《数字信号处理》课程教学大纲

《数字信号处理》教学大纲课程名称：数字信号处理（DigitalSignalProcess）课程编码：1501ZY031课程类别：专业基础-必修学分：4分总学时：64学时，其中理论学时52学时，实验学时12学时适用专业：电子信息工程先修课程：复变函数与积分变换、信号与系统、通信电子线路一、课程性质本课程是电子信息工程专业的专业基础课程，具有很强的工程性和实践性。通过本课程学习，学生能够掌握信号与系统的时间域分析和频率域分析、离散傅里叶变换、数字滤波器网络结构的基本概念、基本理论，使学生了解IIR滤波器和FIR滤波器的设计原理和方法，具备根据信号处理目标确定滤波器系统的设计指标并进行系统设计与实现、最终达到信号处理目标的能力，以适应现代信息社会对数字信号处理技术人才的需求。二、课程目标（一）育人目标与工程人才的培养定位进行对接，重点聚焦到厚植工程师价值观和工程伦理道德上来；培养具有伦理意识、以造福人类和可持续发展为理念的现代工程师，培养学生在面对道德困境时，做出正确的判断和选择；结合工程实例，增加“代入感”树立主人翁意识，树立一种大局观，提高学生服务国家服务人民的社会责任感；领略中国智慧，激发学生的中国道路自信和行业领域发展信心。注重鼓励学生在专业知识学习之余，养成勤锻炼、有情趣、爱劳动的生活取向，注重因地制宜，发挥高校自身的学科研究优势、社会网络资源、校史育人功能，最大限度创设条件，激活学生的创造活力，将学生培养成品德高尚、专业过硬、体魄强健、审美高雅、热爱劳动的新时代好青年。（二）知识和能力目标掌握数字信号、数字系统以及信号处理的基本概念和基本原理（毕业要求1.4）；能够对数字信号处理系统的问题，诸如信号频谱分析、信号与系统线性卷积、信号采样与恢复等，进行准确识别、表达、建模与分析，同时设计出满足指标要求的数字滤波器。（毕业要求2.2）；能够根据信号处理目标确定正确的分析方法并用计算机正确实现，能够利用计算机正确实现满足要求的数字滤波器并实现信号的滤波（毕业要求3.2）。课程目标与毕业要求指标点对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标11.4能将信号处理与传输等基础知识应用于信息的表示、信号的处理与传输等工程问题。课程目标22.2能运用相关科学原理及其模型对信号处理与传输领域复杂工程问题进行准确识别、表达与分析。课程目标33.2能够根据电子信息系统特定性能指标需求设计系统的各单元模块；能够根据电子信息系统特定性能指标需求，设计电子信息系统各单元模块。三、基本要求本课程介绍信号与系统的基本概念和性质、运用数字方法对信号处理在时间域和频率域的实现进行分析和处理，通过数字滤波器设计指标的确定、滤波器类型以及设计方法的选择，设计出满足信号处理要求的滤波器，最后以有效的网络结构实现信号的处理，完成信号处理的全过程。教学过程中要注意与先修课程基础知识的联系，掌握信号与系统的基本概念和性质、能够根据系统的单位脉冲响应或者系统函数判定系统的线性、时不变性、因果性和稳定性；掌握连续时间信号的采样与还原，掌握Z变换、傅里叶变换、离散傅里叶变换的物理意义及相互关系；掌握离散傅里叶变换在信号处理中的重要作用及应用，掌握IIR滤波器和FIR滤波器的基本特点和差异、掌握滤波器设计方法的选择依据，掌握信号处理的全过程。在每一章讲述中、注意培养学生思考为什么要讲授本章内容的科学思维习惯，培养学生研究各章内容之间知识点关系的融会贯通能力，学生按照能力培养的主线将课程内容进行归纳总结的能力，最终学生能够自我检测判断其知识和能力是否已达到课程的培养目标。四、教学内容分章节说明教学内容，课时安排，并说明教学重点、主要教学模式（包括授课、自学、实验、堂讨论、作业等）。课程教学内容及学习要求章节教学内容学时思政元素教学模式对应课程目标1绪论2爱国主义教育、理想信念教育、道德情操教育、三观教育、工程思维教育、就业创业教育课堂授课，课后先修课程小结讨论12离散时间信号与系统的时间域分析6“道生一,一生二,二生三,三生万物”，失之毫厘，谬以千里与初值的关系；环境也是一个大系统，保护环境、为之奋斗课堂授课，课堂讨论、课后练习6题13离散时间信号与系统的变换域分析8名人精神力量的感染、科学精神；互联网思维方式与方法论的简约思维：复杂问题简单化，简单问题公式化；课堂授课，课堂讨论、课后练习4题，部分自学14离散傅里叶变换8事物间的传承与发展课堂授课，课堂讨论、课后练习8题25快速傅里叶变换6方法论的教育、创新精神；知识的应用、科技创新、方法论课堂授课，课堂讨论、课后练习2题，部分自学26数字滤波器的结构4方法论：解决手段的多样性以及成本分析；矛盾论、科学思维：设计的无限精度与实现时的有限误差之间的矛盾；系统误差的不可避免是矛盾论中科学辩证思维的基本元素课堂授课，课堂讨论、课后练习4题，部分自学27IIR数字滤波器的设计10科学思维、方法论课堂授课，课堂讨论、课后练习业6题，部分自学28FIR数字滤波器的设计8科学思维：尺有所长寸有所短；科学思维、榜样的力量：大多数的科学研究是建立在一定的假设基础上进行的。课堂授课，课堂讨论、课后练习3题，部分自学2第一章绪论数字信号处理系统与模拟信号处理系统的特点数字信号处理系统的发展历史以及应用范围本章重点：了解数字信号处理系统与模拟信号处理系统的差异了解数字信号处理系统的优势以及可能的发展趋势第二章离散时间信号与系统的时间域分析离散时间信号离散时间信号系统线性时不变系统的差分方程描述连续时间信号的数字处理AD转换的量化误差本章重点：掌握信号与系统的时间域表示方法、性质掌握时域抽样定理的原理以及正确进行连续时间信号的抽样了解时域抽样时的AD转换器字长对信噪比的影响能力：能够用信号与系统的时域分析方法用于分析信号处理的复杂工程问题。第三章离散时间信号与系统的频率域分析序列的Z变换序列的傅里叶变换LTI系统的系统函数与传输函数希尔伯特（Hilbert）变换本章重点：了解逆Z变换的解法、希尔伯特（Hilbert）变换的特点掌握序列的傅里叶变换的定义掌握系统零极点对系统函数的影响能力：能够用信号与系统的变换域分析方法用于分析信号处理的复杂工程问题。第四章离散傅里叶变换周期序列的离散傅里叶级数离散傅里叶变换频率采样定理本章重点：了解四种傅里叶变换的特点掌握离散傅里叶变换的物理意义掌握频域抽样定理的原理以及正确进行数字信号的频域抽样能力：能够对信号与系统进行离散傅里叶变换，并对其幅度谱和相位谱进行分析。第五章快速傅里叶变换为什么要进行快速傅里叶变换DIT-FFT的原理DIF-FFT的原理混合基FFT的原理FFT的应用线性调频Z变换FFT算法的有限字长效应本章重点：了解离散傅里叶变换和傅里叶变换的关系、快速傅里叶变换对数字信号处理发展的重要性掌握DIT-FFT、DIF-FFT的原理、特点以及运算量的大小掌握蝶形运算的特点以及两种蝶形运算的关系掌握FFT进行频谱分析、线性卷积的方法和注意事项了解其他几类快速算法的原理了解FFT运算过程中的有限字长效应能力：能够用DIT-FFT、DIF-FFT的原理编写频谱的程序，分析信号的频谱，快速实现线性卷积。第六章数字滤波器的结构数字网络的信号流图表示IIR数字滤波器的结构FIR数字滤波器的结构数字滤波器的格型结构系数量化对数字滤波器的影响数字滤波器的运算量化效应本章重点：了解数字网络的信号流图表示掌握IIR滤波器和FIR滤波器的基本网络实现结构了解滤波器实现时系数量化以及计算过程中的量化效应了解格型网络结构能力：能够分析IIR滤波器和FIR滤波器的基本网络实现结构。第七章IIR数字滤波器的设计引言模拟滤波器设计设计IIR滤波器的脉冲响应不变法设计IIR滤波器的双线性变换法设计IIR数字滤波器的频率变换法本章重点：了解滤波器设计指标含义以及模拟滤波器设计的概念掌握脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR滤波器的原理和方法了解频率变换法设计其他类型IIR滤波器的原理能力：能够用脉冲响应不变法、双线性变换法原理，分析IIR滤波器的性能指标，设计IIR滤波器，编写滤波器的程序，实现对实际信号滤波。第八章FIR数字滤波器的设计FIR数字滤波器的性质FIR滤波器窗函数设计FIR滤波器频率采样法设计FIR数字滤波器的等波纹优化设计本章重点：掌握线性相位FIR数字滤波器的特点掌握窗函数法和频率采样法设计FIR数字滤波器的原理和实现方法了解等波纹优化法设计FIR数字滤波器的原理能力：能够用窗函数法和频率采样法，设计FIR滤波器，编写滤波器的程序，在保证线性相位的同时实现对实际信号滤波。五、实验内容与学时分配实验项目与类型序号实验项目学时实验性质验证综合设计1离散时间信号的表示及运算2√2采样率对信号频谱的影响2√3利用FFT实现信号的频谱分析2√4IIR滤波器的设计2√5FIR滤波器的设计2√6用数字滤波器对信号进行滤波2√实验一离散时间信号的表示及运算目的要求掌握离散时间信号的时域表示；掌握离散时间信号的基本运算；用MATLAB表示的常用离散时间信号及其运算；掌握用MATLAB描绘二维图形的方法。掌握要点掌握常用序列，序列的加、减、乘、除、移位、反褶基本运算。实验内容用MATLAB编制程序分别产生各种序列，并画波形图；用MATLAB编程实现序列的移位序列，两序列的反褶、相加、相乘运算并画出波形图；对结果进行分析；完成实验报告。实验二采样率对信号频谱的影响目的要求理解采样定理；掌握采样频率确定方法；理解频谱的概念；理解三种频率之间的关系。掌握要点掌握采样频率确定方法。实验内容采样率的确定；计算采样后所得序列的频谱；对结果进行分析；完成实验报告。实验三利用FFT实现信号的频谱分析目的要求掌握快速离散傅里叶变换FFT进行频谱分析的基本方法；掌握频谱分析时的截断效应、频谱泄漏和频谱混叠特点；掌握频谱分辨率与采样频率以及信号持续时间的关系。掌握要点FFT的基本原理、频谱分辨率、截断效应、栅栏效应、频谱泄漏和频谱混叠。实验内容对典型信号进行频谱分析；研究采样频率和信号持续时间分析对提高频谱分辨率的作用；研究栅栏效应、频谱泄漏对信号谱分析的影响；对结果进行分析；完成实验报告。实验四IIR滤波器的设计目的要求熟悉模拟Batterworth滤波器设计的方法、掌握脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器的方法；掌握双线性变换法设计IIR数字滤波器的方法。掌握要点模拟Batterworth滤波器的阶数和3dB截止频率、脉冲响应不变法和双线性变换法的原理和特点。实验内容给定模拟滤波器设计指标，设计模拟Batterworth滤波器；给定数字滤波器设计指标，用脉冲响应不变法设计数字低通滤波器、用双线性变换法设计数字低通、高通以及带通滤波器；分析采样频率对脉冲响应不变法和双线性变换法的影响；对结果进行分析；完成实验报告。实验五FIR滤波器的设计目的要求掌握线性相位FIR滤波器的特点、掌握窗函数法设计FIR数字滤波器的方法；掌握频率采样法法设计FIR数字滤波器的方法。掌握要点四种FIR滤波器的频率特性、窗函数法和频率采样法的原理。实验内容给定数字滤波器设计指标，用窗函数法和频率采样法设计数字低通、高通以及带通滤波器；研究窗口对阻带衰减的影响，研究频率采样法是阻带衰减性能改善的方法；对结果进行分析；完成实验报告。实验六用数字滤波器对信号进行滤波目的要求理解IIR、FIR数字滤波器的特点；理解滤波的概念；掌握IIR、FIR数字滤波器的滤波实现方法；掌握分析滤波前后信号的时域区别和频谱区别的方法。掌握要点滤波器设计指标的确定依据；线性相位、信号时延以及信号长度。实验内容根据信号处理目标，确定滤波器设计的技术指标；分别用双线性变化法和窗函数法设计IIR滤波器和FIR滤波器，并对信号进行处理；研究IIR滤波器和FIR滤波器在信号处理时的处理效果差异；对结果进行分析；完成实验报告。六、教学方法本课程以“理论联系实践”为教学理念。为了提高教学质量，增强学生的动手能力和综合分析能力，采用理论教学、课堂作业、课后习题与课堂研讨等相结合的教学方式方法，达到使学生掌握数字信号处理基本理论和基础知识的教学目标。主要教学环节包括课堂教学、课堂研讨、课堂和课后习题练习以及课后自学。课堂教学课堂教学以“互动式”方法为主导，在这一教学环节，学生以听课为主，并参与讨论，每次课程开始或课程中间进行提问，课后留有思考题或小型验证实验项目。教师主要讲授课程的基本概念、基本理论和基本方法。同时，有意识设计一些讨论性问题，引导学生运用已有的知识进行思考。本课程涉及学科多，广泛采用多媒体教学手段，注重提高课堂效率。课堂、课后习题和自学课堂上，教师会有针对性的布置课后习题。习题要求学生独立完成，教师批改后对错误较多的问题进行讲解。通过大量作业达到加深理解、增强学生分析问题和解决问题能力的目的，效果良好。对于本课程中主要知识点，通过每章小结、每章适当习题，每章重点内容的实验验证，让学生在课堂和课后进行练习，使学生进一步理解和巩固课程所学的基本概念、基本理论和方法。同时，我们精选讲课内容，精讲重点难点，安排同学自学易于理解的内容，以培养学生自主学习的意识和能力以及抓住要点的能力。课堂研讨随着教学改革的深入，本课程开始了研究型教学的探索，以课程难点和易混淆点为主题开展了课堂讨论的建设等工作。在教学中将建立“以学生为主体、以教师为主导”的基于探索和研究的教学模式。教师指定题目或者学生感兴趣的热点话题，要求学生以小组开展文献检索和资料查阅，采用ppt汇报方式在课堂进行演讲、提问和答辩，并完成科技调研报告，发挥学生的主观能动性。实验教学数字信号处理是一门将数学赋予一定的物理意义并应用于实际问题处理的课程。为了加深学生对信号处理基本概念、理论以及物理意义的理解、训练学生的动手能力和综合分析能力，本课程配合理论学习，安排有12学时的实验。实验课要求学生在教师的指导下，能独立完成相关实验测试工作，分析理解掌握信号处理的原理和方法。七、考核与评价方式及标准考核标准与成绩评定课程考核包括平时成绩、期末考试两个部分。平时成绩（百分制），包括课堂测验、实验和课后作业等。平时成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）能够根据数字信号和系统的数字信号和系数字信号和系统数字信号和系统的数字信号和系基本概念和基础知识，对线统的基本概念的基本概念比较基本概念比较清统的基本概念性时不变系统、数字信号的清晰；信号频谱清晰；信号频谱晰；信号频谱分析、错误；无法进行性质进行分析和判断；能够分析、信号与系分析、信号与系信号与系统线性卷信号频谱分析、根据离散傅里叶变换和快速统线性卷积的统线性卷积实积实现、信号采样信号与系统线傅里叶变换的基本概念，实处理、信号采样现、信号采样与与恢复等思路模性卷积、信号采现对信号的频谱分析、线性与恢复等思路恢复等思路比较糊、结果部分正确。样与恢复等处卷积、信号采样与恢复等处清晰、结果正清晰、结果较正滤波器类型和设计理。不能正确选理；能够根据滤波器的设计确。滤波器类型确。滤波器类型方法选择部分有偏择滤波器类型要求，选择正确的滤波器类和滤波器设计和设计方法选择差，设计结果错误和滤波器设计型和滤波器设计方法设计滤方法选择正确，基本正确，设计加大，网络结构实方法，设计结果波器，设计结果正确，并选设计结果正确，结果基本正确，现滤波器时有较多错误，无法用网择适当的网络结构实现已设滤波器网络结滤波器网络结构错误。络结构实现滤计出的滤波器。构正确实现。部分正确实现。波器。实验成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目能够根据实能够根据信号处理能够根据信号处理基本上能够根据信基本上能够根据标验项目1~6的目标确定正确的分目标确定正确的分号处理目标确定的信号处理目标确3内容开展实析方法并用计算机析方法并用计算机分析方法并用计算定的分析方法并验，观察实验正确实现，开展实正确实现，开展实机实现，实验结果基用计算机开展实现象，分析实验，实验结果正确，验，实验结果较正本正确，部分结果分验，实验结果不正验结果。结果分析全面；设确；设计性实验的析；设计性实验的方确，无结果分析；计性实验的方案正方案较正确。报告案基本正确。报告极设计性实验的方确。报告书写工整、书写清晰，主要符小部分抄袭，符号、案不正确。报告抄清晰，符号、单位号、单位等符合规单位等基本规范。袭。等符合规范。范。期末考试成绩：采取闭卷考试方式，考试题型包括：选择题、填空题、简答题、画图题、计算题、设计题等。课程期末考试考核内容与评价标准基本要求评价标准比例（%）优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目标1掌握数字信号、数字系统以及信号处理的基本概念和基本原理数字信号和系统的基本概念清晰；数字信号和系统的基本概念比较清晰；数字信号和系统的基本概念比较清晰；数字信号和系统的基本概念错误；25目标2能够对数字信号处理系统的问题，诸如信号频谱分析、信号与系统线性卷积、信号采样与恢复等，进行准确识别、表达、建模与分析，同时设计出满足指标要求的数字滤波器。Z变换、傅里叶变换、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换的原理清晰，能够正确地灵活运用；信号频谱分析中频谱分辨率、信号最小记录时间等概念清晰、结果正确；线性卷积快速实现的分析处理结果正确；信号的时间域采样与频率域采样的基本概念以及应用分析结果正确。Z变换等变换的原理比较清晰，能够比较正确地运用；信号频谱分析中频谱分辨率、信号最小记录时间等概念比较清晰、结果错误较小；线性卷积快速实现分析处理结果基本正确；信号的时间域采样与频率域采样的基本概念以及应用分析结果比较正确。Z变换等变换的原理基本清晰；信号频谱分析中频谱分辨率、信号最小记录时间等概念基本清晰、分析结果存在较大错误；线性卷积快速实现分析处理结果有较大错误；信号的时间域采样与频率域采样的基本概念以及应用分析结果基本正确。Z变换等变换的原理模糊；信号频谱分析中频谱分辨率、信号最小记录时间等概念模糊、分析结果错误；线性卷积快速实现分析处理结果错误；信号的时间域采样与频率域采样的基本概念模糊，应用分析结果错误。45滤波器网络结构流图正确、滤波器系数正确滤波器网络结构流图部分正确、滤波器系数部分正确滤波器网络结构流图部分错误较多、滤波器系数错误较多滤波器网络结构流图错误、滤波器系数错误5滤波器类型和设计方法选择正确，滤波器设计结果正确滤波器类型和设计方法选择、滤波器设计结果基本正确滤波器类型和设计方法选择、滤波器设计结果存在较大错误滤波器类型和设计方法选择、滤波器设计结果错误25注：该表格中的比例为期末考试试卷成绩比例。成绩评定为：考试成绩*70%+平时成绩*30%。课程目标达成评价《数字信号处理》课程目标达成评价分析报告一、课程基本信息课程名称数字信号处理课程性质专业基础课，必修学时学分64/4开课学期专业班级考核方式考试，闭卷任课教师：评价人员：课程组长，命题教师，阅卷教师二、课程目标达成评估课程目标支撑指标点课程目