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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ZEMAX官方中文手册
ZEMAX官方中文使用手册2010年2月版 有700多页。光学必备光研科学荣誉出品声明ZEMAX是 ZEMAX Development corporation(ZDC)的注册商标。所有商标权益皆受相关法律保护。涉及到的所有其它产品名称和商标分别为它们的拥有者所有。本手册屮所提及的软件和参考资料都获相关许可,只有在符合使用许可的条件下才能被使用或复制。本书内容受著作权法保护,本书的简伾中文版由ZDC授权光硏科学有限公司翻译并发行。光研科学有限公司禁止任何未经本公司授权的以任何形式传播、复制、引用与保存本书及其内容的行为。本书内容是ZEMAⅩ光学设计软件的官方指导用书,仅用于软件使用的指导。本书不得用作最终设计、生产与加工的依据。仁何由于未经验证而将设计投入生产和加工而导致的损失不得要求ZDC以及光研科学有限公司负责。任何修改和错误修F将不会另行通知,请用户自行询问光研科学荣誉出品光研科学荣誉出品目录第一章绪论关于本于册的说明( About this document)∠EMAX能做什么?( What does Zemax do)?ZEMAX不能做什么?( What doesn’ t zemax do?)学习如何使用 ZEMAX( Learning to use ZEMAX)多处理器的计算机( Multiple processor computers)"…系统要求( System reguirements)申,·鲁鲁··,36安装过程( Installation procedure密钥政策( Policy on the key).支持的定义( Definition of support)36获得技术支持( Getting technical support)错误修正的政策( Policy on bug fixes)第二章用户界面引言( Introduction)··39窗口的类型( Types of windows)主窗口的操作( Main window operations)图形窗口操作( Graphic windows operations).编辑窗∏操作( Editor windows Operations)9900使用注释功能( Using the annotation feature)··使用移动和缩放功能( Using pan and zoom)43文本窗口操作( Text windows opoerations)43取消长时间的计算( Aborting long computations∴…………对话操作( Dialog operations)常用快捷键综述( Summary Of useful shortcuts)45使用 Windows剪贴板( Using the Windows clipboard)申申非46ZEMAX的文件扩展名(文件名后缀)( ZEMAX file types by extension第三章约定与定义言( introduction引言当前组态( Active configuration).·鲁···申·鲁申非49角放大率( Angular magnification)49光瞳分布( Apodization)49后焦距( Back focal length)49某面( Cardinal planes).19主光线( Chief rav)坐标轴( Coordinate axes)..50衍射极限( Diffration limited)...50边缘厚度( Edge thickness)有效焦距( Effective focal length)∵…5051入瞳直径( Entrance pupil diameter)51入瞳位置( Entrance pupil position)51出瞳直径( Exit pupil diameter)51出瞳位置( Exit pupil position)51附加数据( Extra data)视场角与物高( Field heights)51随光阑尺寸漂移(∏ loat by stop size)51鬼像反射( Ghost reflections)52目录光研科学荣誉出品玻璃( Glasses)六边环( Hexapolar rings)像空问F/#( Image space f/#).像空间数值孔径( Image space numerical aperture.NA)透镜(镜头)单位( Lens units)52边缘光线( Marginal ray)··.·······.····52最大视场( Maximum field),,52非近轴系统(Non- paraxial systems)非序列光线追迹(Non- sequential ray tracing)归一化视场坐标( Normalized field coordinates).....圆形视场归一化( Radial field normalization)矩形视场归一化( Rectangular field normalization).54归一化光瞳坐标( Normalized pupil coordinates).55物空间数值孔径( object space numerical aperture)参数数据( Parameter data)近轴和傍轴光线( Paraxial and parabasal rays)近轴像高( Paraxial image height)近轴放大率( Paraxial magnification)··+.··近轴工作F/#( Paraxial working F/#)主波长( Primary wavelength)鲁着56半径(Radi).56真实传播( Real propagation)弧矢与子午( Sagittal and tangentia1)57半直径(Semi- diameters)序列光线追迹( Sequential ray trac in)特殊字符( Special characters)斯特利尔数( Strehl ratio).表面孔径( Surface apertures)58系统孔径( System aperture).全反射( Total internal reflection:TIR)、…子午面( Tangential)厚度( Thickness)总长度( Total track)单( Units)渐晕因子( Vignetting factors)59虚传播( Virtual propagation)波长数据( Waveleng th data)工作F/井( Working t/#)第四章文件菜单新建(NEW)打开(Upen).63保存(Save)保存为( Save as)使用场景文件( Use Session files)备份存档文件( Backup To archive file)恢复存档文件( Restore from Archive file)∴…·,.64程序模式( Program Mode).插入透镜( Insert lens)属性( Preferences)地址( Address)文件夹( Folders).目录光研科学荣誉出品图形( Graphics)67杂项( Miscellaneous)编辑( Editors)打印( Printing)颜色1-12,颜色13-24( Colors1-12, Colors13-24)按钮1-16,按钮17-32,按钮33-48( Button1-16, Button17-32, Button33-48).......71状态栏( Status bar).··,,71退出(Exit)72最近用的文件( Recently used files)..第五章编辑菜单镜头数据( Lens data)73插入和删除表面( Inserting and deleting surfaces)血序号显小( The surface number display)·鲁剪切、复制、粘贴衣面数据( Cutting, Copying, and Pasting surface data)输入表面注释( Entering surface comments)74输入半径数据( ntering radii data)..着··鲁71输入厚度数据( Entering thickness data)74输入玻璃数据( Entering glass data).74输入半口径数据( Entering semi- diameter)··74表面特性类型标签( Surface Properties type tab oX)米输入二次曲血数据( Entering conic data)..74输入参数数据( Entering parameter data)74表面特性对话框( The Surface properties dialog b74着75表面类型( Surface Type)表面DLL( Surface dll)表面颜色( Surface color)··:··表面的不透明化( Surface0 pacity)行颜色( Row color).使该面变为光阑( Make Surface Stop)..着·曹,,,,,,,,,,75使该血变为全域坐标参考面( Make surface global coordinate reference)75衣面不能为超半球面( Surface cannot Be Hyperhemi spheric)75忽略此表面( Ignore This Surface)76表面特性画图标签( Surface properties draw tab)鲁··76隐减表面的入射光线和出射光线( Hiding ray to surfaces)..光线跳过此面( Skip rays to this Surface)76不画出此面( Do not draw this surface)76不画出始于此血的边缘( Do Not draw Edges From This Surface).,,,,76画出局部轴( Draw local axis)/6将边缘画作( Draw edge as)76镜面基底和厚度( Mirror substrate and thickness)衣面特性孔径标签( Surface properties aperture tab)孔径类型和其它孔径控制( Aperture type and other aperture controls孔径类型代码和参数( Aperture type codes and parameters)··着非平面上的孔径投影( Aperture projection on non-plan surfaces)78孔径偏心和跟随( Aperture decanters and pickups)78用户定义孔径/遮阑( User defined apertures and obscurations)78UDA文件格式( The uda file format)79UDA例了( UDA Examples)80表面特性散射标签( Surface properties scattering tab)表面散射设置( Surface scattering settings)表面倾斜/偏心标签( Sur face tilt/ decenter tab)目录光研科学荣誉出品使用坐标返回( Using the Coordinate return)表面物理光学标签( Surface physical optics tab)84表面镀膜标签( Surface coating tab)申·鲁,,84设置和移除解( Setting and removing Solves)·····设置和移除变量( Setting and removing variables).84菜单选项( Menu options).·.:··:·;:···;:··84编辑(Edit)解(S·“视图(View)86帮助(Help),·鲁评价函数( Merit function)..86菜单选项( Menu options)∵编辑(Edit).+·非·,非·;···.:·:·工具(Too1)视图(View)87帮助(Help)87多重结构( Multi- Configuration)87菜单选项( Menu options)···.87编辑(Edit)..·,,解( Solves)..工具( Tools)·····视图(VieW)榘助(Help).公差数据( Tolerance data).,,90菜单选项( Menu options)编辑(Edit)工具(Tool)视图(View)91帮助(Help)91附加数据( Extra data)..91菜单选项(Menu0 ptions).91编辑(Edit)解( Sloves)..91工具(lool)91视图(View)帮助(Help)92非序列元件(Non- Sequential components).菜单选项(Menu0 ptions)...92编辑(Edit)解( Solves)误差( Errors)探测器( Detectors)...93数据库( Database),91工具OUIS94视图(View)94帮助(Help)··鲁94撤消、亘做、恢复(Undo、Redo、 Recover).····:·········::··,,,94撤销:无(Undo:None)94撤销:一步记忆撤销(Undo: Memory1step)撤销:多步存盘撤销(Undo: Disk Multi step)目录光研科学荣誉出品第六章系统菜单更新( Update)97全部史新( Update a1l).通用(G孔径( Aperture).97孔径类型( Aperture type)孔径值( Aperture value)分布类型( Apodization type)均匀分布( Uniform apodization高斯分布( Gaussian apodization)余弦立体分布( Cosine cubed apodization)用户定义分布( User defined apodization),,,,,99分布因子( Apodization factor)远心物空间( Telecentricω bject Space)无焦像空间( Afocal i mage space)优化时重设求解( Iterate Solves When Updating),,,单位( Units100透镜单位( Lens units)..,..100光源单位( Source units),,,,,,,,,,,,,,101分析单位( Analysis Units)101无焦模式的单位( Afocal Mode units)..,,,,......101MTF单位( MTF Units)标题/注释( Title/ Notes)·售·售镜头标题( Lens title)注释( Notes).102玻璃库( Glass catalogs).,102光线校准( Ray aiming),102光线校准( Ray aiming).102使用光线校准缓存( Use Ray aiming cache)103加强型光线校准(慢)( Robust Ray aiming(Slow))103光瞳偏移:X,Y,z( Pupil shift:X,Y,andZ)环境( Environment)..104棖据环境调整折射牽数据( Ad just Index data To environment)摄氏温度( Temperature in degree C),,,,,,104AT压力( Pressure in atm)104偏振(仅E支持)( Polarization( ZEMAX- EE only)).,,,,,,,,104非偏振( Unpolarized).,,,,,,,,,,,,,,105Jx, Jy,X Phase. Y Phase将膜层相位转换成等效光线( convert thin film phase to ray equivalent)∴·..105105方法( Method).,105文件( Files),105镀膜文件( coating files)..105散射表面文件( scatter profile).,105ABG数据文件( ABg data file)105梯度特性文件( GRADIUM Profile)杂项( Miscellaneous)光程差参考( Referece opd).106近轴光线( Paraxialray106半口径余量(用透镜单位表示)( Semi diameter margin( lens units))全局坐标参考面( Global Coordinate Reference Surface)"∴∴半口径余量%( Semi diameter Margin in%)107目录光研科学荣誉出品计算F/#的方法( Method To Compute f/#)108快速球面追迹( Fast Asphere trace)108半口径的快速计算法( Fast semi- Diameters)..,,,,,,,,108检査(RIN孔径( Check GRIN Aperture)关闭线程( Turn off Threading),,,,,,,,109不要打印坐标转折数据(Don’ t Print coordinate break data),,109OP横( OPD Modulo)..,109非序列(Non- Sequentia1)..109每条光线的最大交点数( Maximum intersections per ray)每条光线最大区段数( Maximum Segments Per ray109最大嵌套/密接物体( Maximum nested/ Touching0 ojects)最小相对光线强度( Minimum relative ray intensity),,,,,,,110最小绝对光线强度( Minimum absolute Ray intensity).·.··用透镜单位表示的胶合距离( Glue distance in lens units)透镜单位下错过光线的画出长度( Missed ray draw distance In lens units)内存中的最大文件型光源的光线数( Maximum Source file rays In Memory)111简单的光线分束( Simple ray Splitting)..,,,111文件打开时重新追迹光源的光线( Retrace Source rays Upon File Open)l11视场( Fields)….,,,,111保存及导入视场数据( Saving and loading field data)……渐晕因子( Vignetting Factors)波长( Wavelengths保存和载入波长数据( Saving and loading wavelength Data)112下组态( Next Configuration)112最后组态( Last Confi guration).112第七章分析菜单前言( Introduction)视图( Layout).e·,113二维视图(2 Layout).·······,,,,,,,,,,,,,113维视图(3 Layout)114方向指示器( The orientation indicator)115光线乒常( Ray errors)115组态数据( Configuration da ta)116光线列表文件格式( Raylist file format)116阴影模型( Shaded model).,,,,,,,,,,,,116ZEMAX元件图( ZEMAX Element drawing).···...117特殊字符( Special characters..119IS0元件图(IS0 Element Drawing)画IS010110符号和代号概述( Summary of Is010110 symbols and codes),,,,,,,,,120直径和斜角( Diameters and bevels)121公差数据( Tolerance data).121NSC三维视图(NsC3 D Layout)..121非序列阴影模式( NSC Shaded Mode l,,,,,122NSC物体察看器( NSC Object Viewer).122扇形图(Fans),,.,,,,123光线像差( Ray aberration),,123在中间衣面上评估结果( Evaluating results at intermediate Surfaces),,,.,124光程( Optical path)光瞳像差( Pupil aberration)点列图( Spot Diagram)··125目录
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