Литература / уральский

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Г. Коберниченко

Основы цифровой обработки сигналов

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета

в качестве учебного пособия для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 11.03.01 «Радиотехника», по специальностям 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»,

11.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

Екатеринбург Издательство Уральского университета

2018

УДК 621.372.083.92(075.8) ББК 32-013я73

К55

Рецензенты:

кафедра теоретических основ радиотехники и связи Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (заведующий кафедрой доктор технических наук, доцент О. В. Горячкин);

В. Д. Захарченко, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиофизики Волгоградского государственного университета, федеральный эксперт научно-технической сферы

Коберниченко, В. Г.

К55 Основы цифровой обработки сигналов : учеб. пособие / В. Г. Коберниченко ; М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 150 с.

ISBN 978-5-7996-2464-4

Приведено краткое введение в необходимый математический аппарат и основные понятия цифровой обработки сигналов. Рассмотрены модели и преобразования дискретных и цифровых сигналов. Особое внимание уделено алгоритмам быстрого преобразования Фурье и их применению при цифровом спектральном анализе. Рассмотрены методы описания, классификации и методика проектирования линейных цифровых фильтров, анализируются эффекты квантования и округления в цифровых фильтрах.

Для студентов, обучающихся по направлению «Электроника, радиотехника и системы связи». Может быть полезным для студентов, изучающихинформационныесистемыи технологии, системысвязи,прикладную информатику.

УДК 621.372.083.92(075.8) ББК 32-013я73

Оглавление

1.Модели и преобразования дискретных и цифровых сигналов

1.1. Математическое описание дискретных сигналов.

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) уже давно перестала быть только разделом радиотехники и теории связи. Методы цифровойобработкисигналовиспользуютсявсамыхразныхобластях: от медицинской диагностики (компьютерная томография) до космического мониторинга (обработка данных дистанционного зондирования Земли), от фото- и видеосъемки (обработка изображений)дообеспеченияинформационнойифизическойбезопасности.

Чтобы грамотно использовать методы цифровой обработки сигналоввэтихобластяхиправильноинтерпретироватьихрезультаты, специалист должен представлять «а что там внутри?». А для этого, прежде всего, нужно овладеть «азбукой» этой предметной области, которая включает модели цифровых сигналов, аппарат анализа и базовые алгоритмы. Изучению этой «азбуки» и посвящено настоящее учебное пособие, написанное на основе лекций, читаемых по одноименной дисциплине в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б. Н. Ельцина в течение многих лет.

За эти годы на русском языке вышло несколько фундаментальных монографий, посвященных цифровой обработке сигналов [1,5, 10, 12, 15], идва учебника, ставших классическими [17, 21].Вместе с тем потребность в компактном изложении основ ЦОС для студентов различных направлений подготовки по-прежнему существует. Это подтверждает большое количество учебных пособий, изданных за последние годы во многих университетах [4, 9, 23, 25], непрерывно растущее количество подробных конспектов лекций, размещенных в сети Internet, и их популярность среди студентов.

Курс«Основыцифровойобработкисигналов»,нарядустакими курсами, как «Теория электрических цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи», «Теория

6

информации и кодирования», обеспечивает базовую подготовку специалистоввобластиэлектроники,радиотехники,телекоммуникаций, вычислительной техники и информационной безопасности.

С другой стороны, этот курс является вводным в обширную область предметной деятельности, объединенной под названием «Цифровая обработка сигналов», которая включает алгоритмы, спецпроцессоры, средства моделирования и проектирования, а также особенности применения методов ЦОС для решения самых различных прикладных задач [10, 16, 22].

Вэтойсвязиважноссамогоначалаопределить,чтобудетрассмот­ рено в данном учебном пособии, а что останется за его пределами.

Предметомизученияв курсеявляютсяфундаментальныеположения ЦОС, такие как:

— методы описания дискретных и цифровых сигналов

исистем (математические модели);

—базовые алгоритмы преобразований этих сигналов в цифровых устройствах (цифровых фильтрах);

—способы реализации и методы расчета цифровых фильтров;

—методы учета влияния эффектов изменения частоты дискретизации, квантования и округления результатов в процессе обработки.

Получение базовой теоретической подготовки необходимо для изучения принципов функционирования и методов проектирования цифровых устройств, используемых в инфотелекоммуникационных системах и системах управления. Глубокое понимание основ цифровой обработки сигналов необходимо также для специалистов, чья работа связана с обработкой сигналов в различных прикладных областях. Знание фундаментальных основ ЦОС необходимо также для грамотного математического моделирования процессов формирования и обработки сигналов в широко распространенных профессиональных программных комплексах, таких как MATLAB с пакетами расширений, LabVIEW и др. [7, 20, 24].

За пределами курса остаются разделы, касающиеся таких специальных вопросов, как:

—алгоритмы вейвлет-анализа и нелинейного спектрального анализа;

7