自适应信号处理（沈福民）.pdf
研究生自适应信号处理课程用书 信号与信息处理专业研究生系列教材自适应信号处理沈福民编著西安电子科技大学出版社2001内容简介木书主要介绍自适应信号处理的基本理论、基本电路与系统的性能和应用以及近年来的新进展。全书共分10章,在第三、四、五、六章中,着重分析和讨论自适应基本准则和自适应主要算法;为了便于理解和掌握自适应的基本理论,在本书的第一、二章中介绍了有关自适应及自适应信号处理的基本概念,发展概况和有关的基础知识;自第七章后,特别增加了关于自适应信号处理基本电路与系统的性能和应用方面的内容。本书可作为通信、电子信息工程专业及其他相关专业大学高年级学生和研究生的教科书,也可以作为从事自适应信号处理研究领域工程技术人员的自学用书。图书在版编目CIP)数据自适应信号处理/沈福民编著.一西安:西安电子科技大学出版社,2001.3研究生系列教材ISBN7-5606-0979-11.自…Ⅱ.沈…Ⅱ.自适应通信系统一信号处理一研究生一教材Ⅳ,TN914中国版本图书馆CIP数据核字(2000第82675号责任编辑夏大平出版发行西安电子科技大学出版社(西安市太白南路2号)电话(029)8227828邮编710071http://www.xduph.comE-mail: xdupfxb@ pub. xaonline com经销新华书店印刷西安市第三印刷厂版次2001年3月第1版2001年3月第1次印刷开本787毫米×1092毫米1/16印张14.625字数341千字印数1~4000册定价16.00元ISBN7-5606-0979-1/TN·0170*如有印装问题可调换**本书封面贴有西安电子科技大学出版社的激光防你标志,无标志者不得锵售。前言随着信号处理学科领域理论与技术的迅速发展,自适应信号处理作为一门新的学科分支应运而生,并在诸如通信、雷达、工业控制、地震勘探及生物医学电子学等领戎获得愈来愈广泛的应用。近儿十年来,在自适应信号处理的理论、方法与应用技术方面的研究己取得了丰硕成果,与之相关的研究文献及论著也不断问世。然而,作为适合该学科领域研究生教学与培养专业技术人才的教科书数量甚少,特别在我国还未见到。这就很难满足实际教学及科研工作的迫切需要。本书的编写旨在弥补在自适应信号处理理论、方法与应用技术的学习及研究之中教材的不足。全书以“自适应性能测度”、“自适应算法”等基本現论的介绍分析及应用方面的讨论贯穿前后各章内容。全书共分10章,其主要内容可概括如下:1.随机信号与信号矩阵理论(第一、二章):为便于初学者入门,在本书前面增加了有关自适应信号处理理论学习必备知识方面的内容。2.性能测度与性能表面搜索(第三、四章):这是自适应信号处理全部理论的核心思想与基本出发点,由此可推导出冬种形式的自适应基本算法和相应的改进算法。3.基本自适应算法与适于不同应用情况下的自适应改进算法(第五、六章):这是本书最重要的内容,它体现了自适应信号处理理论与技术发展的方向与水平。本书除介绍较早期的研究成果和基本理论外,同玗关注近年来取得的新成果。4.自适应模拟与逆模拟,自适应于扰对消与自逅应预测滤波电路〔第七、八章):主要分析了它们的基本原理和有针对性地介绍了它们的实际应用。5.自适应阵列与自适应波束形成(第九章):较详细地介绍了阵列波束形成的一般原理、旁瓣对消器和各种自适应波束形成器及它们的应用。6.自适应控制(第十章):这涉及到一个专门的学科领域,但本书主要想使读者了解和掌握自适应信号处理理论与技术在该领域的应用情况,并不想全面深入地研究整个领域。读者应当从以下几个方面把握本书的主要特色:1.较全面地集中介绍了自适应信号处理的基本理论与方法。2.为了不使学生的学习仅仅停留在比绞抽象的理论之上,在本书中特别用较多的篇幅介绍了各种自适应算法在多个学科领域内的应用(其中包括对各种不同自适应电路与系统的分析),但主要侧重于通信、雷达及阵列信号处理等方面的实际应用。3.基于对复随机信号(或复确知信号)的自适应信号处理理论,从而使研究更具普遍性,本书的研究内容不仅针对复信号,而且也同样包含了(适合)实信号。本书是在作者参加科研工作及承担本课程的多年研究生教学工作基础上编写完成的,因而较多地考虑到了教学工作中的实际要求和一般有关专业人员的自学需要。但是,由于本学科的发展十分迅速,本书对有些近年来才获得的新成果还不能满意地介绍给大家,加之作者水平所限,书肀难免有错误与不当之处,敬请广大读者谅解并不吝赐教。淸华大学张贤达教授在百忙之中对书稿进行了认真审阅,并对书稿提出了十分宝贵的修改意见,在此深表感谢。本书的编写与出版工作得到了西安电子科技大学教材建设基金和研究生教材建设基金的专项资助,在此也特表感谢。沈福民2000年9月于西安电子科技大学目录第一章概论1.1主要研究领域1.2发展和应用………自。·鲁音◆◆◆··鲁···4●音●·●鲁命鲁鲁·鲁非●●命21.3章节内容安排第二章信号矩阵理论2.1信号、信号向量与权向量…2.2输入信号的相关矩阵……2.3信号子空间和噪声子空间…457◆··●●鲁鲁●●●。●●鲁鲁·啁●·晋●··番·。鲁自·鲁●。。·●·●●曹春鲁鲁●·鲁布·自。。●垂●·●b曹2.4梯度运算··鲁音自·普p·自自●非●·看自鲁。鲁自●●●鲁·非奇自·晋带●··●鲁自4音●●·q●非ψ●●鲁●●·音●·●●山◆。鲁鲁●鲁●·第三章性能测量方法3.1均方误差(MSE)性能测度……………………………………………………113.2最大信噪比(MSN)性能测度……………●·●●·●●···普●命●垂●●命·自曹鲁●·鲁●音备3.3最大似然(ML)性能测度…183.4最小噪声方差(MV)性能测度19习题…………………………………………………………………21第四章性能表面的搜索4.1最速下降法梯度搜索……………………………………224.2牛顿法梯度搜索·音音鲁●。◆.鲁●···●●···命命……264,3梯度估值及其对自适应过程的影响●带●P。鲁●30习题……………ss46第五章基本自适应算法5.1LMS算法485.2序贯回归(SER)算法……………………………………563RLS算法………………625.4随机搜索算法…665.5直接矩阵求逆(DMI法…………………………………………7习题···鲁鲁鲁看··非●··甲垂●电●75第六章自适应算法的改进形式6.1约束LMS算法………………………………776.2自适应递归滤波器…………………………………816.3自适应格型滤波器…866.4用正交信号的自适应滤波…986.5解相关LMS算法…鲁●·●·自曹D曹看垂备春●咖↓◆事●4l046.6一种新的拟牛顿自适应滤波算法……………………………………106习题…………………………108第七章自适应模拟与逆模拟7.1概述………………………………………………………………………1117.2多径通信信道的自适应模拟……ss…ss1147.3FIR滤波器综合的自适应模拟……………………………………118电话信道的自适应均衡…………………………………………………1217.5雪达信道的自适应均衡………1247.6IR滤波器自适应综合125习题………130第八章自适应干扰对消8.1概述………13682单信道噪声对消器…………………………………1378.3用作陷波滤波器的自适应干扰对消器1448.4自适应预测器的几种应用…147具有多参考输入的噪声对消……………………153习题…………………………辛鲁垂●垂鲁·。·●154第九章自适应阵列与自适应波束形成9.1阵列波束形成的基本原理……………………1579.2自适应天线旁瓣对消……………………………1619.3采用引导信号的波束形成…………1689.4格里菲思LMS波束形成器………………………………………1769.5弗罗斯特自适应波束形成器…………:1789.6具有零点和极点的自适应波束形成器………1829.7杜瓦尔自适应波束形成器……………………………………1849.8跳频扩谱技术…●香●鲁鲁●鲁命p●鲁垂…ss1879.9超分辨波束形成…89习题195第十章自适应控制系统10.1白适应控制的基本概念…………………………………19910.2自适应模型控制(AMC)……………………………………,20210.3自适应逆控制…………………20410.4被控系统噪声及过滤后ⅹ-LMS算法………●●·◆····哥··。··音非自··。·。●;·●·●20710.5模型参考自适应控制●●◆鲁·◆··昏··自曹●辛●香●非●音··●●。自。鲁音非·●D●◆自····昏·番209习题…●鲁。鲁211附录附录A信号复包络表示◆…·214附录B有用的矩阵关系和施瓦茨不等式……………216附录C多变量的高斯分析………………………………….217C.1实高斯随机向量…………218C.2复高斯随机向量···●···P··。●·········:·;s··s;s·s.saa219参考文献鲁·●···章……………………………222第一章概论自适应信号处理( Adaptive Signal Processing)是近40年来发展起来的信号处理领域一个新的分支。随着人们在该领域研究的不断深入,自适应信号处理的理论和技术日趋完善,其应用的范围也愈来愈广泛通过信号和信号的传送,人们可以获取(有用)信息,而经对信号进行处理使蕴含于信号中的(有用)信息提取出来。由于信号形式及信号传送方式和传送环境的复杂性(例如信号在传送过程中受到噪声和干扰的污染等),促使信号处理理论和技术不断发展,从而使人们更有效地、最大可能地获取信息。1.1主要研究领域自适应信号处理是研究一类结构可变或可以调整的系统,它可以通过自身与外界环境的接触来改善自身对信号处理的性能。通常这类系统是时变的非线性系统,可以自动适应(即“自适应”)信号传送变化的环境和要求,无须详细知道信号的结构和信号的实际知识无须精确设计信号处理系统本身。自适应系统( Adaptive System)的非线性特性主要是由系统对不同信号环境实现自身调整确定的。假如一个自适应滤波器( Adaptive Filter)的输入仅为有用信号,那么,它可以是个全通滤波器,但若输入为有用信号加噪声(或干扰),则可成为一个带通或带阻滤波器。自适应系统的时变特性主要是由其自适应响应(自适应“学习”)过程确定的。当自适应过程结束,系统调整不再进行时,有一类自适应系统可成为线性系统,并称为“线性自适应系统”( Linear Adaptive system)。因便于设计并易于作数学处理,这类自适应系统特别有用。自适应系统和一般系统类似,可以分为开环自适应和闭环自适应两种类型。开环自适应系统的工作主要为:对输入信号或信号环境进行测量,并用测量得到的信息形成公式或算法( Algorithm),用以调整自适应系统自身;而闭环自适应系统还利用系统调整所得纬果的有关知识去优化系统某种性能,即该类系统是一种带“性能反馈”的自适应系统。图1.1(a)表示一个开环自适应系统,控制该系统的自适应算法仅由输入确定。图1.1(b)则表示一个闭环自适应系统,控制该系统相应的自适应算法除取决于输入外,同时还依赖于系统输出的结果自适应信号处理所研究的信号既可以是随机平稳信号,也可以是局部平稳的随机信号。在大量的工程应用和研究中,又将信号在频率域分成窄带和宽带两种,在两种情况下研究或处理的方法及自适应系统的结构也不同。信号的统计量极其重要。人们最常用的统
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2011_过程控制系统_黄德先_金以慧
金以慧《过程控制系统》的新版，这本书讲的很全，虽然不一定很深入，本人没全部看完。国高等学校自动化专业系列教材学校自动化专业教学指导分委员会牵头规划t普通高等教育“+一五”国家级划教材Process Control Systems过程控制系统黄德先Huang Dexian清华大学王京春编著Wang Jingchun金以慧lin yirui清华大学出版社北京内容简介本书是作者在清华大学自动化专业多年教学和科研的总结,是在193年出版的教材《过程控制》(金以慧主编,清华大学出版社)的基础上重新编写而成的。全书系统地阐述了简单和复杂控制系统的结构、原理、设计、分析与评价·并深人剖析了两个典型生产过程控制的实例,力图从生产过程特点出发,对控制系统进行综合设计和优选。在此基础上还讨论了过程计算机控制系统,进一步介绍了几种先进控制策略,并增加了诸如间歇过程控制、整厂控制、实时最优化、过程监控等学科前沿的内容,力求反映近年来过程控制的新发展。全书从数学和物理的基本概念着手,阐述过程控制问题的本质和特点,并添加了思考题、白学部分以及自己设计实验等内容,为培养自学能力、创新思维等提供了较大的空间。本书是面向研究型大学本科生的教材,因而更强调理论与实际的结合,培养学生分析问題和解决问题的能力,注重对前沿学科发展的理解和分析。本书可作为高等院校自动控制类和相关专业的教材,并供有关科技人员参考本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售。版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933图书在版编目(CIP)数据过程控制系统/黄德先,王京春,金以慧编著.一北京:清华大学出版社,2011.5(全国高等学校自动化专业系列教材)SBN978-7-30224291-8I,①过…Ⅱ.①黄…②王…③金…Ⅲ.①过程控制一自动控制系统-高等学校一教材Ⅳ.①TP273中国版本图书馆CIP数据核宇(2010)第252111号责任编辑:王一玲责任校对:焦丽丽责任印制:杨艳出版发行:清华大学出版社地址:北京清华大学学研大厦A座http:/www.tup,com,cn邮编:100084社总机:010-62770175邮购:010-62786544投稿与读者服务:010-62795954,jsjjc@tup.tsinghua.edu.cn质量反馈:010-62772015, zhiliang tup. tsinghua.edu.cn印装者:北京密云胶印厂经销:全国新华书店开本:175×245印张:41.5字数;874千字版次:2011年5月第1版印次:2011年5月第1次印刷印数:~300定价:59.50元产品编号:017419-01《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会顾问(按姓氏笔画王行愚(华东理工大学)冯纯伯(东南大学)孙优贤(浙江大学)吴启迪(同济大学)张嗣瀛(东北大学)陈伯时(上海大学)陈翰馥(中国科学院)郑大钟(清华大学)郑南宁(西安交通大学)韩崇昭(西安交通大学)主任委员吴澄(清华大学)副主任委员:赵光宙(浙江大学)萧德云(清华大学)委员(按姓氏笔画):王雄(清华大学)方华京(华中科技大学)史震(哈尔滨工程大学)田作华(上海交通大学)卢京潮(西北工业大学)孙鹤旭(河北工业大学刘建昌(东北大学)吴刚(中国科技大学)吴成东〔沈阳建筑工程学院)吴爱国(天津大学)陈庆伟(南京理工大学)陈兴林(哈尔滨工业大学)郑志强(国防科技大学)赵曜(四川大学)段其昌(重庆大学)程鹏(北京航空航天大学)谢克明(太原理工大学)韩九强(西安交通大学褚健(淅江大学)蔡鸿程(清华大学出版社)廖晓钟(北京理工大学)戴先中(东南大学)工作小组(组长):萧德云(清华大学)〔成员):陈伯时(上海大学)郑大钟(清华大学)田作华(上海交通大学)赵光宙(浙江大学)韩九强〔西安交通大学)陈兴林(哈尔滨工业大学)陈庆伟(南京理工大学)助理):郭晓华(清华大学)责任编辑:王一玲(清华大学出版社出版说明《全固高等学自动化专业系列敖材》>x为适应我国对高等学校自动化专业人才培养的需要,配合各高校教学改革的进程,创建一套符合自动化专业培养目标和教学改革要求的新型自动化专业系列教材,“教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会”(简称“教指委”)联合了“中国自动化学会教育工作委员会”、“中国电工技术学会高校工业自动化教育专业委员会”、“中国系统仿真学会教育工作委员会”和“中国机械工业教育协会电气工程及自动化学科委员会”四个委员会,以教学创新为指导思想,以教材带动教学改革为方针,设立专项资助基金,采用全国公开招标方式,组织编写出版一套自动化专业系列教材《全国高等学校自动化专业系列教材》本系列教材主要面向本科生,同时兼顾研究生;覆盖面包括专业基础课、专业核心课、专业选修课、实践环节课和专业综合训练课;重点突出自动化专业基础理论和前沿技术;以文字教材为主,适当包括多媒体教材;以主教材为主,适当包括习题集、实验指导书、教师参考书、多媒体课件、网络课程脚本等辅助教材;力求做到符合自动化专业培养目标、反映自动化专业教育改革方向、满足自动化专业教学需要;努力创造使之成为具有先进性、创新性、适用性和系统性的特色品牌教材本系列教材在“教指委”的领导下,从2004年起,通过招标机制,计划用3~4年时间出版50本左右教材,2006年开始陆续出版问世。为满足多层面、多类型的教学需求,同类教材可能出版多种版本本系列教材的主要读者群是自动化专业及相关专业的大学生和研究生,以及相关领域和部门的科学工作者和工程技术人员。我们希望本系列教材既能为在校大学生和研究生的学习提供内容先进、论述系统和适于教学的教材或参考书,也能为广大科学工作者和工程技术人员的知识更新与继续学习提供适合的参考资料。感谢使用本系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持,并欢迎提出批评和意见。《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会2005年10月于北京序FOREWORD*3S.自动化学科有着光荣的历史和重要的地位,20世纪50年代我国政府就十分重视自动化学科的发展和自动化专业人才的培养。五十多年来,自动化科学技术在众多领域发挥了重大作用,如航空、航天等,两弹一星的伟大工程就包含了许多自动化科学技术的成果。自动化科学技术也改变了我国工业整体的面貌,不论是石油化工、电力、钢铁,还是轻工、建材、医药等领域都要用到自动化手段,在国防工业中自动化的作用更是巨大的。现在,世界上有很多非常活跃的领域都离不开自动化技术,比如机器人、月球车等。另外,自动化学科对一些交又学科的发展同样起到了积极的促进作用,例如网络控制、量子控制、流媒体控制、生物信息学、系统生物学等学科就是在系统论、控制论、信息论的影响下得到不断的发展。在整个世界已经进入信息时代的背景下,中国要完成工业化的任务还很重,或者说我们正处在后工业化的阶段。因此,国家提出走新型工业化的道路和“信息化带动工业化,工业化促进信息化”的科学发展观,这对自动化科学技术的发展是一个前所末有的战略机遇机遇难得,人才更难得。要发展自动化学科,人才是基础、是关键。高等学校是人才培养的基地,或者说人才培养是高等学校的根本。作为高等学校的领导和教师始终要把人才培养放在第一位,具体对自动化系或自动化学院的领导和教师来说,要时刻想着为国家关键行业和战线培养和输送优秀的自动化技术人才。影响人才培养的因素很多,涉及教学改革的方方面面,包括如何拓宽专业口径、优化教学计划、增强教学柔性、强化通识教育、提高知识起点、降低专业重心、加强基础知识、强调专业实践等,其中构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系,编写有利于促进学生个性发展培养学生创新能力的教材尤为重要。清华大学吴澄院士领导的《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会,根据自动化学科对自动化技术人才素质与能力的需求,充分吸取国外自动化教材的优势与特点,在全国范围内,以招标方式,组织编写了这套自动化专业系列教材,这对推动高等学校自动化专业发展与人才培养具有重要的意义。这套系列教材的建设有新思路、新机制,适应了高等学校教学改革与发展的新形势,立足创建精品教材,重视实过程控制系统践性环节在人才培养中的作用,采用了竞争机制,以激励和推动教材建设。在此,我谨向参与本系列教材规划、组织、编写的老师致以诚挚的感谢,并希望该系列教材在全国高等学校自动化专业人才培养中发挥应有的作用。吴些教授2005年10月于教育部序FOREWORD《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会在对国内外部分大学有关自动化专业的教材做深入调研的基础上,广泛听取了各方面的意见,以招标方式,组织编写了一套面向全国本科生(兼顾研究生)、体现自动化专业教材整体规划和课程体系、强调专业基础和理论联系实际的系列教材,自2006年起将陆续面世。全套系列教材共50多本,涵盖了自动化学科的主要知识领域,大部分教材都配置了包括电子教案、多媒体课件、习题辅导、课程实验指导书等立体化教材配件。此外,为强调落实“加强实践教育,培养创新人才”的教学改革思想,还特别规划了一组专业实验教程,包括《自动控制原理实验教程》、《运动控制实验教程》、《过程控制实验教程》《检测技术实验教程》和《计算机控制系统实验教程》等。自动化科学技术是一门应用性很强的学科,面对的是各种各样错综复杂的系统,控制对象可能是确定性的,也可能是随机性的;控制方法可能是常规控制,也可能需要优化控制。这样的学科专业人才应该具有什么样的知识结构,又应该如何通过专业教材来体现,这正是“系列教材编审委员会”规划系列教材时所面临的问题。为此,设立了《自动化专业课程体系结构研究》专项研究课题,成立了由清华大学萧德云教授负责,包括清华大学、上海交通大学、西安交通大学和东北大学等多所院校参与的联合研究小组,对自动化专业课程体系结构进行深入的研究,提出了按“控制理论与工程、控制系统与技术、系统理论与工程、信息处理与分析、计算机与网络、软件基础与工程、专业课程实验”等知识板块构建的课程体系结构。以此为基础,组织规划了一套涵盖几十门自动化专业基础课程和专业课程的系列教材。从基础理论到控制技术,从系统理论到工程实践,从计算机技术到信号处理,从设计分析到课程实验,涉及的知识单元多达数百个、知识点几千个,介入的学校50多所,参与的教授120多人,是一项庞大的系统工程。从编制招标要求、公布招标公告,到组织投标和评审,最后商定教材大纲,凝聚着全国百佘名教授的心血,为的是编写出版一套具有一定规模、富有特色的、既考虑研究型大学又考虑应用型大学的自动化专业创新型系列教材。然而,如何进一步构建完善的自动化专业教材体系结构?如何建设基础知识与最新知识有机融合的教材?如何充分利用现代技术,适应现代大学生的接受习惯,改变教材单一形态,建设数字化电子化、网络化等多元过程控制系统形态、开放性的“广义教材”?等等,这些都还有待我们进行更深入的研究。本套系列教材的出版,对更新自动化专业的知识体系、改善教学条件、创造个性化的教学环境,一定会起到积极的作用。但是由于受各方面条件所限,本套教材从整体结构到每本书的知识组成都可能存在许多不当甚至谬误之处,还望使用本套教材的广大教师、学生及各界人士不吝批评指正关院士2005年10月于清华大学
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