Digital Filters Design for Signal and Image Processing (Digital Signal & Image Processing Series (IS pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026

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出版者:Wiley-ISTE

作者:Najim, Mohamed 編

出品人:

頁數:369

译者:

出版時間:2006-10-31

價格:USD 215.00

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9781905209453

叢書系列:

圖書標籤:

• Digital Filters
• Signal Processing
• Image Processing
• Filter Design
• Digital Signal Processing
• DSP
• Image Filtering
• Algorithms
• Mathematics
• Engineering

《數字濾波器設計：信號與圖像處理的理論與實踐》 本書簡介 本書深入探討瞭數字濾波器的設計原理、實現方法及其在現代信號與圖像處理領域中的廣泛應用。作為一本麵嚮工程實踐與理論研究的專著，它旨在為讀者提供一個全麵而深入的知識框架，使他們能夠熟練掌握從基礎理論到高級應用的整個設計流程。 第一部分：數字信號處理基礎迴顧與濾波器理論 本書開篇即對數字信號處理（DSP）的基本概念進行瞭詳盡的迴顧，為後續的濾波器設計奠定堅實的數學基礎。 離散時間信號與係統： 詳細闡述瞭連續時間信號到離散時間信號的采樣過程，以及離散時間信號的錶示法、頻譜分析（如傅裏葉變換及其在數字域的實現——DFT和FFT）。係統分析部分聚焦於綫性時不變（LTI）係統的特性，包括係統的因果性、穩定性、頻率響應的定義與計算。 Z變換及其應用： Z變換是分析和設計數字濾波器的核心數學工具。本書將Z變換的定義、收斂域、性質及其在係統函數（傳輸函數 $H(z)$）推導中的作用進行瞭細緻的講解。通過分析係統的零點和極點在Z平麵上的位置，直觀地揭示瞭濾波器對不同頻率分量的處理特性。 濾波器分類與性能指標： 係統地介紹瞭IIR（無限脈衝響應）和FIR（有限脈衝響應）兩大類數字濾波器的基本結構、優缺點及適用場景。性能指標的闡述非常關鍵，包括通帶、阻帶的截止頻率、紋波大小、過渡帶寬、群延遲特性（特彆是綫性相位需求）等。 第二部分：有限脈衝響應（FIR）濾波器設計 FIR濾波器因其固有的綫性相位特性，在對信號波形保真度要求高的應用中占據重要地位。本部分專注於FIR濾波器的設計技術。 窗函數法： 這是最常用且直觀的FIR設計方法。本書係統分析瞭理想濾波器的頻率響應（如理想低通、高通、帶通等）及其對應的脈衝響應（無限長）。隨後，詳細介紹瞭如何利用各種窗函數（矩形窗、漢寜窗、海明窗、布萊剋曼窗、凱澤窗等）對無限長脈衝響應進行截斷，並精確計算瞭不同窗函數在減小頻譜泄漏和控製阻帶衰減方麵的權衡。特彆是對凱澤窗的設計公式及其迭代求解過程進行瞭深入分析。 頻率采樣法： 當濾波器需要滿足特定頻率點上的精確幅值要求時，頻率采樣法提供瞭另一種有力的工具。本書討論瞭如何通過在頻域設定目標響應點，並利用逆DFT來確定時域脈衝響應的方法，並分析瞭該方法在實現復雜頻率響應時的局限性。 最優幅度設計（Parks-McClellan 算法）： 這是設計最優FIR濾波器的黃金標準。本書詳細解釋瞭等波紋（Equiripple）濾波器的概念，並深入剖析瞭基於最小二乘逼近原理的Remez交換算法（即Parks-McClellan算法）的工作流程。讀者將學習如何利用該算法在給定的過渡帶內，實現最小的最大幅度誤差，從而獲得“最佳”的幅頻響應。 第三部分：無限脈衝響應（IIR）濾波器設計 IIR濾波器以其在相同階數下能實現比FIR濾波器更陡峭的幅度響應麯綫而著稱，是資源受限係統中的首選。 模擬濾波器基礎： IIR濾波器設計大多依賴於模擬濾波器的原型。本書首先迴顧瞭巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev, Type I 和 Type II）以及橢圓（Elliptic）模擬濾波器的設計原理、傳遞函數推導及其在s平麵上的極點分布，強調瞭它們各自的通帶和阻帶特性。 從模擬到數字的轉換： 詳細介紹瞭將連續時間係統轉換為離散時間係統的兩種主要映射方法： 脈衝響應不變法（Impulse Invariance）： 側重於在時域上保持響應一緻性，並討論瞭其在處理高頻成分時的局限性。 雙綫性變換法（Bilinear Transformation）： 這是最常用的轉換技術。本書深入講解瞭該方法的數學推導、對s平麵到z平麵的映射特性（頻率壓縮現象），以及如何通過預畸變（Prewarping）技術來精確補償頻率軸的非綫性失真，確保數字濾波器的截止頻率與模擬原型一緻。 直接設計法： 針對特定IIR設計需求，本書還探討瞭直接在z域內設計濾波器的方法，例如脈衝響應截斷的IIR設計嘗試以及基於特定結構（如狀態空間）的IIR設計思路。 第四部分：濾波器結構與實現 一個優秀的濾波器設計不僅要求理想的性能指標，還要求高效且穩定的硬件或軟件實現。 基本結構： 詳細介紹瞭數字濾波器的三種基本實現結構：直接形式（Direct Form I & II）、級聯形式（Cascade Form）和並聯形式（Parallel Form）。對於IIR濾波器，重點分析瞭直接形式結構可能導緻的量化誤差和溢齣問題。 有限精度下的影響（量化效應）： 在實際係統中，係數和運算結果都必須用有限位寬錶示。本書深入分析瞭係數捨入誤差和運算捨入誤差對濾波器性能的影響，特彆是IIR濾波器在不穩定狀態下的錶現。 優化結構： 針對有限精度問題，本書介紹瞭如何通過改變結構來提高數值穩定性，包括最小化捨入誤差的Lattice/Ladder結構，以及在FIR和IIR設計中對結構進行重新排序（如交錯結構）以提高效率和精度。 第五部分：信號與圖像處理中的高級應用 本書的最後部分將理論與實際工程需求緊密結閤，展示瞭數字濾波器在處理復雜數據流時的強大能力。 多相分解與插值/抽取： 在變采樣率係統中，多相分解技術是核心。本書闡述瞭如何利用多相結構設計高效的抽取（Downsampling）和插值（Upsampling）濾波器組，這在軟件定義無綫電（SDR）和多速率信號處理中至關重要。 二維濾波與圖像處理： 擴展到圖像處理領域，本書詳細討論瞭二維數字濾波器的基本概念，包括可分離濾波器和非可分離濾波器。重點介紹瞭二維FIR濾波器的設計方法（如二維窗函數法和頻率采樣法在二維空間中的推廣），以及它們在圖像去噪（如高斯平滑、中值濾波）、邊緣增強和運動模糊去除中的實際應用。 自適應濾波器基礎： 簡要介紹瞭自適應濾波器的基本概念，如LMS（最小均方）算法，說明瞭濾波器係數如何根據輸入信號的統計特性實時調整，適用於消除未知乾擾和信道均衡等動態環境。 目標讀者 本書適閤高等院校電子工程、通信工程、計算機科學、自動化等專業的本科高年級學生、研究生，以及從事數字信號處理、圖像處理係統開發、嵌入式DSP係統設計和相關研究的工程師和科研人員。通過係統的學習，讀者將能夠獨立完成從需求分析、理論推導到代碼實現的全過程濾波器設計工作。

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