224

第10章實時數字信號處理繫統概述 226

10.1 實時數字信號處理繫統的特點 226

10.2 實時數字信號處理繫統的基本組成 227

10.3 實時數字信號處理繫統的數字表示法 235

思考與練習題 247

第11章實時數字信號處理繫統的軟件和硬件結構 249

11.1 實時數字信號處理繫統的通用軟件結構 249

11.2 硬件描述語言中的典型軟件結構 255

11.3 實時數字信號處理器的一般硬件結構 260

11.4 FPGA的基本硬件結構 263

11.5 實時數字信號處理繫統中的多處理器結構 266

11.6 數字信號處理器繫統的控制 271

思考與練習題 275

第12章實時數字信號處理繫統的折衷設計 277

12.1 折衷設計方法 277

12.2 軟件和硬件折衷 278

12.3 軟件的時間和空間折衷 282

12.4 硬件的時間和空間折衷 292

12.5 其他類型折衷 301

思考與練習題 307

第13章實時數字信號處理算法的開發 309

13.1 實時數字信號處理算法的概念和性能分析 309

13.2 實時數字信號處理算法的設計和描述 318

13.3 實時數字信號處理算法實現的基本步驟 323

思考與練習題 327

第14章實時數字信號處理繫統實現的技術手段 328

14.1 輸入數據的簡化處理 328

14.2 算法的優化和簡化 329

14.3 算法的轉化和移植 340

14.4 算法的分解 345

14.5 軟硬件聯合設計 352

14.6 通信優化設計 355

14.7 測試和驗證方法 359

思考與練習題361

參考文獻 362

前言

目前，國內關於實時數字信號處理的書籍基本分為兩大類：一是數字信號處理基礎理論類書籍，該類書籍重點講解信號處理理論的物理概念和數學描述，具有繫統、嚴謹的理論體繫；二是講解與數字信號處理相關的硬件和軟件工具類書籍，如DSP、FPGA、ARM、MCU 芯片應用和C語言、彙編語言、硬件描述語言以及MATLAB軟件等。但是，在實際的數字信號處理繫統設計和實現過程中，並不能完全將繫統功能和理論算法直接對應到硬件和軟件工具裡，很多情況下需要對繫統功能和算法進行優化、簡化、轉換和重新配置，僅僅這兩類書籍是無法覆蓋全過程的。此外，專門針對儀器和傳感器領域講解實時數字信號處理理論、技術和應用的中文書籍也是空白。本書正是根據以上現狀，在凝練和總結儀器和傳感器繫統中所涉及到的重要數字信號處理知識和典型應用方法的基礎上，重點介紹將信號處理理論映射到軟硬件工具中的通用方法和技術，較為繫統和全面地論述了如何在儀器和傳感器中設計和實現實時數字信號處理繫統，在數字信號處理理論和實現工具之間架設了一座橋梁，並能夠給已經學習過基礎理論的高年級本科生、研究生、相關研究人員和工程師的科研實踐工作提供必要和有效的指導。本書在高度凝練和總結基礎理論的基礎上重點介紹實踐方法和應用技術，為了突出實踐性和技術特點，針對提煉出的各種通用技術和方法都配備了相應的例子加以說明，這些提煉的共性技術和舉例均源於作者二十年從事儀器、傳感器信號處理教學和科研實踐的累積。

本書共14章，按內容可分為4大部分：一、實時數字信號處理應用基礎，二、離散隨機信號處理應用基礎，三、儀器和傳感器中的典型數字信號處理技術，四、儀器和傳感器實時數字信號處理繫統設計。、二部分介紹數字信號處理和離散隨機信號處理的理論和應用基礎知識，並配有大量MATLAB仿真實例;第三部分介紹儀器和傳感器中常用的數字信號處理技術，包括微弱信號數字化檢測、噪聲抵消、經驗建模和自適應濾波等，並輔以應用舉例;第四部分介紹儀器和傳感器中實時數字信號處理繫統的設計和實現，重點是如何將信號處理理論映射到軟硬件工具中的通用方法和技術上來，在信號處理理論和實現工具之間架設一座橋梁。本書還為每章配備了思考與練習題。

該書的受眾是儀器、光學、電子和自控等專業的高年級本科生、研究生、相關研究人員和工程師，假設讀者已經具備高等數學、線性代數、概率統計、信號與繫統、數字電路和計算機原理的初步知識。所以，內容並不拘泥於全面而繫統地介紹實時數字信號處理理論，而是凝練了儀器和傳感器繫統中所涉及到的重要信號處理知識和典型應用方法，突出儀器和傳感器繫統的特點，並通過大量的實例來強調理論和公式的應用，還融入了科學研究中提煉的科學問題和工程實踐問題，從應用中歸納、總結和提煉方法。

本書由北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院的金靖教授編著，李慧、孔令海、任聰、王鵬躍、賀紀亮編制和測試了全書的仿真實例，王鵬躍、賀紀亮編制了部分習題並和張浩石、朱雲鴻對全書內容進行了校驗。本書的出版得到了校級規劃教材立項資助，在前期策劃和準備階段也得到了學院和課題組的支持和幫助，在此表示衷心感謝。還要特別感謝家人的理解、鼓勵和支持。

由於作者水平有限，書中尚存缺點和遺漏之處，懇請讀者提出寶貴意見和建議，以幫助作者提高水平和完善書稿。

作者

2019年6月