《数字信号处理C》教学大纲

《数字信号处理C》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：06141531课程性质：专业必修课学分：4学分学时：64学时（理论52学时，实验12学时）先修课程：高等数学、信号与系统、数字电子技术后续课程：生物医学信号分析与处理、医学图像处理适用专业：医学信息工程开课单位：电子信息工程学院一、课程说明《数字信号处理》是医学信息工程专业的一门专业必修课。本课程主要讲授离散时域信号和系统的基本理论和分析方法，数字滤波器的设计原理和实现方法，为学习其他有关课程及研究与解决数字化的实际工程问题奠定理论基础。本课程目标在于培养学生对数字信号处理系统化的概念，使学生正确理解其基本理论、基本原理和一般方法；为学习医学信息类课程奠定基础。本课程强调工程理念，重视提高学生的逻辑思维能力，使学生能够综合应用所学知识分析解决工程问题，促进自主性学习和创造性工作。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：使学生建立数字信号处理的基本概念，掌握数字信号处理的基本原理、理论和方法，了解数字信号处理的新方法和新技术，熟练应用现代工具进行数字信号处理的仿真、分析和设计，达到能够对复杂的数字系统进行分析、处理和设计的能力水平。课程目标2：使学生能够通过数学方法分析一些基本和实际问题，对实际工程问题进行抽象建模，应用数学、数字信号处理的基本知识分析实际的工程问题并提出相应解决方案，提高学生分析和解决实际问题的能力。课程目标3：能够综合运用所学数字信号处理相关知识，完成信息处理系统的整体设计，并对设计进行优化，并最终实现工程表达，体现创新意识。课程目标4：能够使用现代仿真工具进行系统仿真或实验，可以分析和解释所得数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标5：能够开发和利用现代工程工具、信息技术工具对复杂数字信号处理系统中出现的问题进行辅助设计、预测和模拟。三、课程目标与毕业要求《数字信号处理》课程教学目标对医学信息工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.3掌握医学信息工程所需的专业知识，并能将其综合应用于解决复杂医学信息工程问题。课程目标1：使学生建立数字信号处理的基本概念，掌握数字信号处理的基本原理、理论和方法，了解数字信号处理的新方法和新技术，熟练应用现代工具进行数字信号处理的仿真、分析和设计，达到能够对复杂的数字系统进行分析、处理和设计的能力水平。H2.问题分析2.1能够应用工程科学的基本原理，识別和判断复杂医学信息工程问题的关键环节和参数。课程目标2：使学生能够通过数学方法分析一些基本和实际问题，对实际工程问题进行抽象建模，应用数学、数字信号处理的基本知识分析实际的工程问题并提出相应解决方案，提高学生分析和解决实际问题的能力。H3.设计/开发解决方案3.2能够根据要求对复杂医学信息工程问题给出解决方案，设计开发实现特定功能的设备、仪器和单元（部件）。课程目标3：能够综合运用所学数字信号处理相关知识，完成信息处理系统的整体设计，并对设计进行优化，并最终实现工程表达，体现创新意识。M4.研究4.2能够基于科学原理并采用科学方法对器件、电路、功能模块、软件系统制定实验方案并实施。课程目标4：能够使用现代仿真工具进行系统仿真或实验，可以分析和解释所得数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标5：能够开发和利用现代工程工具、信息技术工具对复杂数字信号处理系统中出现的问题进行辅助设计、预测和模拟。M注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.时域离散信号与系统1.1离散时间信号与系统的基础知识1.2连续时间信号的采样1.3离散时间系统的时域分析方法1.4系统的因果性和稳定性教学要求：使学生掌握离散时间信号与系统的基础知识；掌握连续时间信号的采样、离散时间系统的时域分析方法以及系统的因果性和稳定性。重点：连续时间信号的采样与离散时间系统的时域分析。难点：离散时间信号和系统分析。821、2、32.时域离散信号与系统的频域分析2.1傅里叶变换及定义2.2Z变换及其性质2.3序列的Z变换及收敛域的特点2.4拉氏变换、傅里叶变换域Z变换的关系教学要求：使学生了解傅里叶变换及Z变换及其性质；掌握序列的Z变换及收敛域的特点；掌握拉氏变换、傅里叶变换域Z变换的关系。重点：序列Z变换及收敛域的特点。难点：拉氏变换、傅里叶变换域Z变换的关系。1021、2、33.离散傅里叶变换3.1周期序列离散傅里叶级数的定义及性质3.2离散傅里叶变换的概念和性质教学要求：使学生掌握周期序列离散傅里叶级数的定义及性质以及离散傅里叶变换的概念和性质；理解离散傅里叶变换的物理意义。重点：离散傅里叶变换概念和性质。难点：离散傅里叶变换共轭对称性。601、2、4、54.快速傅里叶变换4.1概述4.2时域抽取基2FFT基本原理4.3频域抽取基2FFT基本原理教学要求：使学生掌握按时间抽选的基2-FFT和按频率抽选的基2-FFT的基本思想和方法。重点：按时间抽选的基2-FFT和按频率抽选的基2-FFT的算法原理。难点：蝶形图的理解601、2、4、55.数字滤波器的基本结构5.1IIR数字滤波器的基本网络结构5.2FIR数字滤波器的基本网络结构教学要求：使学生掌握IIR数字滤波器的基本网络结构；掌握FIR数字滤波器的基本网络结构。重点：IIR数字滤波器的级联和并联结构；FIR数字滤波器的级联和频率抽样型。难点：数字信号处理中的实现。802、3、4、56.IIR数字滤波器的设计方法6.1模拟低通滤波器的设计方法6.2脉冲响应不变法设计数字滤波器的基本思想和方法6.3双线性不变法设计数字滤波器的基本原理及特点教学要求：使学生理解脉冲响应不变法设计数字滤波器的基本思想和方法；理解双线性不变法设计数字滤波器的基本原理及特点。重点：脉冲响应不变法；双线性变换法。难点：模拟低通滤波器的设计方法。842、3、4、57.FIR数字滤波器的设计方法7.1线性相位FIR数字滤波器保持线性相位的条件及频率响应的特点7.2窗函数法设计FIR数字滤波器的方法以及窗函数对设计结果的影响7.3FIR滤波器和IIR滤波器的特点教学要求：使学生掌握线性相位FIR数字滤波器保持线性相位的条件及频率响应的特点；掌握窗函数法设计FIR数字滤波器的方法以及窗函数对设计结果的影响；理解FIR滤波器和IIR滤波器的特点，并进行比较。重点：线性相位FIR数字滤波器频率响应的特点。难点：窗函数设计FIR数字滤波器。642、3、4、5合计52122.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.离散时间信号的表示及运算实验内容：了解离散时间信号的特点；掌握利用MATLAB产生离散时间信号，并实现信号可视化的方法。实验要求：能够熟练利用MATLAB对离散时间信号进行基本运算。21、2、32.离散时间LTI系统的响应实验内容：了解离散LTI系统单位脉冲响应MATLAB实现方法；掌握离散LTI系统频率响应函数的MATLAB实现方法。实验要求：掌握如何判断系统稳定性的方法。21、2、33.IIR数字滤波器的MATLAB实现实验内容：了解IIR数学滤波器的基本结构和函数语言的实现格式；掌握双线性变换法及脉冲相应不变法设计IIR数字滤波器的具体设计方法。实验要求：学会利用设计的IIR滤波器进行信号的滤波处理。41、2、3、4、54.FIR数字滤波器的MATLAB实现实验内容：了解窗函数的MATLAB实现函数；加深对数字滤波器的常用指标理解；掌握FIR数字滤波器的设计原理与设计方法。实验要求：学会利用设计的FIR滤波器进行信号的滤波处理。41、2、3、4、5合计12五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。学生比较全面地理解数字信号处理的基本原理、理论和方法，了解数字信号处理的新方法和新技术，熟练应用现代工具进行数字信号处理的仿真、分析和设计，达到能够对数字信号和系统进行分析、处理和设计的能力水平。能够将专业知识用于解决医学信息工程领域中的复杂工程问题，进行系统的设计和开发。六、课程资源1.推荐教材：高西全丁玉美.数字信号处理（第五版）[M].西安:西安电子科技大学出版社,2022年.2.参考书：（1）程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,2018年.（2）奥本海姆.离散时间信号处理[M].北京:科学出版社,2015年.（3）陈后金.数字信号处理（第3版）[M].北京:高等教育出版社,2019年.3.期刊：（1）ThompsonJ.Editorial:IETSignalProcessing[J].IetSignalProcessing,2007,1(1):1-1.（2）MartinRK,YsebaertG,VanbleuK.IEEETransactionsonSignalProcessing[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2012,60(5):2710-2711.（3）陈福彬,金鑫,刘迪等.一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法[J].中国惯性技术学报,2021,29(06):803-808.（4）汪健,张磊,曾鑫等.红外探测器集成图像信号处理芯片设计[J].红外技术,2021,43(11):1044-1048.（5）张旸,吴琼,滕云田等.激光干涉绝对重力仪数据采集与处理的时间优化方法[J].仪器仪表学报,2021,41(08):130-136.4.网络资源：（1）数字信号处理，/course/NJUPT-1002144009.（2）数字信号处理，/course/BUAA-1001807014.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12345过程性考核课堂表现16（1）根据课堂出勤情况、课堂回答问题情况、随堂练习等进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√4444实验成绩16（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√√34333章节测试或课后作业8（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度等，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√2222期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核离散时域信号和系统的基本理论和分析方法，数字滤波器的设计原理和实现方法等内容。（3）考试题型为：选择题、填空题、判断题、简答题和分析计算题等。√√√√√1015151010合计：100分1925241913八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为选择题、填空题、判断题、简答题和分析计算题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能等的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现40笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，上课不记笔记，偶尔参与教学活动。上课不认真，上课不记笔记，不参与教学活动。章节测试或课后作业20作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80%，字迹工整。不交作业2次以内，准确率大于7