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(shí)間信號(hào)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(hào)處理（DSP）技術(shù)已成為電子工程和計(jì)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(gè)學(xué)季（one-quarter）課程，旨在作為佐治亞理工學(xué)院計(jì)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(hào)處理主題下包含了未來的計(jì)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(jì)算之間緊密的聯(lián)系，數(shù)值計(jì)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(jì)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?cè)谧糁蝸喞砉�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(duì)電子與計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生而言，數(shù)字信號(hào)處理確實(shí)是一個(gè)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(duì)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(shí)代的前面，因?yàn)槟菚r(shí)DSP實(shí)際應(yīng)用很少，甚至批處理計(jì)算機(jī)上可用的簡單模擬都需要大量的計(jì)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(gè)人計(jì)算機(jī)的軟件廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)DSP計(jì)算。��。事實(shí)上，如同本書所述，我們堅(jiān)信每一個(gè)工程和計(jì)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(hào)的“動(dòng)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(tái)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(hào)處理的過程及效果，這些過程涉及聲音和圖像信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)。例如，他們可以采用正弦信號(hào)來合成音樂，但他們也可以看到這些相同的正弦信號(hào)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(duì)構(gòu)成DSP基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)概念的理解。
除了25個(gè)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(dòng)畫，以及數(shù)百個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)。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(hào)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(jí)）對(duì)課程的要求。本書的重點(diǎn)內(nèi)容無疑是離散時(shí)間信號(hào)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(hào)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(hào)和系統(tǒng)以及DSP通常被視為初級(jí)和高級(jí)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(shí)。另一方面，我們的方法可使諸如計(jì)算機(jī)科學(xué)和其他工程領(lǐng)域的學(xué)生對(duì)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(shí)間正弦信號(hào)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(shí)，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(duì)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(shí)，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(hào)之和的頻譜概念，該章最后簡單介紹了傅里葉級(jí)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(duì)于那些需要深入討論周期信號(hào)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(hào)的離散時(shí)間信號(hào)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(shí)沒有必要采用連續(xù)時(shí)間傅里葉變換，所需的基礎(chǔ)知識(shí)就是一個(gè)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(jí)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(shí)。接下來，我們通過滑動(dòng)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(duì)FIR濾波器的推演和表述（第6章）。正弦信號(hào)是重點(diǎn)關(guān)注的信號(hào)，一個(gè)濾波器可以用線性時(shí)不變系統(tǒng)進(jìn)行表示，我們會(huì)重點(diǎn)討論這個(gè)濾波器被一個(gè)正弦信號(hào)激勵(lì)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(shí)間傅里葉變換（DTFT）的概念（第7章），這自然源自離散時(shí)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(jì)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(shí)，這些工具很常見，例如MATLAB軟件平臺(tái)。
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(gè)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(shí)間濾波和頻譜分析的應(yīng)用。而且，他們將會(huì)有很好的知識(shí)儲(chǔ)備來學(xué)習(xí)線性模擬電路、連續(xù)時(shí)間信號(hào)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(shí)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(jì)的新內(nèi)容作為DTFT的一個(gè)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(jì)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(jí)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(hào)時(shí)頻分析以及頻率分辨率的加窗作用的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，時(shí)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(dòng)，更適合于入門級(jí)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(duì)真實(shí)信號(hào)進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)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(shí)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(jí)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(jí)數(shù)來展示周期信號(hào)的頻譜和全波整流正弦信號(hào)。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(duì)其他周期信號(hào)（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(duì)收斂特性進(jìn)行深入討論，對(duì)傅里葉級(jí)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(qǐng)，需要的教師請(qǐng)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(jí)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(shí)的講座、一次1.5小時(shí)的習(xí)題課和一次1.5小時(shí)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(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)信號(hào)處理數(shù)學(xué)知識(shí)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(jì)中學(xué)會(huì)使用強(qiáng)大的軟件。在羅斯霍曼理工學(xué)院，我們?cè)诖笠粚W(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(shí)的講座和一次3小時(shí)的實(shí)驗(yàn)課。學(xué)生在整個(gè)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(shí)間信號(hào)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(shí)間信號(hào)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(shí)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(hào)與系統(tǒng)書，一個(gè)區(qū)別是包含了大量有關(guān)正弦信號(hào)和復(fù)相量信號(hào)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(hào)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(gè)重要觀點(diǎn)是，講授信號(hào)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(tái)，幫助我們重新講解電路課程的重點(diǎn)知識(shí)。
本書與傳統(tǒng)信號(hào)和系統(tǒng)教材的第二個(gè)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(huì)在后續(xù)線性電路或有關(guān)控制系統(tǒng)的高年級(jí)課程中討論。雖然本書明顯基于一個(gè)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(hào)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(hào)處理中的應(yīng)用。對(duì)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(duì)于其他專業(yè)，例如計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程，本書更注重那些和計(jì)算緊密相關(guān)的信號(hào)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(jì)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(gè)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(duì)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?cè)诹_斯霍曼理工學(xué)院講授ECE-380課程時(shí)提出了很多好的想法。感謝Ed Doering，他為ECE-180課程設(shè)計(jì)了一整套新實(shí)驗(yàn)用于大學(xué)一年級(jí)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(duì)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?cè)贓CE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(lì)。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(shí)間持續(xù)地支持我們來完成這一項(xiàng)目。
James H.McClellanRonald W.SchaferMark A.Yoder