В последние два десятилетия методы цифровой обработки сигна-
лов (ЦОС) в радиотехнике, электронике, системах связи, контроля
и управления стали преобладающими, активно вытесняя методы
аналоговой обработки. Этому способствовала стремительно уве-
личивавшаяся производительность вычислительной техники,
которая уже проникла практически во все области человеческой
деятельности. Сегодня, например, говоря о записи или обработке
аудио- и видеоинформации, мы не уточняем, что речь идет о циф-
ровых форматах, подразумевая это само собой разумеющимся.
Важность изучения методов ЦОС трудно переоценить: вопросы,
связанные с цифровой обработкой и представлением сигналов,
давно перестали быть узкоспециальными. Основы знаний в дан-
ной области требуются большинству инженеров, а для специали-
стов в области электроники, радиотехники и телекоммуникаций,
информатики и вычислительной техники необходимо более глубо-
кое понимание основных методов ЦОС и математической теории,
лежащей в их основе. Предлагаемое вниманию читателя учебное
пособие посвящено изучению данных вопросов.
Изначально ЦОС развивалась как ветвь, растущая из теории об-
работки аналоговых сигналов, и рассматривалась как раздел элек-
троники и радиотехники. Однако внедрение в системы обработки
сигналов цифровых программируемых процессоров и контролле-
ров, расширение спектра и увеличение сложности алгоритмов ЦОС,
реализация которых стала возможна в том числе в реальном мас-
штабе времени, превратили ЦОС в политехническую дисциплину.
Сегодня для математиков-программистов, специалистов в области
информатики и вычислительной техники эта область знаний пред-
ставляет собой постоянно расширяющееся поле для приложения
усилий. Данную тенденцию необходимо учитывать при подготовке
инженерных кадров. В предлагаемом вниманию читателя учебном
пособии рассматриваются основы теории ЦОС, изложение которой
по формату и содержанию ориентировано в первую очередь именно
на студентов, обучающихся по инженерным направлениям «При-
кладная математика» и «Информатика и вычислительная техника»
(бакалавриат и магистратура). Однако при написании пособия ав-
тор старался опираться лишь на курс высшей математики, общий
для всех инженерных направлений подготовки, поэтому оно может
быть рекомендовано также для студентов, обучающихся по профи-
лям подготовки в области радиотехники, связи и телекоммуника-
ций.
Первая глава носит вводный характер и содержит изложение тех
основных положений функционального анализа и теории преобра-
зования Фурье, которые потребуются далее в последующих главах.
Помимо этого, в первой главе вводятся популярные в ЦОС функ-
циональные системы Уолша и Хаара.
Вторая глава посвящена вопросам дискретизации непрерыв-
ных сигналов и преобразований, прежде всего преобразования
Фурье. Значительное внимание уделено частотным аспектам дис-
кретизации (как широкополосных, так и узкополосных сигналов)
и построению быстрых алгоритмов вычислений дискретных пре-
образований Фурье, Уолша, Хаара. Кроме того, рассматривается
скалярное и векторное квантование сигналов.
В третьей главе вводятся основные понятия теории линейных
дискретных систем (фильтров). Основное внимание уделено ана-
лизу систем. Рассматриваются вопросы передискретизации сигна-
лов и влияния эффектов квантования в цифровых системах. Также
изу чаются некоторые вопросы согласованной фильтрации и ска-
лярных фильтров Калмана.
В четвертой главе изложены основные классические методы
синтеза КИХ- и БИХ-фильтров по заданной частотной характе-
ристике. Завершает главу рассмотрение основ теории адаптивных
фильтров.
Пятая глава представляет собой введение в теорию информа-
ции, а также содержит описание ряда используемых на практике
методов эффективного статистического (энтропийного) кодирова-
ния.
Первые пять глав включают в себя рассмотрение общих тео-
ретических вопросов ЦОС. В сокращенном варианте этот мате-
риал может быть использован для базовой подготовки бакалавров
по различным инженерным направлениям обучения. В полном
объеме материал этих глав может составить основу учебного курса
для подготовки магистров, имеющих профиль обучения со специ-
ализацией в ЦОС, прежде всего, по направлениям «Информатика
и вычислительная техника» и «Прикладная математика».
Две последние главы (шестая и седьмая) представляют собой
более углубленное теоретическое рассмотрение таких специальных
разделов ЦОС, как эффективное представление и компрессия сиг-
налов, цифровой спектральный анализ. Седьмая глава целиком по-
священа применению дискретных вейвлет-преобразований в ЦОС
и может составить основу отдельного спецкурса.
Таким образом, в зависимости от потребностей читателя учеб-
ное пособие можно использовать при изучении ЦОС для различ-
ных уровней «глубины погружения» в предметную область.
Для первоначального освоения о 1. сновных понятий ЦОС сле-
дует изучить главу 1 и параграфы 2.1–2.4, 2.6–2.8, 2.11–2.12,
3.1–3.6, 3.8. Полезно также разобрать материал параграфов
5.1–5.4. Этот уровень изучения можно считать начальным,
соответствующим бакалавриату различных инженерных на-
правлений обучения.
2. Для получения тех знаний теории ЦОС, которые, на взгляд
автора, необходимы для магистерского уровня инженерной
подготовки профильных направлений обучения (включая
связь и телекоммуникации, радиотехнику и электронику),
следует полностью изучить главы 1–4 и параграфы 5.1–5.4,
6.9, 6.10. Рекомендуется также ознакомиться с материалом,
изложенным в параграфах 5.5–5.11.
3. В полном объеме содержание учебного пособия ориентиро-
вано на студентов магистратуры, обучающихся по направле-
нию «Прикладная математика» и избравших область ЦОС
своей специализацией.
В книге используется двойная нумерация для рисунков, фор-
мул, примеров и теорем: первая цифра обозначает главу, вторая —
порядковый номер формулы (примера, теоремы) в главе. При ну-
мерации (обозначении) аксиом и свойств используется значок °,
например 1°. Начало и окончание доказательств теорем, решений
примеров обозначается соответственно символами ◄ и ►. Упражне-
ния (задачи) для самостоятельного решения приводятся непосред-
ственно в тех местах, где их появление логически наиболее связано
с излагаемым материалом, а не в конце глав или разделов, как это
чаще всего практикуется в учебной литературе.
Основу данного пособия составляют учебные курсы, читаемые
автором на протяжении многих лет в Национальном исследова-
тельском университете «Московский институт электронной тех-
ники» (МИЭТ) для бакалавров и магистров, обучающихся по на-
правлению «Прикладная математика». Большое значение в работе
над пособием имело обсуждение его содержания с коллегами. Ав-
тор выражает глубокую признательность доценту кафедры высшей
математики № 1 МИЭТ В. В. Лесину и рецензентам, внимательно
ознакомившимся с текстом рукописи и высказавшим ряд ценных
замечаний, которые были учтены при подготовке издания.
Список сокращений и обозначений
АЦП — аналого-цифровое преобразование
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БИХ — бесконечная импульсная характеристика
БПУ — быстрое преобразование Уолша
БПФ — быстрое преобразование Фурье
БПХ — быстрое преобразование Хаара
ВДПФ — вещественное дискретное преобразование Фурье
ВЧ — верхние частоты
ГВЗ — групповое время задержки
ДВП — дискретное вейвлет-преобразование
ДКП — дискретное косинусное преобразование
ДПГ — дискретный преобразователь Гильберта
ДПКП — дискретное псевдокосинусное преобразование
ДПЛ — дискретное преобразование Лапласа
ДПУ — дискретное преобразование Уолша
ДПФ — дискретное преобразование Фурье
ДПХ — дискретное преобразование Хаара
ИХ — импульсная характеристика
КДС — кодирование длин серий
КИХ — конечная импульсная характеристика
КЗФ — квадратурно-зеркальные фильтры
КМА — кратно-масштабный анализ
КФ — ковариационная функция
ЛДС — линейная дискретная система
ЛДФ — линейный дискретный фильтр
ЛИВС — линейная инвариантная во времени система
ЛНП — линейное нормированное пространство
НОД — наибольший общий делитель
НЧ — нижние частоты
ОДКП — обратное ДКП
ОДПФ — обратное ДПФ
ОПФ — оконное преобразование Фурье
ПФ — передаточная функция
ЧХ — частотная характеристика
ФВЧ — фильтр верхних частот
ФНЧ — фильтр нижних частот
ФЧХ — фазочастотная характеристика
ЦД — цифровой дифференциатор
ЦОС — цифровая обработка сигналов
ЦФ — цифровой фильтр
ЭНП — элемент наилучшего приближения
C — множество комплексных чисел
N — множество натуральных чисел
R — множество действительных чисел
Z — множество целых чисел
x ≥ y — число x много больше числа y
[x] — целая часть числа x≥0
round(x)= sign(x)[| x | + 0,5] — округление х до ближайшего целого
x mod p — остаток от деления целого числа x ≥ 0 на число p ϵ N
a ⊕ b = (a + b) mod 2 — сложение по модулю 2, где a ϵ {0, 1} и b ϵ {0, 1}
A ⊕ B — ортогональная сумма подпространств A и B
Ix I — норма элемента x
(x, y) — скалярное произведение элементов x, y
A — замыкание множества A
z = Rez -i Imz — комплексное сопряжение числа z ϵ C
Res[ f (z), z0] — вычет функции f(z) в точке z0
F{ f(t)} — преобразование Фурье функции f(t)
F-1{F(v)} — обратное преобразование Фурье функции F(v)
L{f (t )} — преобразование Лапласа функции f(t)
L1{G(p)} — обратное преобразование Лапласа функции G(p)
Z{x(n)} — Z-преобразование последовательности x(n)
Z1{X(z)} — обратное Z-преобразование функции X(z)
M(X) — математическое ожидание случайной величины Х
D(X) — дисперсия случайной величины X