Model-Based Signal Processing

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出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Candy, James V.
出品人:
页数:677
译者:
出版时间:2005-10
价格:1773.03元
装帧:HRD
isbn号码:9780471236320
丛书系列:
图书标签:
  • 信号处理
  • 模型驱动
  • 自适应滤波
  • 系统辨识
  • 状态空间模型
  • 贝叶斯方法
  • 机器学习
  • 优化算法
  • 随机过程
  • 通信系统
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具体描述

A unique treatment of signal processing using a model-based perspective

Signal processing is primarily aimed at extracting useful information, while rejecting the extraneous from noisy data. If signal levels are high, then basic techniques can be applied. However, low signal levels require using the underlying physics to correct the problem causing these low levels and extracting the desired information. Model-based signal processing incorporates the physical phenomena, measurements, and noise in the form of mathematical models to solve this problem. Not only does the approach enable signal processors to work directly in terms of the problem's physics, instrumentation, and uncertainties, but it provides far superior performance over the standard techniques. Model-based signal processing is both a modeler's as well as a signal processor's tool.

Model-Based Signal Processing develops the model-based approach in a unified manner and follows it through the text in the algorithms, examples, applications, and case studies. The approach, coupled with the hierarchy of physics-based models that the author develops, including linear as well as nonlinear representations, makes it a unique contribution to the field of signal processing.

The text includes parametric (e.g., autoregressive or all-pole), sinusoidal, wave-based, and state-space models as some of the model sets with its focus on how they may be used to solve signal processing problems. Special features are provided that assist readers in understanding the material and learning how to apply their new knowledge to solving real-life problems.

* Unified treatment of well-known signal processing models including physics-based model sets

* Simple applications demonstrate how the model-based approach works, while detailed case studies demonstrate problem solutions in their entirety from concept to model development, through simulation, application to real data, and detailed performance analysis

* Summaries provided with each chapter ensure that readers understand the key points needed to move forward in the text as well as MATLAB(r) Notes that describe the key commands and toolboxes readily available to perform the algorithms discussed

* References lead to more in-depth coverage of specialized topics

* Problem sets test readers' knowledge and help them put their new skills into practice

The author demonstrates how the basic idea of model-based signal processing is a highly effective and natural way to solve both basic as well as complex processing problems. Designed as a graduate-level text, this book is also essential reading for practicing signal-processing professionals and scientists, who will find the variety of case studies to be invaluable. An Instructor's Manual presenting detailed solutions to all the problems in the book is available from the Wiley editorial department

数字信号处理的基石与前沿:从理论到实践的深度探索 图书名称: Foundations of Digital Signal Processing: Algorithms, Architectures, and Applications 内容提要: 本书旨在为读者提供一套全面且深入的数字信号处理(DSP)知识体系,涵盖从基础理论到先进算法,再到实际硬件实现的完整路径。我们坚信,理解信号处理的本质需要扎实的数学基础和对实际应用场景的深刻洞察。因此,本书结构设计兼顾理论的严谨性与实践的有效性。 第一部分:信号与系统基础的重塑 本部分着力于巩固和深化读者对信号与系统分析的理解,为后续复杂的DSP技术奠定坚实基础。 连续时间与离散时间信号的统一视角: 我们首先回顾连续时间信号的傅里叶分析,并系统地引入离散时间信号的表示方法。重点讨论了采样定理在理论与实际中的限制与应用,特别是针对欠采样和过采样的处理策略。 线性时不变(LTI)系统的核心特性: 详细阐述了LTI系统的冲激响应、系统函数以及卷积的数学性质。通过引入状态空间表示法,我们展现了LTI系统在时域和频域的动态行为,为理解滤波器设计提供了更深层次的工具。 Z变换与离散傅里叶变换(DFT)的桥梁: Z变换被视为拉普拉斯变换在离散系统中的推广,本书不仅关注其收敛域(ROC)的确定性,更深入探讨了其在系统稳定性分析中的关键作用。DFT作为DFT在频率轴上的离散化,其周期延拓和频谱泄漏问题被细致剖析,并引入了窗函数技术进行初步的缓解。 第二部分:滤波器理论与设计的高级精进 滤波器是信号处理的心脏。本部分将焦点集中于数字滤波器的设计、性能评估与优化。 无限脉冲响应(IIR)与有限脉冲响应(FIR)滤波器的比较分析: 详细对比了两类滤波器的设计原理、计算复杂度、相位特性和稳定性边界。IIR滤波器部分,我们深入讲解了双线性变换法的设计流程,并探讨了预畸变(pre-warping)在频率响应匹配中的重要性。 FIR滤波器的先进设计技术: 除了经典的窗函数法,本书重点介绍了频率采样法和Parks-McClellan算法(最小二乘法与等波纹准则)。特别地,我们用大量的实例演示了如何利用频域约束条件来精确控制通带和阻带的纹波大小,实现最优性能的滤波器。 自适应滤波原理的引入: 作为现代信号处理的标志性技术,本章系统介绍了自适应滤波器的基本结构(如LMS、RLS算法),并探讨了其在噪声消除、回声消除和信道均衡中的应用,强调了收敛速度与稳态误差之间的权衡。 第三部分:高效的变换域分析与快速算法 本部分聚焦于利用变换域实现高效的信号分析与处理。 离散傅里叶变换(DFT)的计算效率: 本章是快速傅里叶变换(FFT)的深度剖析。我们不仅详述了Cooley-Tukey算法的蝶形运算结构和不同阶数(如基-2、混合基)的实现细节,还探讨了非标准采样率下的算法(如Chirp-Z变换)。重点讨论了FFT在卷积和相关运算中的应用,以及对计算资源的需求管理。 短时傅里叶变换(STFT)与时频分析: 针对非平稳信号的处理需求,STFT被引入作为核心工具。我们深入分析了窗口函数对时间和频率分辨率的联合影响——即“海森堡不确定性原理”在信号处理中的体现。随后的章节将介绍小波变换作为STFT的补充,以实现多分辨率分析。 谱估计的理论与实践: 本章区分了经典谱估计方法(如周期图法、Welch法)与现代谱估计方法(如自回归AR模型、最大熵谱MEM)。重点讲解了如何通过模型阶数的选择来平衡分辨率和方差,尤其关注Capon法在提高窄带信号分辨率方面的优势。 第四部分:高性能硬件实现与嵌入式系统 信号处理的价值最终体现在其高效的硬件实现上。本部分将理论知识转化为实际的工程能力。 DSP架构与流水线技术: 详细介绍了专用的数字信号处理器(DSP)的典型架构,包括哈佛结构、MAC(乘累加)单元的重要性、数据寻址模式以及并行化处理能力。探讨了指令集如何针对卷积、相关等核心操作进行优化。 定点数运算的挑战与处理: 在资源受限的嵌入式系统中,定点运算是主流。本章详细分析了定点数的溢出、量化噪声和截断误差对滤波器性能的影响。提供了精确的字长分配和饱和处理策略,确保算法的数值稳定性。 硬件描述语言(HDL)与FPGA加速: 介绍如何使用VHDL或Verilog对核心算法(如FFT、IIR滤波器)进行RTL级设计,并将其映射到现场可编程门阵列(FPGA)上。重点讨论了并行化和资源共享的设计技巧,以实现极低的延迟和高吞吐量。 本书的特色: 本书强调数学模型与工程实践的紧密结合,每章后的习题设计均包含理论证明和模拟仿真任务。书中提供了大量的MATLAB/Python代码示例,帮助读者验证理论推导并快速原型设计。通过阅读本书,读者将不仅掌握信号处理的经典理论,更能具备设计、实现和优化高性能数字信号处理系统的能力。它适用于高年级本科生、研究生,以及需要深入理解DSP底层机制的电子、通信和计算机工程领域的专业人士。

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