前　　言本書的英文書名為《DSP First》，是《DSP First：A Multimedia Approach》（英文版于1998年出版）的第2版。第1版附帶了一張CD-ROM，其中提供了大量的學(xué)習(xí)資料來擴(kuò)展傳統(tǒng)教科書的范圍。2003年，出版了一本名為《Signal Processing First》的書，書中題材論述廣泛，包括新增的關(guān)于連續(xù)時間信號處理和傅里葉變換的四章內(nèi)容，以及本書第1版前八章的更新內(nèi)容。2003版出版的這本書的CD-ROM中增加了新的教學(xué)素材，所有教輔資源都放在課程網(wǎng)站中，方便讀者訪問。
這三本書和配套網(wǎng)站都基于作者超過20年的研究工作，這些工作立足于數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)已成為電子工程和計算機(jī)工程的熱點(diǎn)研究方向。1993年夏天，James H. Mc Clellan和Ronald W. Schafer開始開發(fā)一個學(xué)季（one-quarter）課程，旨在作為佐治亞理工學(xué)院計算機(jī)工程（CmpE）學(xué)生的入門先導(dǎo)課程。我們認(rèn)為數(shù)字信號處理主題下包含了未來的計算機(jī)工程師在第一年課程學(xué)習(xí)中需要的一切：它向?qū)W生介紹了如何使用數(shù)學(xué)工具來思考和解決工程問題；學(xué)習(xí)這門課程為后續(xù)課程打下了有益的基礎(chǔ)；它建立了系統(tǒng)與數(shù)值計算之間緊密的聯(lián)系，數(shù)值計算是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一種手段；它提供了討論實(shí)際應(yīng)用的多種工具，應(yīng)用需求將促使工程師努力把數(shù)學(xué)和計算與實(shí)際問題的解決聯(lián)系起來。在過去的22年里，從沒有發(fā)生任何事情改變我們的這一信念。而且，我們在佐治亞理工學(xué)院教過6000多名學(xué)生，更加堅(jiān)定了我們的信念。從本質(zhì)上講，對電子與計算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生而言，數(shù)字信號處理確實(shí)是一個非常合適的入門學(xué)科�　≡谖覀兲岢鲞@些思想的過程中，普林斯頓大學(xué)Ken Steiglitz教授的兩本書對我們影響很大：一本是《An Introduction to Discrete Systems》，由John Wiley & Sons于1972年出版；另一本是《A Digital Signal Processing Primer:With Applications to Computer Music》，由Addison-Wesley出版社于1996年出版。Steiglitz教授的第一本書實(shí)際上走在時代的前面，因?yàn)槟菚rDSP實(shí)際應(yīng)用很少，甚至批處理計算機(jī)上可用的簡單模擬都需要大量的計算機(jī)編程工作量。然而，到了1993年，我們可以在像MATLAB這樣易于使用的軟件環(huán)境中開展工作，這些基于強(qiáng)大個人計算機(jī)的軟件廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)DSP計算。��。事實(shí)上，如同本書所述，我們堅(jiān)信每一個工程和計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生都需要學(xué)習(xí)DSP課程。
從一開始，我們相信具有處理真實(shí)信號的“動手”經(jīng)驗(yàn)至關(guān)重要，所以，我們大力開發(fā)了額外的基于MATLAB平臺的實(shí)驗(yàn)練習(xí)題和項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)作業(yè)中，學(xué)生可以體驗(yàn)到信號處理的過程及效果，這些過程涉及聲音和圖像信號處理的實(shí)現(xiàn)。例如，他們可以采用正弦信號來合成音樂，但他們也可以看到這些相同的正弦信號是無線系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過這些系統(tǒng)可以按流程訪問互聯(lián)網(wǎng)。讀者可以通過訪問配套網(wǎng)站獲得這些體驗(yàn)，并加強(qiáng)和鞏固對構(gòu)成DSP基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)概念的理解。
除了25個詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)作業(yè)之外，配套網(wǎng)站還提供了許多其他學(xué)習(xí)資料，包括課內(nèi)的演示、動畫，以及數(shù)百個習(xí)題解答。1995年，Mark Yoder離開羅斯霍曼來到佐治亞理工學(xué)院休假，他設(shè)立了這個網(wǎng)站，把所有材料整理到一起以便其他教師（和學(xué)生）可以方便地訪問和學(xué)習(xí)。交互式MATLAB演示功能可以演示重要的知識點(diǎn)，例如卷積和頻率響應(yīng)，其中大部分內(nèi)容現(xiàn)在已經(jīng)作為實(shí)驗(yàn)練習(xí)的基礎(chǔ)知識。作為教師，所有這些資料改變了我們講解概念的方式，因?yàn)樗�在�?shù)學(xué)方程之外擴(kuò)展了一種理解概念的直觀方法。多年來，網(wǎng)站的資源持續(xù)增長。未來我們將探索闡述DSP概念的新方法，并希望能超越紙質(zhì)教材實(shí)現(xiàn)電子教材，真正將文字教材的敘述優(yōu)點(diǎn)和網(wǎng)站的可視化優(yōu)點(diǎn)融合在一起。
本書（和第1版）的顯著特點(diǎn)是，它講解的信號處理概念與ECE課程的要求是一致的，這也是美國主要大學(xué)大二學(xué)生（二年級）對課程的要求。本書的重點(diǎn)內(nèi)容無疑是離散時間信號處理，但是因?yàn)橐�開設(shè)一門普遍適合大二學(xué)生的課程，所以我們認(rèn)為必須將信號處理概念和導(dǎo)論理念結(jié)合起來。這樣考慮的部分原因是，在許多電子工程課程體系中，信號和系統(tǒng)以及DSP通常被視為初級和高級課程，一般認(rèn)為學(xué)習(xí)這類課程的讀者已具有線性電路和線性系統(tǒng)的背景知識。另一方面，我們的方法可使諸如計算機(jī)科學(xué)和其他工程領(lǐng)域的學(xué)生對這一主題有清晰的理解。這一點(diǎn)變得越來越重要，因?yàn)榉菍�業(yè)人士需要在許多科技領(lǐng)域廣泛應(yīng)用DSP技術(shù)。
新版的內(nèi)容。新版的組織結(jié)構(gòu)與第1版類似，從第2章非�；�本的內(nèi)容開始，該章詳細(xì)介紹了連續(xù)時間正弦信號及其復(fù)指數(shù)表達(dá)形式。雖然這是線性電路課程的典型知識，但本書的內(nèi)容編排可以使讀者更快地閱讀其他內(nèi)容，特別是對那些具有其他專業(yè)背景的學(xué)生。如果學(xué)生已經(jīng)學(xué)過線性電路知識，這一章可以跳過或者快速瀏覽。第3章介紹表達(dá)正弦信號之和的頻譜概念，該章最后簡單介紹了傅里葉級數(shù)。雖然第1版的第3章也有同樣的內(nèi)容，但第2版補(bǔ)充了一些新內(nèi)容�　〈送�，對于那些需要深入討論周期信號的傅里葉分析的教師，附錄C是關(guān)于該主題的完整介紹。��。
接下來我們進(jìn)入基于采樣正弦信號的離散時間信號的討論（第4章）。我們認(rèn)為在清晰講述離散域中這些重要概念時沒有必要采用連續(xù)時間傅里葉變換，所需的基礎(chǔ)知識就是一個簡單的三角恒等式：cos(θ + 2π) =cos(θ)。事實(shí)上，在第2～4章（除傅里葉級數(shù)外）中，我們只需要依賴于正弦和余弦函數(shù)的簡單數(shù)學(xué)知識。接下來，我們通過滑動平均系統(tǒng)和其他簡單FIR濾波器（第5章）來引入基本的線性系統(tǒng)概念。通過介紹沖激序列來引出采用沖激響應(yīng)表達(dá)濾波器特性的方法。卷積定義為一種數(shù)值運(yùn)算，它是表達(dá)這種思想的第一種形式。頻率響應(yīng)的核心概念用于對FIR濾波器的推演和表述（第6章）。正弦信號是重點(diǎn)關(guān)注的信號，一個濾波器可以用線性時不變系統(tǒng)進(jìn)行表示，我們會重點(diǎn)討論這個濾波器被一個正弦信號激勵后濾波器輸出幅度和相位的變化。
與第1版顯著不同的是，我們開始引入離散時間傅里葉變換（DTFT）的概念（第7章），這自然源自離散時間系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。DTFT反變換除了表示可逆變換，還可以用來描述理想濾波器。然后從DTFT自然過渡到離散傅里葉變換（DFT）。DFT是DTFT的簡單采樣形式，可以通過快速算法進(jìn)行計算，快速算法很容易得到（第8章）。第7章和第8章完全是新內(nèi)容，是為了滿足廣大教師希望把傅里葉變換的強(qiáng)大概念傳授給學(xué)生的需求，我們認(rèn)為大二學(xué)生完全有能力理解這些概念并付諸應(yīng)用。這兩章論述了實(shí)用頻譜分析的思想，重點(diǎn)目標(biāo)是傳授可以成功應(yīng)用頻譜分析工具的知識，這些工具很常見，例如MATLAB軟件平臺。
最后兩章的內(nèi)容和第1版相同，介紹z變換（第9章）和IIR系統(tǒng)（第10章）。學(xué)到這個階段，如果學(xué)生認(rèn)真閱讀教材，完成課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)，將有助于理解涉及采樣理論、離散時間濾波和頻譜分析的應(yīng)用。而且，他們將會有很好的知識儲備來學(xué)習(xí)線性模擬電路、連續(xù)時間信號和系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的課程。通過本書的學(xué)習(xí)可以為這些課程奠定基礎(chǔ)。
本版新增內(nèi)容小結(jié)●第7章新增了關(guān)于離散時間傅里葉變換（DTFT）的內(nèi)容，這些內(nèi)容使讀者很容易從頻率響應(yīng)概念轉(zhuǎn)換到傅里葉變換思想的學(xué)習(xí)。
●有關(guān)理想濾波器和數(shù)字濾波器設(shè)計的新內(nèi)容作為DTFT的一個應(yīng)用出現(xiàn)在第7章，并且詳細(xì)介紹了FIR濾波器設(shè)計的窗函數(shù)方法。
●有關(guān)離散傅里葉變換（DFT）的新內(nèi)容出現(xiàn)在第8章，我們將DFT看成DTFT的一種采樣形式，并且闡述了DFT和離散傅里葉級數(shù)（DFS）的關(guān)系。
●有關(guān)頻譜分析和譜圖的新內(nèi)容放在了第8章的最后幾節(jié)，它建立了理解信號時頻分析以及頻率分辨率的加窗作用的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，時頻分析一般通過FFT算法來實(shí)現(xiàn)。
●第7章和第8章的內(nèi)容選自第1版的第9章和《Signal Processing First》的第13章。新版內(nèi)容做了較大改動，更適合于入門級的學(xué)生學(xué)習(xí)，這有助于學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)用頻譜分析的思想，通過MATLAB工具對真實(shí)信號進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對這些概念的理解。
●擴(kuò)展了第3章中討論的頻譜，以正式討論頻譜特性（例如時延和頻移特性），這些討論為后續(xù)章節(jié)的DTFT和DFT學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。
●擴(kuò)展了第3章中關(guān)于傅里葉級數(shù)的內(nèi)容，但是大部分內(nèi)容放在附錄C中。第3章詳細(xì)講述了傅里葉級數(shù)來展示周期信號的頻譜和全波整流正弦信號。附錄C為需要強(qiáng)調(diào)這一主題的任課教師提供了更深入的素材。對其他周期信號（方波、三角波、正弦波、半波整流正弦波）進(jìn)行了討論，包括推導(dǎo)帕塞瓦爾定理并對收斂特性進(jìn)行深入討論，對傅里葉級數(shù)的性質(zhì)也做了進(jìn)一步討論。
●章末的習(xí)題做了較大更改，書中共有241道習(xí)題，其中，83道習(xí)題是新補(bǔ)充的，86道習(xí)題是第1版中的但做了修改，72道習(xí)題和第1版是完全相同的。
●配套網(wǎng)站包含新的實(shí)驗(yàn)、MATLAB演示例子和課后習(xí)題解答，網(wǎng)址為http://www.pearsonhighered.com/engineering-resources/。�　￡P(guān)于本書教輔資源，只有使用本書作為教材的教師才可以申請，需要的教師請聯(lián)系機(jī)械工業(yè)出版社華章公司，電話13601156823，郵箱wangguang@hzbook.com�！�—編輯注�≡谧糁蝸喞砉�學(xué)院，大學(xué)二年級3學(xué)分的課程要求涵蓋第2～10章的大部分內(nèi)容，包括每周兩次一小時的講座、一次1.5小時的習(xí)題課和一次1.5小時的實(shí)驗(yàn)課。如前所述，我們把重點(diǎn)放在課程實(shí)驗(yàn)上，因?yàn)槲覀兿嘈胚@是激勵學(xué)生學(xué)習(xí)信號處理數(shù)學(xué)知識的必要手段，而且，實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生在工程分析和設(shè)計中學(xué)會使用強(qiáng)大的軟件。在羅斯霍曼理工學(xué)院，我們在大一學(xué)生中采用本書作為10周課程的教學(xué)內(nèi)容，涵蓋第1～6章、第9章和第10章。這種模式是每周3次一小時的講座和一次3小時的實(shí)驗(yàn)課。學(xué)生在整個課程學(xué)習(xí)過程中使用MATLAB軟件。在斯坦福大學(xué)，現(xiàn)在教材的全部內(nèi)容已經(jīng)被Schafer作為10周4學(xué)分課程的教學(xué)內(nèi)容。由于本課程后是一學(xué)季的連續(xù)時間信號和系統(tǒng)及線性電路課程，讀者可以跳過第2章和第3章，將重點(diǎn)放到其他章節(jié)中的離散時間信號和系統(tǒng)內(nèi)容。其中1學(xué)分是通過每周安排不定期的實(shí)驗(yàn)課得到的。
我們自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，本書及其相關(guān)的教輔材料可以根據(jù)教師的喜好和課程學(xué)時以多種不同的方式采用。如同前述討論所示，本書第2版不是一本普通的信號與系統(tǒng)書，一個區(qū)別是包含了大量有關(guān)正弦信號和復(fù)相量信號的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的電子工程課程體系中，在學(xué)習(xí)信號和系統(tǒng)之前，這些基本概念一般在線性電路范疇內(nèi)學(xué)習(xí)。事實(shí)上，我們?yōu)楸緯��?版和第1版所起的書名就是為了強(qiáng)調(diào)與傳統(tǒng)的不同之處。一個重要觀點(diǎn)是，講授信號處理首先開辟了一種講授線性電路課程的新方法，因?yàn)橛泻芏鄡?nèi)容能夠建立一種平臺，幫助我們重新講解電路課程的重點(diǎn)知識。
本書與傳統(tǒng)信號和系統(tǒng)教材的第二個顯著不同是更強(qiáng)調(diào)有關(guān)頻域的概念。這意味著，在電子工程課程體系中，像拉普拉斯變換、狀態(tài)空間和反饋控制等內(nèi)容，將會在后續(xù)線性電路或有關(guān)控制系統(tǒng)的高年級課程中討論。雖然本書明顯基于一個特定理念撰寫，但是這并不意味著書中內(nèi)容和配套網(wǎng)站的素材只能用單一方式進(jìn)行使用。事實(shí)上，我們自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，通過選擇合適的主題，本書可作為任何一學(xué)季或一學(xué)期的信號與系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，它強(qiáng)調(diào)了從頻域角度來描述通信和信號處理中的應(yīng)用。對于大多數(shù)電子工程課程，面向控制的專題內(nèi)容列入另一門課程中。
對于其他專業(yè)，例如計算機(jī)科學(xué)和計算機(jī)工程，本書更注重那些和計算緊密相關(guān)的信號分析內(nèi)容。這就如同在其他工程領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集和頻域分析在現(xiàn)代工程分析和設(shè)計中扮演了重要角色。
本書和配套網(wǎng)站凝聚了三位作者、許多同事和學(xué)生的大量工作。幸運(yùn)的是，我們有一批極有才華的學(xué)生為本書提供了MATLAB的演示內(nèi)容。這里無法一一提及他們的名字，我們只能感謝他們?yōu)楸緯�做出的寶貴貢獻(xiàn)。Greg Krudysz提供的演示程序已經(jīng)在開發(fā)新的演示程序和基于GUI的可視化中發(fā)揮著主要作用。從1993年年初開始，很多教授作為任課教師和習(xí)題課老師參與了佐治亞理工學(xué)院大二課程ECE-2025（現(xiàn)在是ECE-2026）的教學(xué)。同樣，我們無法在這里提及所有習(xí)題課老師，但是在過去12年的課程演變過程中，他們的建議和反饋已經(jīng)賦予了課程新的生機(jī)。例如，Pamela Bhatti開發(fā)了一個實(shí)驗(yàn)，用來模擬人工耳蝸聽覺系統(tǒng)的濾波器組。最近，課程講授和管理由Russ Mersereau、Fred Juang、Chin Lee、Elliot Moore、Mark Clements、Chris Rozell、G.K.Chang、David Taylor、David Anderson、 John Barry、 Doug Williams和Aaron Lanterman共同負(fù)責(zé)。非常感激他們，他們對本書第2版提出了許多積極的建議和改進(jìn)意見，尤其是有關(guān)DFT與DTFT的新內(nèi)容。也非常感謝Wayne Padgett和Bruce Black，他們在羅斯霍曼理工學(xué)院講授ECE-380課程時提出了很多好的想法。感謝Ed Doering，他為ECE-180課程設(shè)計了一整套新實(shí)驗(yàn)用于大學(xué)一年級學(xué)生的DSP導(dǎo)論學(xué)習(xí)。這些實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)的音頻處理開始，以視頻對象跟蹤處理結(jié)束。
也感謝Tom Robbins（以前在Pearson Prentice-Hall）的貢獻(xiàn)，他是我們在ECE教育中努力推出DSP課程的早期支持者。Tom從一開始就理解和接受本書的理念，并且在項(xiàng)目初期和2003年出版那本書的過程中給予了我們鼓勵。最近，Andrew Gilfillan 和 Julie Bai兩位編輯為本書第2版的出版付出了辛勤的工作。
最后，我們想感謝愛人（Carolyn McClellan、Dorothy Schafer和Sarah Yoder）的理解和支持。第1章中插入了Carolyn的貓Kilby的照片（見圖1-3）。多年來，她們貢獻(xiàn)了大量的精力和時間持續(xù)地支持我們來完成這一項(xiàng)目。
James H.McClellanRonald W.SchaferMark A.Yoder