数字信号处理教程——MATLAB释义与实现 (第3版).pdf

北京BEIJING Publishing House of Electronics Industry 陈怀琛 编著柴 政 陈怀琛 修订数字信号处理教程 MATLAB 释义与实现（第 3 版）内 容 简 介 本教程系统地讲解了数字信号处理的基本理论和方法，注重物理概念的阐述，尽量把 MATLAB 的多媒体功能用于图形、动画和声音等形象的演示，是一本自始至终使用 MATLAB 来阐述问题和进行计算的数字信号处理教材。本教程中的全部例题程序和演示程序都可以免费从网上下载。本教程把数字信号处理课程定位为讲述“用数字方法处理（任何）信号”的技术，因此，对模拟信号的计算机处理给予了充分的篇幅，而这正是目前许多数字信号处理教材的弱点。本书适合作为电子信息专业的大学本科学生教材，书中采用了大小两种字号混排，目的是适应不同专业和不同要求的本科学生。对于学过数字信号处理课程，但没有用 MATLAB 来解决有关问题的研究生和工程技术人员，也有很好的参考价值。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 数字信号处理教程：MATLAB 释义与实现/陈怀琛编著.3 版.北京：电子工业出版社，2013.8 ISBN 978-7-121-20983-3 .数 .陈 .数字信号处理计算机辅助计算软件包高等学校教材 .TN911.72 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 158101 号 策划编辑：郭 立 张国霞 责任编辑：徐津平 特约编辑：顾慧芳 印 刷：三河市双峰印刷装订有限公司 装 订：三河市双峰印刷装订有限公司 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：17.25 字数：500 千字 印 次：2013 年 8 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：39.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。III 第第 3 版序版序 本书自 2004 年出版以来，受到学术界和工程界的广泛好评。主要原因在于它是国内第一本用计算机作为解题和演示工具的信号处理教材，并且非常强调物理意义和实际应用。但我们发现，购买本书的多为教师和工程师，本科院校选择它作为教材的还不够多。其原因可能有二：一是相当多大学的三年级学生还没有 MATLAB 的基础；二是这本教材的内容相对于本科的教学要求还有些偏多偏深，上次修订时就有过予以精简的设想，但没有实施。随着时间的推移，全国各个大学对科学计算语言日益重视。2009 年，教育部高教司推行了“利用信息技术工具改造课程项目”，推动了许多大学课程的计算机化。有的学校在大一的线性代数、物理等课程以及大二的力学、电路、信号与系统等课程中开始讲授和使用 MATLAB语言，这些学生到了大三时已经有了初步的 MATLAB 编程能力，推广这本教材也就有了较好的基础。逐渐地有更多学校的老师希望使用这本书做教材，建议我们按普及知识的思路对本书进行改编，这促进了我们进一步修订的决心。此次修订中，我们保留了所有讲述基本概念的文字、程序和图形，更加注意上下文的衔接，自始至终运用 MATLAB 程序阐述问题，提供了其他教材没有的图形、曲线和动画。全书提供了演示程序、例题程序、解题子程序近 160 个，与前两版相差不多。书中仍用大小两种字号排版，并附有大量思考题和习题，便于读者按先简后繁的次序循序渐进地阅读。书中采用的大小两种字号中，小字属于可以不学的次要内容，便于学生自学时跳过。作为基本要求，全书用大字印刷的内容不到 200 页。如果学生有了初步的 MATLAB 语言基础，在本科教学计划时间内掌握本书所讲内容应该是不困难的。这一版的程序集取名为 dsk04t。实际上该版的程序都包含在前两版的程序集中。例题程序名原来是按例题编号取的，由于例题的减少，会造成编号的变化，遇到这种情况，我们将按新的编号确定程序名，并在后面加一个字母“t”，以免与以前的程序名混淆。例如原来的例 3.2.4，原有的程序名为 hc324，在修订版中其编号变为了例 3.2.2，在程序集 dsk04t 中它的程序名就改为 hc322t，不过这种情况不多，绝大多数例题程序的编号都没有变化。本书的程序集和相关课件等教学资料可从下列网址中找到并下载。（1）本人主页：http：/。（2）出版社网站：http：/ ，柴政老师的电子邮件地址为：，欢迎读者朋友向我们提出对教材的建议。电子工业出版社对本书的修订给予了大力支持，编辑张国霞做了大量的工作，我们谨表谢意。西安电子科技大学 陈怀琛 2013 年 6 月 I 第第 2 版序版序 本书第 1 版于 2004 年 11 月出版以后，读者普遍反映很好。因为这本书与其他传统的教材不同，它是一本用 MATLAB 全面阐述数字信号处理的教材，给出了所有概念阐述的形象演示和分析设计的计算机算法，而且提供了例题和演示的程序集，书中所有理论和公式都可以通过执行程序得到验证，理论联系实际。读者学完后会快速地用计算机解决问题，做到心中有底。读者反映这本书的缺点主要是对本科生而言内容有些偏多。在修订出版第 2 版时，我们最初想把书改浅一些，薄一点，为此又专门征求了一些曾仔细阅读并使用过本书的教授的意见。现把他们的意见摘出几条：“我觉得您已出版的释义虽然厚一些，但写得易懂。若从头写一本更薄的，恐怕篇幅小，难以达到释义那本书的效果。”，“您的书是国内用 MATLAB 阐述 DSP 的第一本好书。最好不要重新写另一本。完全可以在原来的基础上进一步完善。”经过探讨，大家觉得本书在对物理和数学概念的阐述上毫不逊于传统的教材，例如，关于模拟频率和数字频率的定义、关于角频率的正负，以有主对 DFT 的序号 k 与实际频率 f 的关系等，讲得很细致，便于本科生接受。其实，作者收到过一些本科生赞扬本书的来信，他们的经验是，不要怕书厚，不要怕 MATLAB，一个问题一个问题地看下去，这本书讲得很清楚，而且马上可以用程序验证，很好懂。目前，大学本科用这本书作教材的还不太多，第一个原因是很多大学生（甚至部分老师）的 MATLAB 基础差，见到程序就头痛，不敢用 MATLAB 教学。但是从国内外发展的趋势来看，要搞信号处理，不用计算机是不行的，用 MATLAB 的学校只会愈来愈多。令我们高兴的是：随着时间的推移，本书的大量程序已被多本其他教材引用。我们不能自己放弃或削弱这个特色。第二个原因是书中确有少数偏深的内容，这些内容虽然超越了本科大纲，却有利于已经毕业的读者在设计中更好地运用 MATLAB，也有利于大学生在后续课程或毕业设计中应用。考虑到第 1 版的读者群并不限于本科生，很多是毕业了的工程师或研究生，这些内容仍是重要的，不能删除。同时为了保证大学生阅读方便，在本版中把它们用小号字印刷。这样，第 2 版的修订量就比较小，主要包括了以下三方面：改正了第 1 版中的一些印刷错误和图文标注；由于 MATLAB 软件的升级，对相关部分按新版本做了修订；尽量减少大号字的篇幅，把它们改为小号字，使本科生能抓住要点，阅读方便。修订后程序集内容基本不变，新程序集名称改为 dsk04n，修改中尽量考虑了新旧版本的兼容问题。北京理工大学的王大伦教授曾仔细阅读本书第 1 版，对书中的大小错误都做了批注，并反馈给作者，对第 2 版的修订帮助很大，在此特表谢意。用 MATLAB 已经可以把信号处理的概念设计变成非常方便的工作。近几年来，Mathworks 公司致力于扩展 MATLAB 的功能，目的是用基于模型的流程，使用统一的软件工具，把概念设计变成工程设计。这就更提高了把 MATLAB 作为设计工具的重要性。我们在本版中增加了第 10 章，对此做了一个引导性的介绍。北京迈斯沃克公司（Mathworks China）的徐正高高级工程师写了该章的 10.4 和 10.5 两节，我们在此深表谢意。陈怀琛 2008-05-19 于西安电子科技大学 第第 1 版序版序 随着电子技术迅速地向数字化发展，数字信号处理越来越成为广大理工科学生，特别是 IT 领域的学生和技术人员的必修内容，先前也出版过很多有关这方面的书籍。但国内这门课程本身的现代化进程，却并不令人满意。这里的“现代化”指的是利用最新的计算技术和网络手段进行教学。我编写这本书的目的，就是想突出利用 MATLAB 和 Internet 来进行数字信号处理的教学。信号处理涉及大量的运算，可以说离开了计算机及相应的软件，就不可能解决任何稍微复杂的实际应用问题。早在 20 世纪 90 年代中期，MATLAB 就已成为国际公认的信号处理的标准软件和开发平台。从 1996 年开始，美国新出版的信号处理教材就没有一本是不用MATLAB 的（见参考文献1，3，7，8，9）。而国内把 MATLAB 贯彻始终的信号处理教材却还很少，在教学中真正用 MATLAB 的就更少，两者相比落后了近八年。本书的一个意图就是使之成为一本自始至终使用 MATLAB 阐述问题和进行计算的数字信号处理教材，更好地与国际接轨。关于数字信号处理课程的内涵，存在着两种不同看法：一种看法是把“数字信号”限定为“处理”的对象；另一种看法则把“数字技术”作为一种方法，研究如何用它来“处理信号”。从第一种看法出发，“数字信号处理”课程只讲离散信号。经验证明，这种划分会造成学生不会用数字技术处理连续信号，形成学科内容的“空白区”。而从第二种看法出发，“数字信号处理”课程应该同时考虑连续和离散信号，重点是如何用计算机进行分析和计算。我赞同后一种看法。因此，在本书多处加强了离散信号和连续信号等价性的讨论，并详细介绍了连续信号频谱的数值计算问题。中国的教材一般将快速傅里叶变换列为一章，篇幅约 3040 页。美国教材则通常列为一节，篇幅一般只有 10 页左右。这是什么原因？我认为目前在所有的科学计算软件和数字信号处理芯片中，FFT 已经是标准的模块，一般都没有必要自己编写 FFT 程序，所以重点应该是 FFT 的用法而不是算法。国外教材对这部分内容经历了“薄厚薄”的历史过程，我国则慢了一拍，所以本教材也精简了这方面的内容。在把数字信号处理概念与 MATLAB 语言相结合方面，国外教材有多种模式。有的以讲概念为主，把 MATLAB 放在作业和实验中（见参考文献9）；有的以 MATLAB 为主，概念则建议读者另选教材（见参考文献1）；有的两者都讲得不少，但书就变得很厚（见参考文献8）：本书则大体采纳了参考文献3的模式，以系统地讲解信号处理的原理为主，用 MATLAB 程序的核心语句帮助解释概念。要做到这点，学生必须在修本课程以前已经学过并用过 MATLAB。当然，这并不是说，没有学过 MATLAB 就不能用本书。我曾在西安电子科技大学和桂林电子工业学院两次使用 MATLAB 进行数字信号双语教学，教材是英文书（见参考文献1），课堂上 90%用英语讲，学生中多数人没有学过 MATLAB，课还是正常进行，完成得还可以。但这些学生都已通过英语四级，因此属于班级中程度较高者，而且多加了一个学分。尽管如此，在教学中有些同学仍提出“究竟是着重概念还是编程”这样的问题，说明他们将语言和概念结合起来时仍感到困难。所以，经验告诉我们：从大面积课堂教育而 I 言，最好不要把 MATLAB 放到高年级和信号处理混在一起学。我一贯的指导思想是：学生应在大学一年级或二年级学习 MATLAB，这对各门课程都有好处。信号处理课是在大学三年级开设的。此时学生应该已经能用矩阵建模并用 MATLAB语言来思考和概括数学问题了。有了这样的基础，才能对本书有较深的体会。建议未学过MATLAB 的读者，至少用 10 个小时左右的时间先学习其入门并实际做一些应用。由于读者可以免费获得全部程序，从而也可得到程序产生的图形。我们把书中的程序