统计信号处理基础

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出版者:电子工业出版社
作者:Steven M. Kay
出品人:
页数:735
译者:罗鹏飞
出版时间:2014-6-1
价格:99.00元
装帧:平装
isbn号码:9787121234484
丛书系列:经典译丛·信息与通信技术
图书标签:
  • 信号处理
  • 统计
  • 通信
  • textbook
  • signal
  • Signal&System
  • 信号处理
  • 统计学
  • 随机过程
  • 通信
  • 雷达
  • 图像处理
  • 机器学习
  • 滤波
  • 估计论
  • 优化方法
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具体描述

本书是一部经典的有关统计信号处理的权威著作。全书分为两卷,分别讲解了统计信号处理基础的估计理论和检测理论。卷I详细介绍了经典估计理论和贝叶斯估计,总结了各种估计方法,考虑了维纳滤波和卡尔曼滤波,并介绍了对复数据和参数的估计方法。卷II全面介绍了计算机上实现的检测算法,并且重点介绍了现实中的信号处理应用,包括现代语音、通信技术以及传统的声纳/雷达系统。本卷从检测的基础理论开始,复习了高斯,c2、F、瑞利及莱斯概率密度;讲解了高斯随机变量的二次型,以及渐近高斯概率密度和蒙特卡洛性能评估。

《现代通信系统原理与设计》 内容简介 本书深入探讨了现代通信系统的核心原理、关键技术以及实际设计方法。在信息爆炸的时代,高效、可靠、安全的通信已成为社会发展的基石。从基础的信号理论到复杂的编码调制,从物理层到应用层,本书系统地勾勒出通信系统全貌,旨在为读者构建坚实的理论基础,并提供指导实际系统设计的实用工具。 第一章 信号与系统:通信的基石 本章将从信号的基本概念入手,介绍连续时间和离散时间信号的分类、表示以及重要的数学特性。我们将深入理解信号的能量、功率,以及傅里叶级数和傅里叶变换在信号频谱分析中的核心作用,这为理解信息是如何被编码和传输奠定了基础。接着,我们将引入系统的概念,探讨线性时不变(LTI)系统的定义、性质以及其在信号处理中的重要性。通过卷积运算,我们将揭示系统如何影响输入信号,从而理解滤波、均衡等基本信号处理操作。本章还会触及采样定理,解释了将连续信号转换为离散信号的关键条件,以及采样过程可能引入的混叠失真及其解决方法。此外,我们将简要介绍Z变换,它是在离散时间信号与系统分析中不可或缺的数学工具,为后续的数字信号处理奠定基础。 第二章 概率论与随机过程:不确定性下的通信 通信系统时刻面临着噪声和干扰等随机因素的影响。本章将从概率论的基本概念出发,详细阐述随机变量、概率密度函数(PDF)、累积分布函数(CDF)以及期望、方差等统计量。我们将重点介绍几种重要的概率分布,如均匀分布、高斯分布、泊松分布等,并分析它们在通信系统中的应用场景。在此基础上,我们将引入随机过程的概念,包括平稳性、独立增量过程、马尔可夫过程等,并重点分析狭义平稳(WSS)和广义平稳(WSS)随机过程的性质。我们将学习如何描述随机过程的功率谱密度,以及如何分析随机过程通过线性系统后的输出特性。布朗运动、白噪声等经典随机过程模型将在本章得到详细阐述,它们是建模通信系统中实际噪声的重要手段。最后,本章还将介绍中心极限定理等概率论的重要结论,为理解和分析复杂通信系统提供理论支撑。 第三章 信息论基础:信息量的度量与通信极限 信息论是理解通信系统容量和效率的理论基石。本章将从信息熵的概念入手,介绍离散信源的熵、联合熵、条件熵以及互信息的计算。我们将深入理解这些信息度量如何量化信息的不确定性以及不同随机变量之间的依赖程度。接着,我们将引入信道容量的概念,学习香农第二定理,理解在给定信道条件下,信息传输的最大速率及其理论界限。本章还将讨论信源编码和信道编码的基本原理,虽然不深入具体编码算法,但会阐述其在压缩信息和增加传输鲁棒性方面的作用。我们将了解编码的目标是减少冗余或引入冗余以对抗噪声,从而逼近信息论所设定的传输极限。 第四章 数字调制技术:信息载体的编码 本章将聚焦于将数字信息转化为适合在物理信道上传输的模拟信号的各种调制技术。我们将首先介绍基带传输和通带传输的区别,并分析带通信号的频谱特性。接着,我们将详细讲解几种基本的线性调制方法,包括幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。我们会分析它们的星座图、功率谱密度、带宽效率以及抗噪声性能。在此基础上,我们将深入探讨更高级的调制方案,如正交幅度调制(QAM),它通过结合幅度和相位来提高频谱效率。我们将分析不同阶数的QAM星座图及其优缺点。本章还将介绍相干解调和非相干解调的概念,以及它们在接收端恢复数字信息时的性能差异。此外,我们将简要讨论频率合成与载波恢复技术在实现相干解调中的作用。 第五章 数字解调与检测:从信号到信息的恢复 本章将侧重于接收端如何从包含噪声和失真的信号中准确地恢复出原始的数字信息。我们将从贝叶斯准则出发,引入最大后验概率(MAP)检测和最大似然(ML)检测的概念,这是实现最优检测的基础。我们将分析这些检测准则在二元和多元信号检测中的具体应用。对于线性调制信号,我们将重点介绍最佳线性接收器的设计,包括匹配滤波器(Matched Filter)的设计及其在加性高斯白噪声(AWGN)信道下的性能分析。我们将推导出误码率(BER)与信噪比(SNR)之间的关系,并分析不同调制方式的BER性能。本章还将讨论非线性解调技术,并介绍非比特同步下的信号检测挑战,如载波相位和频率误差对解调性能的影响。 第六章 信道编码:对抗噪声的屏障 本章将深入探讨信道编码在提高通信可靠性方面的关键作用。我们将从编码和解码的基本概念入手,介绍纠错码的类型,包括线性分组码和卷积码。对于线性分组码,我们将详细讲解其生成矩阵、校验矩阵、汉明距离等概念,并分析如何通过这些参数来评估编码的纠错能力。我们将以汉明码、循环码为例,展示它们的编码和解码过程。对于卷积码,我们将介绍其编码结构、状态图、卷积树和度量(Viterbi算法),并阐述如何利用Viterbi算法实现最佳的译码。本章还将简要介绍Turbo码和LDPC码等现代高性能纠错码,并分析它们在现代通信系统中扮演的重要角色。我们将理解信道编码通过引入冗余,使得接收端能够检测甚至纠正传输过程中产生的错误,从而大幅度降低误码率。 第七章 均衡技术:克服信号失真 在许多通信信道中,信号会发生失真,尤其是在高数据速率下,符号间的干扰(ISI)成为一个严重的问题。本章将深入研究均衡技术,其目标是补偿信道引起的失真,从而提高接收端的性能。我们将首先分析ISI的成因及其对信号检测的影响。接着,我们将介绍几种主要的均衡器设计方法,包括线性均衡器(如横跨均衡器CTFE、延迟线均衡器DFE)和非线性均衡器。我们将推导均衡器的设计准则,例如最小均方误差(MMSE)准则和最大信噪比(MNS)准则,并分析这些均衡器在不同信道条件下的性能。本章还将讨论自适应均衡技术,介绍均衡器如何根据信道的变化动态调整其参数,以适应时变的信道环境。 第八章 多用户通信技术:共享信道的智慧 随着用户数量的激增,如何高效地在同一信道上传输来自多个用户的信号成为现代通信系统设计中的核心挑战。本章将重点介绍几种重要的多用户通信技术。我们将首先探讨多址(Multiple Access)技术,包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。我们将详细分析CDMA的原理,包括扩频、伪随机码序列以及其在抗干扰和共享频谱方面的优势。接着,我们将引入多输入多输出(MIMO)技术,它利用多个发射天线和多个接收天线来提升系统的吞吐量和可靠性。我们将阐述MIMO系统的基本原理,包括空间复用、分集合束和空间分集增益。此外,本章还将讨论干扰对消(Interference Cancellation)技术,以及如何通过先进的信号处理算法来抑制和消除用户之间的干扰,从而提高系统的整体容量和效率。 第九章 现代通信系统实例分析 为了将理论与实践相结合,本章将选取几个典型的现代通信系统进行深入分析。我们将以蜂窝移动通信系统(如4G LTE、5G NR)为例,解析其在物理层、链路层以及网络层的设计理念和关键技术,包括OFDM(正交频分复用)、MIMO、先进的信道编码和调制技术等,以及它们如何协同工作以提供高速、低延迟的移动通信服务。我们还将探讨Wi-Fi技术(如802.11ax)的演进,分析其在室内环境下的高效频谱利用和高密度用户接入策略。此外,我们还将简要介绍卫星通信、光纤通信等领域所采用的先进信号处理技术和系统设计原则。通过这些实例分析,读者将能够更直观地理解本书所介绍的理论知识在实际通信系统中的应用,以及它们如何共同构建起我们今日的信息社会。 结论 《现代通信系统原理与设计》旨在为通信工程、电子工程、计算机科学以及相关领域的学生和工程师提供一个全面而深入的视角。本书的编写遵循由浅入深的原则,从基础概念到高级技术,逻辑清晰,内容翔实。通过学习本书,读者将能够理解现代通信系统的核心挑战,掌握分析和设计通信系统所需的关键理论工具,并为进一步研究通信领域的最新发展奠定坚实的基础。本书不仅是理论学习的宝贵参考,更是指导实际系统开发和优化的重要指南。

作者简介

Steven M.Kay是美国罗德岛大学电子与计算机工程系的教授, 并且是信号处理方面的国际知名学者, 一直致力于数学统计方法在数字信号处理中的应用研究。1989年, 由于他在参数谱估计与检测的理论和应用方面做出的突出贡献而被选为IEEE的会士。 Kay教授还承担了许多本科生和研究生的教学工作, 他讲授的本科生课程有“线性系统”、 “线性系统与信号”, 研究生课程有“线性变换分析”、 “数字信号处理”、 “随机过程导论”、 “通信理论”、 “估计理论”、 “调制与检测”和“信号处理中的高级专题(现代谱估计)”等。

目录信息

目录
卷Ⅰ:统计信号处理基础——估计理论
第1章 引言
1.1 信号处理中的估计
1.2 估计的数学问题
1.3 估计量性能评估
1.4 几点说明
参考文献
习题
第2章 最小方差无偏估计
2.1 引言
2.2 小结
2.3 无偏估计量
2.4 最小方差准则
2.5 最小方差无偏估计的存在性
2.6 求最小方差无偏估计量
2.7 扩展到矢量参数
参考文献
习题
第3章 CramerRao下限
3.1 引言
3.2 小结
3.3 估计量精度考虑
3.4 CramerRao下限
3.5 高斯白噪声中信号的一般CRLB
3.6 参数的变换
3.7 扩展到矢量参数
3.8 矢量参数变换的CRLB
3.9 一般高斯情况的CRLB
3.10 WSS高斯随机过程的渐近CRLB
3.11 信号处理的例子
参考文献
习题
附录3A 标量参数CRLB的推导
附录3B 矢量参数CRLB的推导
附录3C 一般高斯CRLB的推导
附录3D 渐近CRLB的推导
第4章 线性模型
4.1 引言
4.2 小结
4.3 定义和性质
4.4 线性模型的例子
4.5 扩展到线性模型
参考文献
习题
第5章 一般最小方差无偏估计
5.1 引言
5.2 小结
5.3 充分统计量
5.4 求充分统计量
5.5 利用充分统计量求MVU估计量
5.6 扩展到矢量参数
参考文献
习题
附录5A NeymanFisher因子分解定理(标量参数)的证明
附录5B RaoBlackwellLehmannScheffe定理(标量参数)的证明
第6章 最佳线性无偏估计量
6.1 引言
6.2 小结
6.3 BLUE的定义
6.4 求BLUE
6.5 扩展到矢量参数
6.6 信号处理的例子
参考文献
习题
附录6A 标量BLUE的推导
附录6B 矢量BLUE的推导
第7章 最大似然估计
7.1 引言
7.2 小结
7.3 举例
7.4 求MLE
7.5 MLE的性质
7.6 变换参数的MLE
7.7 MLE的数值确定
7.8 扩展到矢量参数
7.9 渐近MLE
7.10 信号处理的例子
参考文献
习题
附录7A 蒙特卡洛方法
附录7B 标量参数MLE的渐近PDF
附录7C EM算法例题中条件对数似然函数的推导
第8章 最小二乘估计
8.1 引言
8.2 小结
8.3 最小二乘估计方法
8.4 线性最小二乘估计
8.5 几何解释
8.6 按阶递推最小二乘估计
8.7 序贯最小二乘估计
8.8 约束最小二乘估计
8.9 非线性最小二乘估计
8.10 信号处理的例子
参考文献
习题
附录8A 按阶递推最小二乘估计的推导
附录8B 递推投影矩阵的推导
附录8C 序贯最小二乘估计的推导
第9章 矩方法
9.1 引言
9.2 小结
9.3 矩方法
9.4 扩展到矢量参数
9.5 估计量的统计评价
9.6 信号处理的例子
参考文献
习题
第10章 贝叶斯原理
10.1 引言
10.2 小结
10.3 先验知识和估计
10.4 选择先验PDF
10.5 高斯PDF的特性
10.6 贝叶斯线性模型
10.7 多余参数
10.8 确定性参数的贝叶斯估计
参考文献
习题
附录10A 条件高斯PDF的推导
第11章 一般贝叶斯估计量
11.1 引言
11.2 小结
11.3 风险函数
11.4 最小均方误差估计量
11.5 最大后验估计量
11.6 性能描述
11.7 信号处理的例子
参考文献
习题
附录11A 连续时间系统到离散时间系统的转换
第12章 线性贝叶斯估计量
12.1 引言
12.2 小结
12.3 线性MMSE估计
12.4 几何解释
12.5 矢量LMMSE估计量
12.6 序贯LMMSE估计
12.7 信号处理的例子—维纳滤波器
参考文献
习题
附录12A 贝叶斯线性模型的序贯LMMSE估计量的推导
第13章 卡尔曼滤波器
13.1 引言
13.2 小结
13.3 动态信号模型
13.4 标量卡尔曼滤波器
13.5 卡尔曼滤波器与维纳滤波器的关系
13.6 矢量卡尔曼滤波器
13.7 扩展卡尔曼滤波器
13.8 信号处理的例子
参考文献
习题
附录13A 矢量卡尔曼滤波器的推导
附录13B 扩展卡尔曼滤波器的推导
第14章 估计量总结
14.1 引言
14.2 估计方法
14.3 线性模型
14.4 选择一个估计量
第15章 复数据和复参数的扩展
15.1 引言
15.2 小结
15.3 复数据和复参数
15.4 复随机变量和PDF
15.5 复WSS随机过程
15.6 导数、梯度和最佳化
15.7 采用复数据的经典估计
15.8 贝叶斯估计
15.9 渐近复高斯PDF
15.10 信号处理的例子
参考文献
习题
附录15A 复协方差矩阵的性质的推导
附录15B 复高斯PDF性质的推导
附录15C CRLB和MLE公式的推导
……
卷Ⅱ:统计信号处理基础——检测理论
第1章 引言
第2章 重要PDF的总结
第3章 统计判决理论Ⅰ
第4章 确定信号
第5章 随机信号
第6章 统计判决理论Ⅱ
第7章 具有未知参数的确定性信号
第8章 未知参数的随机信号
第9章 未知噪声参数
第10章 非高斯噪声
第11章 检测器总结
第12章 模型变化检测
第13章 复矢量扩展及阵列处理
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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不得不提的是,这本书的参考文献和索引部分做得非常出色,体现了作者严谨的学术态度和对该领域知识体系的全面把握。它不仅引用了领域的经典文献,还收录了近几年一些具有前瞻性的研究成果,为我后续的深入研究指明了方向。更棒的是,书中的很多图表和流程图,都采用了高清晰度的矢量图形,即使放大查看细节也毫无模糊感,这在快速理解复杂算法的流程图时提供了极大的便利。此外,书中的术语表非常详尽,许多专业名词的定义精准且到位,这对于跨专业背景的学习者来说,是避免理解偏差的有力保障。总的来说,这本书与其说是一本教材,不如说是一部浓缩的、高度提炼的专业工具书,它的价值不仅仅体现在课堂教学中,更在于它能成为从业者在面对复杂信号处理难题时,可以随时翻阅和信赖的“工具箱”。

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这本书的封面设计很简洁,封皮的质感也相当不错,给人一种专业、严谨的感觉。我拿到手时,首先翻阅了目录,内容结构安排得非常清晰,从基础概念的引入到高级算法的应用,逻辑衔接得很顺畅。作者在绪论部分花了大量篇幅来介绍这门学科的历史沿革和它在现代工程实践中的重要性,读完后我对统计信号处理这门学科的整体脉络有了更深刻的理解。尤其让我惊喜的是,书中对傅里叶变换、Z变换这些核心工具的讲解,不是简单地罗列公式,而是深入剖析了其背后的物理意义和数学原理,这一点对于初学者来说简直是福音。而且,书里穿插了不少工程实例,比如雷达信号处理、通信系统中的噪声抑制等,这些例子让抽象的理论变得生动具体起来,极大地激发了我的学习兴趣。排版方面也做得很好,图文并茂,公式和文字之间的留白处理得恰到好处,长时间阅读也不会感到疲劳。整体来看,这是一本兼具学术深度和工程实用性的优秀教材,非常值得拥有。

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我通常对理工科教材抱持着一种敬而远之的态度,总觉得它们枯燥乏味,充满了难以消化的符号。然而,这本《统计信号处理基础》却成功地打破了我的固有观念。这本书的语言风格异常鲜活,作者似乎非常善于捕捉初学者在学习过程中可能遇到的思维盲区,并提前用通俗易懂的语言进行“预警”和“疏导”。举个例子,在讲解最小二乘估计时,作者没有直接抛出最小化残差平方和的矩阵形式,而是先用几何直观的方式解释了“投影”的概念,使得后续的线性代数工具的使用变得顺理成章。书中还加入了一些对不同估计算法优劣性的批判性分析,比如最大似然估计和最大熵估计在特定条件下的权衡,这种思辨性的内容极大丰富了我的知识结构,让我不再满足于“会用”公式,而是开始思考“为什么这么用”。这本书的阅读体验更像是与一位睿智的朋友进行深入的学术探讨,而不是被动地接收知识灌输。

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对于需要深入研究算法性能的工程师来说,这本书提供了极其宝贵的第一手资料。我关注的重点是参数估计和盲源分离部分。这里的处理方式非常细致,作者不仅回顾了经典的子空间方法,还花费了大量篇幅来讨论现代的迭代优化算法,特别是针对非凸优化问题的求解策略,这一点是很多基础教材所欠缺的。书中对蒙特卡洛模拟在性能评估中的应用介绍得尤为详尽,配有详细的步骤指南和注意事项,这对于我们进行实际的系统仿真和验证工作有着直接的指导意义。我特别欣赏作者在描述算法局限性时的坦诚,例如,哪些算法对初始猜测值敏感,哪些算法的收敛速度与数据信噪比的关系如何,这些“不完美”的揭示,恰恰是工程实践中最宝贵的经验。读完这部分内容,我感觉自己在处理真实世界中带有高度不确定性的信号问题时,信心大大增强了。

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这本书的作者显然是位在领域内深耕多年的专家,其叙事风格非常老道且极富洞察力。阅读过程中,我能明显感受到那种行云流水般的讲解过渡,仿佛有一位经验丰富的导师在我身边耳提面命。与我之前看过的几本同类书籍相比,本书在对随机过程和谱估计的阐述上,展现出了独特的视角和更深层次的数学推导,某些关键定理的证明步骤详略得当,既保证了严谨性又不至于让人迷失在繁复的数学符号中。特别是关于维纳滤波和卡尔曼滤波那一章,作者不仅给出了标准的递推形式,还巧妙地结合了信息论的观点进行解读,这让我豁然开朗,理解了为什么这些滤波器在实际应用中能达到最优性能。书中的习题部分设计得非常巧妙,难度梯度设置合理,基础题巩固了概念,而后面的挑战题则非常考验读者的综合运用能力,对于提升实战能力非常有帮助。总而言之,这本书的知识密度很高,但组织得井井有条,是进阶学习者案头的必备良伴。

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我才发现,我们领域所谓的重要贡献,其实早就写在“估计理论”的教科书中。把别的领域的知识包装一下重新发表,真的是一门稳赚不赔的买卖。

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