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出版者:科学出版社

作者:丁士心崔桂梅崔桂梅

出品人:

页数:276

译者:

出版时间:2005-7

价格:25.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030151469

丛书系列:

图书标签:

• 虚拟仪器
• LabVIEW
• 数据采集
• 仪器控制
• 测量技术
• 自动化测试
• 信号处理
• 硬件编程
• 软件开发
• 工程测量

数字时代下的信号处理与控制系统前沿 图书简介 本书聚焦于现代工程领域中，信号处理、数据采集与分析，以及自动化控制系统的理论基础、关键技术与工程实践。它旨在为电子工程、自动化、计算机科学以及相关交叉学科的专业人员和高年级学生提供一个全面、深入且贴近实际应用的知识体系。 第一部分：信号的本质与数字化——从连续到离散的桥梁 本部分深入探讨了信号在物理世界中的本质，以及如何将其转化为可供计算和处理的数字形式。 1. 连续时间信号的数学描述与分析 本章首先回顾了傅里叶级数、傅里叶变换（FT）的基本原理及其在频域分析中的核心作用。详细阐述了周期信号、非周期信号的频谱特性，并引入了能量和功率谱密度的概念。重点分析了卷积积分在系统分析中的地位，揭示了时间域操作与频域操作之间的深刻联系。我们探讨了拉普拉斯变换（LT）及其在求解线性时不变（LTI）系统瞬态响应和稳定性分析中的不可替代性，特别是区域收敛域（ROC）的确定与意义。 2. 离散时间信号与系统基础 过渡到离散世界，本章详细介绍了采样定理，即奈奎斯特-香农采样定理的精确表述、推导及其对数字信号处理的决定性影响。讲解了离散时间信号的表示方法、基本序列（如单位脉冲、单位阶跃）及其性质。系统地引入了Z变换，作为复频域分析工具，解析了其与拉普拉斯变换的关系，并着重讲解了因果性、稳定性与Z变换区域收敛域之间的判据。 3. 离散卷积与线性时不变（LTI）离散系统 本节的核心在于离散卷积和差分方程。详细推导了离散卷积和的计算过程，并将其应用于分析离散系统的时域响应。通过将差分方程转化为Z域下的传递函数，展示了如何利用零点和极点的位置来快速判断系统的动态特性和稳定性。对IIR（无限冲激响应）和FIR（有限冲激响应）滤波器的基本结构和特性进行了初步的对比介绍。 第二部分：傅里叶变换家族与高效算法 本部分深入研究了将信号从时域转换到频域的关键工具——傅里叶变换的各种形式，并探讨了实现这些变换的高效计算方法。 4. 离散傅里叶变换（DFT）及其应用 DFT是连接离散时间信号与离散频率谱的桥梁。本章详细解释了DFT的定义、周期延拓的性质，以及其在频谱分析中的直观意义。讨论了频谱泄漏现象及其缓解措施，例如窗函数的选择与应用，包括汉宁窗、海明窗等。 5. 快速傅里叶变换（FFT）算法实现 本章着重于DFT的计算效率问题，系统地介绍了快速傅里叶变换（FFT）算法，特别是Cooley-Tukey算法的蝶形运算结构。通过分解和递归的思想，展示了FFT如何将$O(N^2)$的计算复杂度降低到$O(Nlog N)$。内容涵盖了按时间抽取（Decimation-In-Time, DIT）和按频率抽取（Decimation-In-Frequency, DIF）的实现细节，以及对不同长度序列处理的注意事项。 6. 快速卷积的实现 利用FFT的高效性，本章阐述了如何通过频域乘法实现高效的线性卷积和圆周卷积，这是实现高速滤波和系统仿真的关键技术。对比了直接时域卷积与频域卷积在计算量上的显著差异。 第三部分：数字滤波器设计与实现 本部分是数字信号处理的核心应用，详细讲解了如何根据特定需求设计满足性能指标的数字滤波器。 7. 有限冲激响应（FIR）滤波器设计 FIR滤波器以其固有的线性相位特性和稳定性而备受青睐。本章主要介绍几种主流的FIR滤波器设计方法： 窗函数法： 详细分析了理想滤波器脉冲响应的截断，以及不同窗函数（矩形窗、三角窗、汉宁窗等）对通带纹波、阻带衰减和过渡带宽的影响。 频率采样法： 适用于特定频率点响应要求。 等波纹（Parks-McClellan）算法： 深入探讨了最小化最大误差的优化设计方法，理解切比雪夫等波纹特性。 8. 无限冲激响应（IIR）滤波器设计 IIR滤波器在实现相同幅频响应时，通常比FIR滤波器具有更低的阶数。本章侧重于模拟原型滤波器的设计与转换： 模拟滤波器原型： 详细介绍巴特沃斯（Butterworth）滤波器（最大平坦特性）和切比雪夫（Chebyshev）滤波器（等波纹特性）的规范化设计。 从模拟到数字的转换技术： 重点讲解了脉冲响应不变法（Impulse Invariance）和双线性变换法（Bilinear Transformation），分析双线性变换引入的频率轴压缩（端点效应）及其校正方法。 9. 滤波器结构与定点效应 讨论了IIR和FIR滤波器的直接形式、级联形式和并联形式等基本结构。更重要的是，引入了实际实现中不可避免的量化误差问题，包括系数量化误差和运算舍入误差，并探讨了提高定点运算精度和降低误差累积的实现策略。 第四部分：随机信号处理与参数估计 本部分将焦点从确定性信号转向随机过程，这是现代通信、雷达和监测系统分析的基础。 10. 随机过程的基本理论 介绍随机信号的基础概念，包括平稳随机过程、宽平稳（WSS）和窄平稳（NSS）的定义。核心内容是自相关函数和功率谱密度（PSD）的性质，以及如何利用维纳-辛钦定理将二者联系起来。讲解了平稳随机过程通过LTI系统的输出PSD的计算方法。 11. 谱估计方法 区分了非参数谱估计方法和参数谱估计方法： 经典谱估计： 详细分析了周期图法（直接和改进的韦尔奇法），探讨了其方差和偏差特性。 参数谱估计： 引入了自回归（AR）模型，讲解了最大熵谱估计（MEM）的基本思想，以及最小方差无失真响应（MVDR）谱估计的原理。 12. 现代自适应滤波原理 介绍自适应系统的基本框架，即系统识别、噪声消除和均衡器应用。重点讲解了最小均方（LMS）算法和归一化LMS（NLMS）算法的迭代更新规则、收敛性能分析以及步长参数的选择对跟踪能力和稳态误差的影响。 第五部分：工程应用与系统集成考量 本部分将理论知识与实际工程问题相结合，讨论系统建模、数据采集和实际部署的挑战。 13. 采样与数据采集系统的误差分析 系统梳理了A/D（模数转换）和D/A（数模转换）过程中的关键参数：量化噪声、有效位数（ENOB）、信噪比（SNR）以及时钟抖动对信号保真度的影响。讨论了抗混叠滤波器的设计要求及其在实际采集链中的作用。 14. 系统辨识基础 介绍如何利用实验数据来估计LTI系统的传递函数或差分方程。对比了基于频域和基于时域的辨识方法，例如相关法和最小二乘法在参数估计中的应用。 15. 数字信号处理系统的硬件实现考量 简要概述了DSP芯片、FPGA和通用微处理器在信号处理任务中的适用性对比。讨论了流水线技术、并行处理在提高实时性方面的作用，以及系统设计中对功耗、成本和实时响应速度的综合权衡。 本书旨在提供一个坚实的基础，使读者能够深入理解信号转换、分析和控制背后的数学原理，并能独立解决复杂的工程问题，为后续进入更专业化的嵌入式系统、通信调制解调或高级控制理论研究打下坚实基础。

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说实话，对于这种技术类书籍，我最怕的就是内容陈旧或者过于偏激地推崇某一种特定的商业解决方案。这本书完全避开了这些陷阱。它站在一个非常宏观且中立的视角，对各种主流的虚拟化技术进行了客观的对比和分析。例如，在讨论底层驱动程序接口时，作者花了相当大的篇幅来比较不同厂商的API设计哲学，分析了它们在性能、可移植性和维护成本上的优劣。这种平衡感在技术写作中非常难得。我尤其欣赏作者在探讨高级算法实现时所展现出的那种严谨态度，每一步推导都清晰可循，注释详尽得像是给一个初学者写的入门指南，但其深度又足以满足资深研究人员的需求。在提到数据可视化时，书中给出的不仅仅是如何绘制曲线，而是如何通过动态渲染来揭示隐藏在数据背后的物理意义，这已经超出了传统技术手册的范畴，更像是一本关于“数据叙事学”的指南。这种跨学科的视角让这本书的价值大大提升。

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当我开始阅读关于系统集成和网络化测试的部分时，我感觉自己仿佛正在参与一场顶级的技术研讨会。作者对于分布式系统架构的理解非常深刻，他不仅仅描述了如何连接不同的模块，更深入探讨了如何在高并发、低延迟的环境下保证数据的一致性和可靠性。书中的一个案例，关于如何构建一个跨区域的自动化测试网络，其详尽程度令人咋舌，包括了网络拓扑设计、协议选择、乃至防火墙配置的注意事项，无一不体现了作者在实际部署中踩过的“坑”。这种实践经验的分享，是书本上最宝贵的财富。另外，这本书对未来趋势的把握也相当到位。在最后几章中，作者预见了物联网（IoT）和边缘计算对虚拟仪器领域的冲击，并提出了相应的技术应对策略，这让这本书的保质期大大延长，它不仅仅是记录了当下的技术，更像是为未来指明了方向。读完这本书，我不再只是一个技术操作者，更像是一个拥有前瞻性视野的系统架构师。

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这本书的语言风格非常独特，它融合了工程的精确性和人文的温度。许多技术书籍的文字往往冰冷生硬，但这本书在讲解复杂概念时，总能穿插一些引人深思的比喻或历史典故，有效地缓解了阅读过程中的认知疲劳。我特别喜欢作者在阐述抽象概念时所采用的“类比法”，比如用搭建乐高积木来比喻模块化编程，用指挥交响乐团来比喻多任务并行控制，这些比喻不仅形象生动，而且准确地抓住了技术的核心要义。书中的插图和图表也极大地辅助了理解，它们不仅仅是信息的简单堆砌，而是经过精心设计的视觉辅助工具，很多时候一张图胜过千言万语。特别是关于时间同步和时钟源校准那一章，作者精心绘制的流程图，将原本复杂交错的时间戳处理过程梳理得井井有条，让人豁然开朗。总而言之，这是一本真正做到了“深入浅出”的杰作，它让你在享受阅读乐趣的同时，获得了扎实的专业能力提升。

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我必须承认，我是在一个非常偶然的机会下接触到这本书的。当时我正在为一个复杂的信号处理项目寻找解决方案，手头的资料大多零散且碎片化。当我拿到这本书时，原本抱持着一丝希望，但读完前三分之一后，那种如释重负的感觉是难以言喻的。这本书的组织结构堪称艺术品。它不是按照标准的教科书线性展开，而是采用了一种“问题驱动”的叙事方式。每一个章节的引入，都是从一个实际工程中常见的痛点或瓶颈开始，然后层层剥茧，引出相应的虚拟仪器技术解决方案。这种结构极大地提升了阅读的代入感，让读者感觉自己不是在被动接受知识灌输，而是在与一位经验丰富的专家并肩作战，共同攻克难题。特别是关于图形用户界面（GUI）设计的那几页，作者对于人机交互的理解深刻得令人佩服，他强调的“少即是多”的设计哲学，彻底颠覆了我过去对测试软件界面华而不实的印象。读完后，我立刻重构了我们团队正在开发的原型界面，效果立竿见影，清晰度、操作效率都得到了质的飞跃。

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这本书的封面设计得非常引人注目，那种深邃的蓝色调，配上一些光影交错的线条，立刻就给人一种科技感和未来感。我原本以为这会是一本偏向于纯理论的教材，毕竟“虚拟仪器技术”听起来就挺硬核的。然而，刚翻开第一章，我就被作者那种平易近人的叙述方式给吸引住了。他没有上来就抛出一大堆晦涩难懂的公式，而是巧妙地将技术背景融入到一些实际应用的案例中去。比如，他用了一个很生动的例子来解释数据采集的原理，就好像在描述一个精密的手工匠如何打磨一件艺术品一样，细节丰富，层次分明。书中对于不同硬件平台和软件环境的兼容性讨论也非常深入，这对于我们这些需要在实验室里经常和各种新旧设备打交道的工程师来说，简直是雪中送炭。很多其他书籍往往只停留在理论模型的介绍，但这本书明显更关注落地实施的可能性，每一个技术点背后似乎都能看到作者亲手实践的痕迹。尤其是关于实时数据处理和远程控制那一块的论述，简直是教科书级别的范本，逻辑清晰到让人忍不住想立刻动手搭建一个属于自己的虚拟测试平台。

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