Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB - Schilling & Harris

• Tác giả: Robert J. Schilling
• Trường học: Clarkson University
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện và máy tính
• Đề tài: Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Stamford

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Schilling DSP Using MATLAB

Giáo trình Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB Second Edition do Robert J. Schilling và Sandra L. Harris biên soạn tại Clarkson University là tài liệu học thuật hàng đầu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số. Cuốn sách được xuất bản bởi Cengage Learning vào năm 2010, kết hợp lý thuyết DSP với ứng dụng thực hành qua phần mềm MATLAB. Nội dung bao gồm các chủ đề từ cơ bản đến nâng cao. Người đọc tiếp cận được với biến đổi Fourier, lọc số, xử lý tín hiệu thích ứng. Giáo trình cung cấp nhiều ví dụ minh họa cụ thể kèm mã nguồn MATLAB. Phương pháp trình bày logic giúp sinh viên kỹ thuật nắm vững nguyên lý xử lý tín hiệu số. Cuốn sách phục vụ hiệu quả cho bậc đại học và sau đại học trong các ngành điện tử, viễn thông, điều khiển tự động.

1.1. Thông tin xuất bản và tác giả

Robert J. Schilling và Sandra L. Harris là giảng viên tại Clarkson University, Potsdam, New York. Hai tác giả có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số. Cuốn sách được xuất bản lần đầu năm 2005 và tái bản lần hai năm 2010 bởi Cengage Learning. ISBN của phiên bản thứ hai là 9780840069092. Giáo trình được phân phối rộng rãi tại nhiều quốc gia bao gồm Australia, Brazil, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mexico, Singapore, Tây Ban Nha, Anh và Mỹ. Ấn bản điện tử đi kèm các tính năng bảo vệ bản quyền theo quy định của nhà xuất bản.

1.2. Cấu trúc nội dung giáo trình

Giáo trình được tổ chức thành nhiều chương theo trình tự logic từ đơn giản đến phức tạp. Phần đầu giới thiệu nền tảng về tín hiệu thời gian liên tục và rời rạc. Tiếp theo là các biến đổi quan trọng như Fourier, Z-transform. Phần giữa trình bày kỹ thuật thiết kế bộ lọc số FIR và IIR. Phần cuối đề cập đến xử lý tín hiệu thích ứng và ứng dụng thực tế. Mỗi chương đều có bài tập thực hành kèm giải pháp chi tiết. Mã nguồn MATLAB minh họa giúp sinh viên hiểu sâu lý thuyết qua mô phỏng trực quan.

II. Phân tích các khái niệm cốt lõi trong DSP Schilling

Giáo trình Schilling xây dựng nền tảng DSP trên các khái niệm cốt lõi quan trọng. Biến đổi Fourier rời rạc DFT và FFT là công cụ phân tích phổ tín hiệu cơ bản. Biến đổi Z chuyển đổi tín hiệu rời rạc từ miền thời gian sang miền tần số phức. Hàm truyền mô tả đặc tính của hệ thống tuyến tính thời gian không đổi. Bộ lọc số FIR và IIF là thành phần trung tâm trong xử lý tín hiệu. Giáo trình giải thích chi tiết về hàm truyền liên tục Ha(s) qua biến đổi Laplace. Hệ thống vận trễ transportation lag minh họa mô hình trễ trong điều khiển quá trình. Phân tích bao gồm cả tín hiệu thời gian liên tục và rời rạc. Công thức tính giảm nhiễu sử dụng tỷ lệ công suất trung bình tính bằng decibel. Phương pháp FXLMS được trình bày cho xử lý nhiễu thích ứng.

2.1. Biến đổi Fourier và phân tích phổ

Biến đổi Fourier là nền tảng phân tích tín hiệu trong DSP. DFT chuyển đổi N mẫu tín hiệu rời rạc thành miền tần số. FFT là thuật toán hiệu quả tính DFT với độ phức tạp O(N log N). Giáo trình Schilling trình bày lý thuyết kèm ví dụ MATLAB cụ thể. Phân tích phổ giúp xác định thành phần tần số của tín hiệu. Biến đổi ngược IDFT và IFFT cho phép tái tạo tín hiệu từ phổ. Ứng dụng bao gồm lọc nhiễu, nén dữ liệu, nhận dạng giọng nói. MATLAB cung cấp hàm fft và ifft sẵn có cho thực hành.

2.2. Bộ lọc số FIR và IIR

Bộ lọc FIR có đáp ứng xung hữu hạn, đảm bảo tính ổn định và tuyến tính pha. Bộ lọc IIR sử dụng phản hồi, cho hiệu quả tính toán cao hơn với bậc thấp hơn. Giáo trình trình bày phương pháp thiết kế cả hai loại lọc số. Các kỹ thuật bao gồm cửa sổ window, lấy mẫu tần số, phương pháp xấp xỉ. MATLAB cung cấp hàm fir1, butter, cheby1, ellip cho thiết kế. Phân tích đáp ứng tần số sử dụng hàm freqz trong MATLAB. Bài tập thực hành giúp sinh viên so sánh đặc điểm ưu nhược điểm từng loại lọc.

III. Phương pháp học và thực hành DSP với MATLAB hiệu quả

Học DSP hiệu quả đòi hỏi kết hợp lý thuyết với thực hành MATLAB thường xuyên. Giáo trình Schilling cung cấp mã nguồn mô phỏng cho từng khái niệm quan trọng. Sinh viên nên chạy từng đoạn code để quan sát kết quả trực quan. Công cụ MATLAB Simulink hỗ trợ mô phỏng hệ thống tín hiệu số phức tạp. Bài tập trong sách bao gồm cả câu hỏi lý thuyết và bài tập lập trình. Phương pháp học hiệu quả là đọc lý thuyết trước, sau đó thực hành code. Công cụ visualization giúp hiểu trực quan về phổ tần số và đáp ứng lọc.практик với dữ liệu thực tế như âm thanh, hình ảnh tăng hứng thú học tập. Giáo trình hướng dẫn sử dụng hàm MATLAB một cách hệ thống và có cấu trúc. Thời gian học tập khuyến nghị là 4-6 giờ mỗi tuần cho một học kỳ.

3.1. Thiết lập môi trường MATLAB cho DSP

MATLAB là công cụ thiết yếu để thực hành theo giáo trình Schilling. Cần cài đặt MATLAB kèm Signal Processing Toolbox để sử dụng đầy đủ tính năng. Toolbox cung cấp các hàm chuyên dụng cho phân tích và thiết kế bộ lọc. Công cụ FDATool cho phép thiết kế lọc số qua giao diện đồ họa trực quan. Simulink hỗ trợ mô phỏng hệ thống tín hiệu số theo thời gian thực. Workspace và Command Window là nơi kiểm tra kết quả tính toán. Script và Function files giúp tổ chức code có cấu trúc và tái sử dụng được.

3.2. Chiến lược giải bài tập thực hành

Giáo trình Schilling cung cấp giải pháp chi tiết cho tất cả bài tập. Chiến lược hiệu quả là tự giải trước khi tham khảo đáp án. Bắt đầu với bài tập đơn giản để nắm vững khái niệm cơ bản. Sử dụng MATLAB để kiểm tra kết quả tính toán thủ công. So sánh kết nghiệm nghiệm với đáp án để phát hiện lỗi hiểu sai. Thực hành với dữ liệu mẫu trong sách trước khi thử dữ liệu riêng. Tham gia nhóm học tập để thảo luận và giải quyết khó khăn. Giải pháp chi tiết giúp sinh viên tự đánh giá tiến độ học tập.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của giáo trình DSP Schilling

Giáo trình Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB của Schilling và Harris là tài liệu không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật. Nội dung bao quát từ lý thuyết cơ bản đến ứng dụng nâng cao trong DSP. Phương pháp kết hợp MATLAB giúp người học tiếp cận thực tế ngay từ đầu. Kiến thức từ giáo trình áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Xử lý tín hiệu âm thanh, hình ảnh, viễn thông đều sử dụng nguyên lý DSP. Điều khiển thích ứng và giảm nhiễu là ứng dụng nổi bật được trình bày chi tiết. Giáo trình chuẩn bị nền tảng vững chắc cho nghiên cứu sâu hơn về DSP. Sinh viên tốt nghiệp có kỹ năng thực hành đáp ứng yêu cầu công việc thực tế. Ấn bản thứ hai cập nhật nhiều nội dung mới phù hợp xu hướng công nghệ.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu

Kiến thức DSP từ giáo trình Schilling áp dụng rộng rãi trong thực tế. Ngành viễn thông sử dụng DSP cho mã hóa, giải mã và truyền tải tín hiệu. Y sinh học ứng dụng xử lý tín hiệu trong phân tích EEG, ECG, MRI. Công nghiệp ô tô tích hợp DSP trong hệ thống kiểm soát tiếng ồn chủ động. Hàng không vũ trụ sử dụng DSP cho radar, dẫn đường và truyền thông vệ tinh. Ngành âm thanh áp dụng DSP trong thiết kế loa, tai nghe, hệ thống hội nghị. Nghiên cứu trí tuệ nhân tạo kết hợp DSP cho nhận dạng giọng nói và hình ảnh.

4.2. Đánh giá ưu nhược điểm giáo trình

Ưu điểm nổi bật là sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết DSP và thực hành MATLAB. Nội dung trình bày logic, từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp tự học. Bài tập phong phú kèm giải pháp giúp củng cố kiến thức hiệu quả. Mã nguồn MATLAB minh họa rõ ràng, dễ hiểu và chạy được ngay. Nhược điểm là một số nội dung nâng cao cần kiến thức toán học phức tạp. Ấn bản năm 2010 chưa cập nhật phiên bản MATLAB mới nhất. Tuy nhiên, nguyên lý DSP không thay đổi nên giá trị giáo trình vẫn nguyên vẹn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

SCHILLING HARRIS DIGITAL SIGNAL PROCESSING MATLAB FUNDAMENTALS OF using ® SECOND EDITION To learn more about Cengage Learning, visit www.com For your course and learning solutions, visit www.com/engineering Purchase any of our products at your local bookstore or at our preferred online store www.com 9780840069092_cvr_use_wkg.indd 1 09/11/10 4:34 PM http://www.com LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS. Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB® Second Edition Robert J. Schilling and Sandra L. Harris Clarkson University Potsdam, NY Australia • Brazil • Japan • Korea • Mexico • Singapore • Spain • United Kingdom • United States Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. i This is an electronic version of the print textbook. Due to electronic rights restrictions, some third party content may be suppressed. Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. The publisher reserves the right to remove content from this title at any time if subsequent rights restrictions require it. For valuable information on pricing, previous editions, changes to current editions, and alternate formats, please visit www.com/highered to search by ISBN#, author, title, or keyword for materials in your areas of interest. Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 Fundamentals of Digital Signal © 2012, 2005 Cengage Learning Processing Using MATLAB® ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the copyright Robert J. Schilling and Sandra L. Harris herein may be reproduced, transmitted, stored, or used in any form or by any means graphic, electronic, or mechanical, including but not Publisher, Global Engineering: limited to photocopying, recording, scanning, digitizing, taping, web Christopher M. Shortt distribution, information networks, or information storage and Acquisitions Editor: Swati Meherishi retrieval systems, except as permitted under Section 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without the prior written Senior Developmental Editor: Hilda Gowans permission of the publisher. Editorial Assistant: Tanya Altieri Team Assistant: Carly Rizzo For product information and technology assistance, contact us at Marketing Manager: Lauren Betsos Cengage Learning Customer & Sales Support, 1-800-354-9706. For permission to use material from this text or product, Media Editor: Chris Valentine submit all requests online at www. Content Project Manager: Further permissions questions can be e-mailed to D. Jean Buttrom permissionrequest@cengage. Production Service: RPK Editorial Services, Inc. Library of Congress Control Number: 2010938463 Copyeditor: Shelly Gerger-Knechtl ISBN-13: 978-0-8400-6909-2 Proofreader: Becky Taylor ISBN-10: 0-8400-6909-X Indexer: Shelly Gerger-Knechtl Compositor: MPS Limited, Cengage Learning a Macmillan Company 200 First Stamford Place, Suite 400 Stamford, CT06902 Senior Art Director: Michelle Kunkler USA Internal Designer: Carmela Periera Cengage Learning is a leading provider of customized learning solutions Cover Designer: Andrew Adams with office locations around the globe, including Singapore, the United Cover Image: © prudkov/Shutterstock Kingdom, Australia, Mexico, Brazil, and Japan. Locate your local office at: Rights Acquisitions Specialist: John Hill international. Text and Image Permissions Researcher: Cengage Learning products are represented in Canada by Kristiina Paul Nelson Education, Ltd. First Print Buyer: Arethea L. Thomas For your course and learning solutions, visit www. Purchase any of our products at your local college store or at our preferred online store www. MATLAB is a registered trademark of The MathWorks, 3 Apple Hill Drive, Natick, MA 01760. Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. ii Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 In memory of our fathers: Edgar J. Schilling and George W. Harris Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. iii Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 Preface Digital signal processing, more commonly known as DSP, is a field of study with increasingly widespread applications in the modern technological world. This book focuses on the fun- damentals of digital signal processing with an emphasis on practical applications. The text, Fundamentals of Digital Signal Processing, consists of the three parts pictured in Figure 1. FIGURE 1: Parts of Text I. Signal and System Analysis 1. Discrete-time Systems in the Time Domain 3. Discrete-time Systems in the Frequency Domain 4. Fourier Transforms and Signal Spectra II. Digital Filter Design 5. Filter Design Specifications 6. FIR Filter Design 7. IIR Filter Design III. Advanced Signal Processing 8. Multirate Signal Processing 9. Adaptive Signal Processing v Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 vi Preface • • • • • • • • • ••••• •• Audience and Prerequisites This book is targeted primarily toward second-semester juniors, seniors, and beginning gradu- ate students in electrical and computer engineering and related fields that rely on digital signal processing. It is assumed that the students have taken a circuits course, or a signals and systems course, or a mathematics course that includes an introduction to the Fourier transform and the Laplace transform. There is enough material, and sufficient flexibility in the way it can be covered, to provide for courses of different lengths without adding supplementary material. Exposure to MATLAB® programming is useful, but it is not essential. Graphical user interface (GUI) modules are included at the end of each chapter that allow students to interactively explore signal processing concepts and techniques without any need for programming. MAT- LAB computation problems are supplied for those users who are familiar with MATLAB, and are interested in developing their own programs. This book is written in an informal style that endeavors to provide motivation for each new topic, and features a careful transition between topics. Significant terms are set apart for convenient reference using Margin Notes and Definitions. Important results are stated as Propositions in order to highlight their significance, and Algorithms are included to summarize the steps used to implement important design procedures. In order to motivate students with examples that are of direct interest, many of the examples feature the processing of speech and music. This theme is also a focus of the course software that includes a facility for recording and playing back speech and sound on a standard PC. This way, students can experience directly the effects of various signal processing techniques. • • • • • • • • • ••••• •• Chapter Structure Each of the chapters of this book follows the template shown in Figure 2. Chapters start with motivation sections that introduce one or more examples of practical problems that can be solved using techniques covered in the chapter. The main body of each chapter is used to FIGURE 2: Chapter Structure Motivation Concepts, techniques, examples GUI software, case studies Problems Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. Schilling-1120949 6909X˙00˙FM˙pi-xviii November 12, 2010 8:25 Preface vii introduce a series of analysis tools and signal processing techniques. Within these sections, the analysis methods and processing techniques evolve from the simple to the more complex. Sections marked with a ∗ near the end of the chapter denote more advanced or specialized material that can be skipped without loss of continuity. Numerous examples are used throughout to illustrate the principles involved. Near the end of each chapter is a GUI software and case studies section that introduces GUI modules designed to allow the student to interactively explore the chapter concepts and techniques without any need for programming. The GUI modules feature a standard user interface that is simple to use and easy to learn. Data files created as output from one module can be imported as input into other modules. This section also includes case study examples that present complete solutions to practical problems in the form of MATLAB programs. The Chapter Summary section concisely reviews important concepts, and it provides a list of student learning outcomes for each section. The chapter concludes with an extensive set of homework problems separated into three categories and cross referenced to the sections. The Analysis and Design problems can be done by hand or with a calculator. They are used to test student understanding of, and in some cases extend, the chapter material. The GUI Simulation problems allow the student to interactively explore processing and design techniques using the chapter GUI modules. No programming is required for these problems. MATLAB Computation problems are provided that require the user to write programs that apply the signal processing √ techniques covered in the chapter. Solutions to selected problems, marked with the symbol, are available as pdf files using the course software. • • • • • • • • • ••••• •• FDSP Toolbox One of the unique features of this textbook is an integrated software package called the Fun- damentals of Digital Signal Processing (FDSP) Toolbox that can be downloaded from the companion web site of the publisher. It is also possible to download the FDSP toolbox from the following web site maintained by the authors. Questions and comments concerning the text and the software can be addressed to the authors at: [e-mail]/~rschilli/fdsp The FDSP toolbox includes the chapter GUI modules, a library of signal processing functions, all of the MATLAB examples, figures, and tables that appear in the text, solutions to selected problems, and on-line help . All of the course software can be accessed easily through a simple menu-based FDSP driver program that is executed with the following command from the MATLAB command prompt. >> f_dsp The FDSP toolbox is self-contained in the sense that only the standard MATLAB interpreter is required. There is no need to for users to have access to optional MATLAB toolboxes such as the Signal Processing and Filter Design toolboxes.