Digital Filters Design for Signal and Image Processing (Digital Signal & Image Processing Series (IS pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-ISTE

作者:Najim, Mohamed 编

出品人:

页数:369

译者:

出版时间:2006-10-31

价格:USD 215.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781905209453

丛书系列:

图书标签:

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

《数字滤波器设计：信号与图像处理的理论与实践》 本书简介 本书深入探讨了数字滤波器的设计原理、实现方法及其在现代信号与图像处理领域中的广泛应用。作为一本面向工程实践与理论研究的专著，它旨在为读者提供一个全面而深入的知识框架，使他们能够熟练掌握从基础理论到高级应用的整个设计流程。 第一部分：数字信号处理基础回顾与滤波器理论 本书开篇即对数字信号处理（DSP）的基本概念进行了详尽的回顾，为后续的滤波器设计奠定坚实的数学基础。 离散时间信号与系统： 详细阐述了连续时间信号到离散时间信号的采样过程，以及离散时间信号的表示法、频谱分析（如傅里叶变换及其在数字域的实现——DFT和FFT）。系统分析部分聚焦于线性时不变（LTI）系统的特性，包括系统的因果性、稳定性、频率响应的定义与计算。 Z变换及其应用： Z变换是分析和设计数字滤波器的核心数学工具。本书将Z变换的定义、收敛域、性质及其在系统函数（传输函数 $H(z)$）推导中的作用进行了细致的讲解。通过分析系统的零点和极点在Z平面上的位置，直观地揭示了滤波器对不同频率分量的处理特性。 滤波器分类与性能指标： 系统地介绍了IIR（无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）两大类数字滤波器的基本结构、优缺点及适用场景。性能指标的阐述非常关键，包括通带、阻带的截止频率、纹波大小、过渡带宽、群延迟特性（特别是线性相位需求）等。 第二部分：有限脉冲响应（FIR）滤波器设计 FIR滤波器因其固有的线性相位特性，在对信号波形保真度要求高的应用中占据重要地位。本部分专注于FIR滤波器的设计技术。 窗函数法： 这是最常用且直观的FIR设计方法。本书系统分析了理想滤波器的频率响应（如理想低通、高通、带通等）及其对应的脉冲响应（无限长）。随后，详细介绍了如何利用各种窗函数（矩形窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、凯泽窗等）对无限长脉冲响应进行截断，并精确计算了不同窗函数在减小频谱泄漏和控制阻带衰减方面的权衡。特别是对凯泽窗的设计公式及其迭代求解过程进行了深入分析。 频率采样法： 当滤波器需要满足特定频率点上的精确幅值要求时，频率采样法提供了另一种有力的工具。本书讨论了如何通过在频域设定目标响应点，并利用逆DFT来确定时域脉冲响应的方法，并分析了该方法在实现复杂频率响应时的局限性。 最优幅度设计（Parks-McClellan 算法）： 这是设计最优FIR滤波器的黄金标准。本书详细解释了等波纹（Equiripple）滤波器的概念，并深入剖析了基于最小二乘逼近原理的Remez交换算法（即Parks-McClellan算法）的工作流程。读者将学习如何利用该算法在给定的过渡带内，实现最小的最大幅度误差，从而获得“最佳”的幅频响应。 第三部分：无限脉冲响应（IIR）滤波器设计 IIR滤波器以其在相同阶数下能实现比FIR滤波器更陡峭的幅度响应曲线而著称，是资源受限系统中的首选。 模拟滤波器基础： IIR滤波器设计大多依赖于模拟滤波器的原型。本书首先回顾了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev, Type I 和 Type II）以及椭圆（Elliptic）模拟滤波器的设计原理、传递函数推导及其在s平面上的极点分布，强调了它们各自的通带和阻带特性。 从模拟到数字的转换： 详细介绍了将连续时间系统转换为离散时间系统的两种主要映射方法： 脉冲响应不变法（Impulse Invariance）： 侧重于在时域上保持响应一致性，并讨论了其在处理高频成分时的局限性。 双线性变换法（Bilinear Transformation）： 这是最常用的转换技术。本书深入讲解了该方法的数学推导、对s平面到z平面的映射特性（频率压缩现象），以及如何通过预畸变（Prewarping）技术来精确补偿频率轴的非线性失真，确保数字滤波器的截止频率与模拟原型一致。 直接设计法： 针对特定IIR设计需求，本书还探讨了直接在z域内设计滤波器的方法，例如脉冲响应截断的IIR设计尝试以及基于特定结构（如状态空间）的IIR设计思路。 第四部分：滤波器结构与实现 一个优秀的滤波器设计不仅要求理想的性能指标，还要求高效且稳定的硬件或软件实现。 基本结构： 详细介绍了数字滤波器的三种基本实现结构：直接形式（Direct Form I & II）、级联形式（Cascade Form）和并联形式（Parallel Form）。对于IIR滤波器，重点分析了直接形式结构可能导致的量化误差和溢出问题。 有限精度下的影响（量化效应）： 在实际系统中，系数和运算结果都必须用有限位宽表示。本书深入分析了系数舍入误差和运算舍入误差对滤波器性能的影响，特别是IIR滤波器在不稳定状态下的表现。 优化结构： 针对有限精度问题，本书介绍了如何通过改变结构来提高数值稳定性，包括最小化舍入误差的Lattice/Ladder结构，以及在FIR和IIR设计中对结构进行重新排序（如交错结构）以提高效率和精度。 第五部分：信号与图像处理中的高级应用 本书的最后部分将理论与实际工程需求紧密结合，展示了数字滤波器在处理复杂数据流时的强大能力。 多相分解与插值/抽取： 在变采样率系统中，多相分解技术是核心。本书阐述了如何利用多相结构设计高效的抽取（Downsampling）和插值（Upsampling）滤波器组，这在软件定义无线电（SDR）和多速率信号处理中至关重要。 二维滤波与图像处理： 扩展到图像处理领域，本书详细讨论了二维数字滤波器的基本概念，包括可分离滤波器和非可分离滤波器。重点介绍了二维FIR滤波器的设计方法（如二维窗函数法和频率采样法在二维空间中的推广），以及它们在图像去噪（如高斯平滑、中值滤波）、边缘增强和运动模糊去除中的实际应用。 自适应滤波器基础： 简要介绍了自适应滤波器的基本概念，如LMS（最小均方）算法，说明了滤波器系数如何根据输入信号的统计特性实时调整，适用于消除未知干扰和信道均衡等动态环境。 目标读者 本书适合高等院校电子工程、通信工程、计算机科学、自动化等专业的本科高年级学生、研究生，以及从事数字信号处理、图像处理系统开发、嵌入式DSP系统设计和相关研究的工程师和科研人员。通过系统的学习，读者将能够独立完成从需求分析、理论推导到代码实现的全过程滤波器设计工作。

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