《信号与系统(3)》课程教学大纲

《信号与系统》教学大纲一、课程基本信息课程名称信号与系统SignalsandSystems课程编码OSI223811040开课院部海洋与空间信息学院课程团队通信系统组学分4.0课内学时68讲授56实验6上机6实践0课外学时68适用专业通信工程授课语言中文先修课程电路分析、高等数学（2-1）、高等数学（2-2）、复变函数与积分变换课程简介（必修）《信号与系统》课程是通信工程专业必修的专业基础课，课程主要讨论确定性信号的时域分析和变换域分析，线性时不变系统的描述与特性，以及信号通过线性时不变系统的时域分析与变换域分析方法，核心内容是三大变换（傅里叶变换、拉普拉斯变换与Z变换）。通过本课程的学习，使学生掌握信号与线性时不变系统的时域、变换域分析的基本原理和基本方法，熟悉这些理论与方法在通信工程领域中的应用；掌握有关系统的频响、因果性、稳定性等工程应用中的一些重要结论，建立信号与系统的频域分析以及系统函数的概念，为后续的数字信号处理、通信原理等专业课的学习奠定理论基础。Signalsandsystemsisacompulsoryprofessionalbasiccourseforcommunicationengineeringmajor.Itmainlydiscussestimedomainandtransformdomainanalysisofdeterministicsignals,descriptionandcharacteristicsoflineartime-invariantsystems,andthetimedomainanalysisandtransformdomainanalysismethodofthesignalthroughthelineartimeinvariantsystem,thecorecontentisthreemajortransformations(Fouriertransform,LaplacetransformandZtransform).Throughthestudyofthiscourse,studentscanmasterthebasicprinciplesandmethodsoftimedomainandtransformdomainanalysisofsignalsandlineartime-invariantsystems,andbefamiliarwiththeapplicationofthesetheoriesandmethodsinthefieldofcommunicationengineering;mastersomeimportantconclusionsinengineeringapplicationssuchasfrequencyresponse,causalityandstabilityofthesystem,establishfrequencydomainanalysisofsignalsandsystemsandtheconceptofsystemfunctions,itlaysatheoreticalfoundationforthefollow-upstudyofprofessionalcoursessuchasdigitalsignalprocessingandcommunicationprinciples.负责人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：能应用信号与系统的基本概念、信号与系统时域和变换域描述方法，结合必要的数学知识，对信息获取、传输、处理和利用等过程中有关信号分析与系统分析的问题进行表述。是1.12M2目标2：能利用信号与系统的基本分析方法，结合高等数学、电路分析等课程的知识建立系统的数学模型或结构模拟；能运用信号通过连续和离散线性时不变系统的时域、频域、s域和z域分析方法，求解连续和离散系统的响应。是1.23M3目标3：能针对信号的时域与变换域对应关系，系统的线性、时不变性、因果性和稳定性的判定，系统对输入信号的作用，系统无失真传输等具体通信工程问题进行分析、推理；能运用系统频响和系统函数进行系统功能分析或系统设计。是1.34M4目标4：能针对通信工程领域有关谱分析、抽样、幅度调制、滤波等信号分析与处理问题，利用信号与系统的时域和变换域分析方法进行分析，并能通过Matlab软件仿真及硬件实验对解决方案进行验证、比较、得出结论。是1.4三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第一章信号与系统本章重点难点：信号的基本运算，单位冲激函数的概念和性质，线性时不变系统的概念和特点。/6/6/21.11.1绪论信号与系统的基本概念；信号分析与系统分析的基本概念。思政案例：从烽火狼烟到华为5G，探讨中国古人的智慧与现代人的担当，弘扬爱国主义情怀。M11讲授1网站讨论31.21.2.信号信号的表示、信号的分类。M1,M31讲授1作业41.31.3信号的基本运算信号本身的运算包括反转和平移，尺度变换，信号微积分；信号之间的运算：加法和乘法。M1,M31讲授1作业51.41.4阶跃函数和冲激函数阶跃函数和冲激函数的概念；冲激函数的性质。M1,M31讲授1作业61.51.5系统的描述系统的描述方法:数学模型法，框图描述法；根据描述系统的框图，列写其微分或差分方程的步骤。思政案例：动态系统的定义与“9.18”历史的铭记M1,M2,M31讲授1作业71.61.6系统的特性和分析方法线性时不变系统的概念；系统的线性、时不变性、因果性和稳定性；LTI系统分析方法概述。网站讨论：多径信道的时变特性M1,M31讲授1作业、复习、讨论8第二章连续系统的时域分析本章重点难点：连续系统的初始状态和初始条件在概念上的区别和确定；利用系统冲激响应求零状态响应；卷积积分；卷积和相关的关系及相关的物理意义。/6/4/92.12.1LTI连续系统的响应LTI系统的微分方程经典求解方法；系统的初始状态和初始条件的概念；连续系统的零输入响应、零状态响应及全响应的概念。思政案例：借用响应和激励的关系，引导学生多方摄取有益的知识，避免在自己的内心深处产生不良的“响应”。M2,M32讲授1预习、讨论102.22.2.冲激响应和阶跃响应连续系统冲激响应和阶跃响应的概念、关系、计算。M1,M2,M31讲授1作业112.32.3卷积积分卷积积分的概念，图解法卷积积分的计算步骤。网站讨论：卷积的物理意义M2,M31.5讲授1作业、讨论122.42.4卷积积分的性质卷积积分主要性质，特别是关于冲激函数卷积积分的性质；应用卷积积分法求解系统的零状态响应；能量信号相关的定义、信号相关与卷积的关系。M2,M31.5讲授1作业、复习13第三章离散系统的时域分析本章重点难点：离散系统的差分方程描述；离散信号的卷积和运算；单位序列响应的概念及离散系统零状态响应的时域解法。/54143.13.1LTI离散系统的响应LTI离散系统的差分方程经典求解方法；离散系统的零输入响应与零状态响应的概念。M2,M31讲授1预习153.23.2单位序列和单位序列响应的概念单位序列和单位阶跃序列的概念；单位序列响应和阶跃响应的概念及计算方法。M1,M32讲授1作业163.33.3卷积和卷积和（即离散卷积）的概念，卷积和的计算，卷积和的性质以及简单复合系统单位序列响应的求解方法。M2,M32讲授2作业17第四章连续系统的频域分析本章重点难点：信号傅立叶展开所代表的物理含义、信号频谱的概念；奇异函数的傅立叶变换；傅立叶变换的性质；系统频率响应的概念；时域取样定理；能量谱与功率谱的概念。/16/16/184.14.1信号分解为正交函数正交函数集的概念；信号空间中的两个完备函数集：三角函数集、指数函数集；信号分解为正交函数。M11讲授1预习194.24.2傅里叶级数周期信号的三角形式和指数形式傅立叶级数展开；函数的波形特点与傅里叶系数的关系。思政案例：傅里叶生平。网站讨论：周期信号傅里叶级数展开的具体应用M1,M42讲授2作业204.34.3周期信号的频谱周期信号的频谱和信号带宽的概念；周期信号频谱的特点；周期信号功率的计算。M12讲授2作业214.44.4非周期信号的傅立叶变换和频谱从周期信号的频谱到非周期信号的傅立叶变换；非周期信号的傅里叶变换及逆变换；非周期信号的频谱。思政案例：以心电信号的频谱分析的处理为例，让学生珍视健康，并产生共鸣。M1,M3,M42讲授2作业224.54.5傅立叶变换的性质线性、奇偶性、对称性、尺度变换、时移特性、频移特性、卷积定理、时域微分和积分、频域微分和积分性质；信号时频域对应关系。思政案例：引导学生多方面多视角的解决问题。M1,M3,M42讲授2作业234.64.6能量谱与功率谱帕斯瓦尔能量等式、能量信号的能量谱与自相关函数的关系；功率信号的功率谱与自相关函数的关系。M1,M31讲授1作业244.74.7周期信号的傅立叶变换周期信号的傅立叶变换的概念；周期信号的傅里叶系数与傅里叶变换的关系。M1,M32讲授2作业254.84.8LTI系统的频域分析系统频率响应的概念，系统幅频特性和相频特性的物理意义；系统无失真传输的条件、群时延的概念；理想低通滤波器的冲激响应和阶跃响应、理想低通滤波器的物理不可实现性。网站讨论：系统频域分析在信道估计技术、均衡技术中的应用。M1,M3,M42讲授2作业、讨论264.94.9取样定理信号的取样的概念、模型、取样后信号的频谱与原模拟信号频谱之间的关系、频谱混叠现象；时域取样定理；取样信号恢复信号的实质。网站讨论：抽样定理的实际应用与压缩感知。思政案例：信息技术的时代发展与时域抽样模型的修正M3,M42讲授2作业、网站讨论27阶段性测试1期中考试考核学生对信号和系统的表示、信号的卷积积分和卷积和的计算、信号的时域及变换域分析、系统特性的分析与判定等课堂讲授内容的理解和应用的能力。M1,M2,M3,M41讲授3课外学时考试、总结28第五章连续系统的S域分析本章重点难点：拉普拉斯变换的性质；用部分分式法求拉普拉斯反变换；微分方程的S域求解方法；系统函数的概念及其应用；电路的S域模型。在教学中应强调本章与第二章时域分析法的区别与优势。/6/4/295.15.1拉普拉斯变换从傅里叶变换到拉普拉斯变换、拉普拉斯变换的定义、拉普拉斯变换的收敛域。M11讲授1预习305.25.2拉普拉斯变换的性质线性、尺度变换、时移特性、复频移特性、时域微分特性、时域积分特性、卷积定理；常用信号的拉普拉斯变换。M12讲授1作业315.35.3拉普拉斯逆变换部分分式展开法M11讲授1作业325.45.4系统的S域分析应用拉暜拉斯变换求解系统的零输入响应，零状态响应与全响应并引出系统函数H(S）；拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系。M1,M2,M32讲授1作业、复习33第六章离散系统的Z域分析本章重点难点：Z变换的性质；用部分分式法求解逆Z变换；差分方程的Z域求解方法；系统函数的概念及其应用。在教学中应强调本章与离散系统时域分析方法的区别与优势，还应该强调本章与第五章内容上的诸多相似之处。/6/6/346.16.1z变换拉普拉斯变换与z变换的关系；离散信号的Z变换的定义及收敛域。M11讲授1预习356.26.2z变换的性质线性、移位、z域尺度变换、卷积定理、z域微分、k域反转、部分和；常用函数的Z变换。M12讲授2作业366.36.3逆Z变换部分分式展开法M11讲授1作业376.46.4Z域分析用Z变换求解离散系统的零输入响应、零状态应与全响应；系统函数的概念。M1,M22讲授2作业、复习38第七章系统函数本章重点难点：系统函数的极点分布与系统因果性、稳定性之间的关系；系统的信号流图和常见的几种系统实现结构。/6/4/397.17.1系统函数与系统特性系统函数的零、极点的分布与时域特性及频率特性的关系。M2,M3,M42讲授1预习407.27.2系统的因果性与稳定性系统的因果性与稳定性的判断M31讲授1作业417.37.3信号流图信号流图；梅森公式、系统函数的计算。M1,M2,M32讲授1作业427.47.4系统的结构系统的模拟：直接，级联和并联实现。M2,M31讲授1作业、复习43阶段性测试2阶段性测试2测试学生对连续系统的s域分析、离散系统的z域分析、系统因果性与稳定性的判断、系统函数、信号流图的掌握程度。M1,M2,M31.5讲授、讨论1复习、总结44第八章系统的状态变量分析本章重点难点：系统状态变量、状态方程的定义，状态方程和输出方程的建立过程，状态方程的求解方法等。M12讨论2自学45实验一信号与系统分析实验箱基本模块的使用熟悉实验箱的电源模块、信号源模块、毫伏表模块、频率计模块、信号分解与合成模块、主机接口与二次开发区；信号源的使用；示波器的使用；信号的测量。M12实验1撰写实验报告46实验二信号的分解与合成矩形脉冲信号的分解；矩形脉冲信号的合成；谐波幅度和相位对波形合成的影响。M42实验1撰写实验报告47实验三信号的抽样及抽样定理观察抽样信号波形；验证抽样定理与信号恢复M42实验1撰写实验报告48上机一信号的Matlab表示与运算常用信号的MATLAB表示；信号的基本运算。M42上机1软件设计、报告撰写49上机二信号的卷积、相关运算及应用卷积积分与卷积和的计算及应用；卷积积分与相关的运算关系；相关的运算；相关结果最大值对应时延的物理意义及应用。M42讲授、讨论2软件设计、报告撰写50上机三傅里叶变换的数值计算及信号的频域分析非周期连续信号傅里叶变换的数值计算；信号的频谱分析；信号的调制，多路信号的频分复用，体验信号傅里叶变换数值计算的运算速度，观察时域的离散化、时域的截短所引起的信号频谱的变化。M42上机2软件设计、报告撰写51大作业基于Matlab完成要求功能的系统建模、结构模拟与软件开发：1.回声信号的产生与消除2.DTMF双音多频信号产生的数字振荡器设计与检测1.回声信号的产生：回声信号产生的数学模型；回声信号的产生；回声信号消除的系统设计；回声信号的消除。2.DTMF双音多频信号产生的数字振荡器设计：具体应用单位序列响应，系统函数零极点分布，信号流图等系统分析方法完成不同频率正弦序列数字振荡器的设计；DTMF双音多频信号的检测：信号的傅里叶分析；具有不同选频特性的理想滤波器的设计。M1,M2,M3,M40.5讲授10方案设计/软件开发/撰写报告/制作PPT/答辩四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.具体包括每章的课后纸质作业和电子版作业，其中电子版作业包括与课程内容有关的Matlab仿真题目或结合应用的网站讨论话题。2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.纸质作业考核学生对信号与系统基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力。题型包括作图题、简答题、计算题等。4.电子版作业主要考查学生结合课程理论对讨论话题的认知情况，以及利用Matlab工具软件进行系统分析和设计的能力。10%2阶段性测试1.第1-4章结束后，安排1次期中测验，测验时长为120分钟。2.第5-7章结束后，安排1次随堂的阶段性测验，测验时长为50分钟。3.每次测验的成绩采用百分制。题型包括客观题、作图题、简答题、计算题等。4.考核学生对信号和系统的表示、信号的卷积积分和卷积和的计算、信号的时域及变换域分析、系统特性的分析与判定等课堂讲授内容的理解和应用的能力。20%3实验1.本课程6个学时硬件实验，共3次实验。2.成绩采用百分制，根据实验完成质量，以及实验报告质量评分。3.考核学生对信号发生与测量观测实验设备的使用能力，以及针对信号分解与合成、时域采样定理理论的应用能力。10%4上机及大作业1.上机（1）本课程6个学时上机，共3次上机。（2）成绩采用百分制，根据所设计的实验方案及小组答辩、完成情况评分。（3）考核学生针对信号的表示、运算、频谱分析、系统设计、滤波处理等具体问题，能够根据需求确定设计目标，从信号与系统分析的角度优选解决方案，进行验证、比较、获得有效结论的能力。2.大作业（1）本课程要求利用Matlab开发回声信号的产生与消除、DTMF信号产生的数字振荡器设计与检测的两个仿真软件。2.根据软件开发情况、大作业报告的撰写情况、PPT汇报和答辩的情况评分。3.考查学生根据需求建立仿真数学模型，确定设计目标，从信号与系统分析的角度优选解决方案，进行验证、比较、获得有效结论的能力。10%5期末考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.主要考核学生对信号与系统基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有填空题、计算题、综合题等。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业20%A-独立思考、按时完成，作图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确；B-独立思考、按时完成，作图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案比较准确；C-独立思考、按时完成，作图基本规范，解题思路基本清晰、步骤基本完整、格式基本合理、答案基本准确；D-作业抄袭，未能按时完成，作图不规范，解题思路混乱。2M1阶段性测试30%（见阶段性测验评分标准）3M1期末考试40%（见期末考试评分标准）4M1上机及大作业10%A-利用Matlab对研究对象的表述正确；B-利用Matlab对研究对象的表述比较正确；C-利用Matlab对研究对象的表述基本正确；D-利用Matlab对研究对象的表述不正确。5M2平时作业20%A-独立思考、按时完成，作图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确；B-独立思考、按时完成，作图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案比较准确；C-独立思考、按时完成，作图基本规范，解题思路基本清晰、步骤基本完整、格式基本合理、答案基本准确；D-作业抄袭，未能按时完成，作图不规范，解题思路混乱。6M2阶段性测试30%（见阶段性测试评分标准）7M2上机及大作业10%A-利用Matlab建立研究对象的系统模型及求解结果正确；B-利用Matlab建立研究对象的模型及求解结果比较正确；C-利用Matlab建立研究对象的模型及求解结果基本正确；D-利用Matlab建立研究对象的模型及求解结果不正确。8M2期末考试40%（见期末考试评分标准）9M3平时作业20%A-独立思考、按时完成，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确；B-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案比较准确；C-独立思考、按时完成，解题思路基本清晰、步骤基本完整、格式基本合理、答案基本准确；D-作业抄袭，未能按时完成，解题思路混乱。10M3阶段性测试20%（见阶段性测试评分标准）11M3上机及大作业30%A-系统功能满足要求,设计、分析及推理过程严谨详细；B-系统功能比较满足要求,设计、分析及推理过程比较严谨；C系统功能基本满足要求,设计、分析及推理过程基本严谨；D-系统功能不能满足要求,设计、分析及推理过程不严谨。12M3期末考试30%（见期末考试评分标准）13M4阶段性测试10%（见阶段性测试评分标准）14M4实验10%A-实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述清楚，能对实验现象及数据进行正确的分析、推理。B-实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述比较清楚，能对实验现象及数据进行较为正确的分析、推理。C-实验过程中认真完成实验要求，能得到正确的实验结果，实验报告格式基本正确，步骤叙述基本清楚，实验现象及实验数据分析基本正确。D-实验过程中不能完成实验要求，不能得到正确的实验结果，步骤叙述不清晰，实验现象及实验数据分析不正确。15M4上机及大作业60%上机：A-仿真过程完整，结果分析正确，能