信号与系统（MATLAB版 微课视频版 第2版） 汤全武 教学大纲

《信号与系统》课程教学大纲一、课程基本信息信号与系统课程的基本信息如表1所示。表1课程基本信息课程代码课程性质必修课程名称信号与系统学时/学分64/4英文名称SignalsandSystems考核方式过程考核+期末闭卷选用教材汤全武.信号与系统（MATLAB版.微视频版）.清华大学出版社，2021.10课程类别学科基础课，学位课，核心课先修课程高等数学、复变函数、电路分析、MATLAB语言后续课程数字信号处理、通信原理、自控原理适用专业电子信息工程、通信工程、电子信息工程（卓越工程师）、电气工程及其自动化、网络工程、医学影像等二、课程的性质、目的和任务信号与系统课程是电子信息工程、通信工程、电子信息工程（卓越工程师）、电气工程及其自动化、网络工程、医学影像等专业的专业基础课程。本课程主要学习连续和离散信号的时域分析和频域分析，线性时不变系统的描述和特性，以及连续信号通过线性时不变系统的时域分析、实频域分析、复频域分析，离散信号通过线性时不变系统的时域分析、z域分析和系统的状态变量分析法。三、思政元素融入通过本课程的理论教学，从价值引领、知识探究、能力建设、态度养成“四个维度”实现知识、思维、能力有机统一，使学生：1.具有爱国主义热情和科学精神、规矩意识和系统观。2.具有精益求精、团队分工合作和追求卓越的工匠精神。3.掌握信号与系统的基本理论和方法，具备信号与系统的分析、设计能力，具有信息获取与处理能力，做到数学概念、物理概念与工程概念的统一。4.能够识别和判断系统的性质，对复杂工程问题运用系统函数、零极点分布的影响规律、状态变量的选择等关键环节给出相应的参数。5.能够认识到复杂工程问题的多种相互关联和制约因素，并通过分析文献，规范描述相关领域的工程问题。6.能运用信号与系统的基本原理，分析和验证解决方法的合理性，以获得有效结论。7.根据特定需求对相关工程系统各模块进行设计和实现，并能够在设计环节中体现创新意识。8.具有良好的语言表达能力，能够就复杂工程方案和技术问题进行陈述发言和讨论交流。本课程的任务在于研究信号与系统理论的基本概念和基本分析方法。初步认识如何建立信号与系统的数学模型，经适当的数学分析求解，并对所的结果给予物理解释、赋予物理意义。通过本课程的学习，使学生掌握信号与系统的基本理论、基本知识和基本技能，激发起学生对信号与系统学习方面的学习志趣和热情。为深入学习后续专业课程打下良好的基础。四、课程目标及课程支撑的毕业要求指标点课程目标与课程所支撑的毕业要求指标点之间的对应关系，如表2所示。表2课程目标与课程所支撑的毕业要求指标点毕业要求毕业要求指标点课程目标毕业要求1：工程知识1.2掌握电路与信号相关专业基础知识，具备电路分析与设计能力，具有信息获取与处理能力（支撑权重0.15）课程目标1：掌握信号的时域、频域、复频域分析方法，信号通过LTI系统的时域、频域、复频域分析方法，系统状态变量分析法，做到数学概念、物理概念与工程概念的统一，具备信号与系统的分析、设计能力，具有信息获取与处理能力毕业要求2：问题分析2.1能够识别和判断通信领域复杂工程问题的关键环节和参数（支撑权重0.1）课程目标2：能够识别和判断系统的性质，对复杂工程问题运用系统函数、零极点分布的影响规律、状态变量的选择等关键环节给出相应的参数2.2能够认识到复杂工程问题的多种相互关联和制约因素，并通过分析文献，规范描述通信工程领域的工程问题（支撑权重0.2）课程目标3：能够认识到信号的时域、频域、变换域特性，复杂工程问题通过LTI系统的时域、频域、复频域分析的相互关联和制约因素，规范描述相关工程领域的工程问题2.3能运用基本原理，分析和验证解决方法的合理性，以获得有效结论（支撑权重0.15）课程目标4：能够运用多种方法得到系统的响应，对系统从时域、频域、复频域分析得出有效的结论，能根据已知的（或给定的）系统结构图、微分方程或差分方程、转移函数、框图、模拟图等正确地选择状态变量，得到系统的状态方程和输出方程毕业要求3：设计/开发解决方案3.2根据特定需求对通信与电子工程系统各模块进行设计和实现，并能够在设计环节中体现创新意识。（支撑权重0.1）课程目标5：能够针对通信系统以提高信号的传输质量或传输效率，针对控制系统调整系统函数以实现所需的系统特性，针对信号处理领域，采用信号的卷积与解卷积理论、频谱分析、复频域分析等进行设计与实现，并能够在设计环节中体现创新意识毕业要求10：沟通10.2具有良好的语言表达能力，能够就复杂工程方案和技术问题进行陈述发言和讨论交流（支撑权重0.2）课程目标6：具有良好的语言表达能力，能够通过PPT等形式展示成果，汇报交流复杂工程方案和技术问题，对挑战性问题进行开放式的在线讨论五、课程教学内容与课程目标、教学方法的对应关系课程教学内容与课程目标、教学方法的对应关系，如表3所示。表3课程目标与课程教学的对应关系章节教学内容学时教学要求教学重点与难点教学环节支撑课程目标绪论1.课程的地位2.应用领域3.研究内容及性质4.研究方法5.教材与网站1了解本课程的地位、任务、特点、解决的问题、教材、分析主线、学习方法等在线视频学习、小组讨论汇报、讲授目标1、目标6第1章信号与系统的概念1.1信号的定义与分类1了解信号的基本概念与定义，会画信号的波形重点：=1\*GB3①基本的连续时间信号的时域描述与时域特性；=2\*GB3②单位冲激信号的定义、性质及应用；=3\*GB3③信号的时域变换与时域运算及其综合应用；=4\*GB3④线性时不变系统的性质及应用难点：=1\*GB3①信号的时域变换；=2\*GB3②线性时不变系统的性质及应用在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标61.2典型连续信号及其时域特性了解常用基本信号的时域描述方法、特点与性质，会应用这些性质1.3信号的时域变换2掌握信号的时域变换与运算的方法，并会求解1.4信号的时域运算1.5奇异信号2=1\*GB3①掌握单位阶跃信号和单位冲激信号的时域描述方法、特点与性质，会应用这些性质；=2\*GB3②了解单位斜变信号、单位门信号和单位符号信号；=3\*GB3③理解单位冲激偶信号1.6系统的定义与描述2了解系统的定义与描述1.7系统的性质与分类掌握线性时不变系统的定义与性质，会应用这些性质第2章连续时间系统的时域分析2.1连续时间系统的数学描述1了解连续时间系统的数学模型和时域模拟的概念，会建立描述系统激励与响应关系的微分方程重点：=1\*GB3①连续系统数学模型的建立和时域模拟；=2\*GB3②用时域经典法求系统的零输入响应；=3\*GB3③系统的单位冲激响应及其求解方法；=4\*GB3④卷积积分的定义、性质、运算及用卷积积分法求系统的零状态响应难点：=1\*GB3①起始点的跳变——从0-到0+状态的含义；=2\*GB3②冲激函数匹配法；=3\*GB3③卷积积分图解法在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标3、目标4、目标62.2连续时间系统的响应2=1\*GB3①理解系统的特征方程、特征根的意义，会求解；=2\*GB3②理解系统的全响应可分解为自由响应和强迫响应，零输入响应和零状态响应，瞬态响应和稳态响应；会根据微分方程的特征根与已知的系统起始条件，求系统的响应2.3冲激响应和阶跃响应1掌握系统单位冲激响应和单位阶跃响应的意义，会求解2.4卷积积分2理解卷积积分的定义、运算规律2.5卷积积分的性质理解卷积积分的主要性质，掌握求解卷积积分的方法2.6求系统零状态响应的卷积积分法会应用卷积积分法求线性时不变系统的零状态响应第3章连续时间信号与系统的频域分析3.1周期信号的傅里叶级数分析2掌握傅里叶级数的定义、性质，会应用这些性质重点：=1\*GB3①周期信号的频谱分析及其频谱的特点；=2\*GB3②傅里叶变换的定义、性质及其正反傅里叶变换的求解；=3\*GB3③周期信号的傅里叶变换，频域系统函数的定义与求解；=4\*GB3④非周期信号激励下系统的零状态响应的求解；=5\*GB3⑤想低通滤波器的定义及其传输特性；=6\*GB3⑥信号无失真传输的条件，抽样信号和抽样定理；=7\*GB3⑦调制与解调的基本原理与应用难点：=1\*GB3①傅里叶变换及其应用；=2\*GB3②取样定理；=3\*GB3③频域系统函数的定义，物理意义，求法与应用在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标3、目标4、目标5、目标63.2周期信号的频谱2理解周期信号的频谱、频谱宽度和频谱图，掌握理解周期信号频谱的特点3.3非周期信号的频谱2=1\*GB3①理解非周期信号的频谱、频谱宽度和频谱图；=2\*GB3②掌握典型非周期信号的傅里叶变换；=3\*GB3③掌握冲激信号、阶跃信号的傅里叶变换3.4傅里叶变换的基本性质3掌握傅里叶变换的基本性质及应用。3.5周期信号的傅里叶变换1掌握周期信号的傅里叶变换及周期信号与非周期信号傅里叶变换之间的关系3.6取样定理1=1\*GB3①掌握取样定理；=2\*GB3②掌握取样信号的频谱及其求解3.7连续时间系统的频域分析1=1\*GB3①掌握频域系统函数的定义、物理意义、求法与应用；=2\*GB3②理解非周期信号激励下系统的零状态响应与全响应3.8无失真传输2了解信号无失真传输的条件3.9理想低通滤波器掌握理想低通滤波器的定义、传输特性3.10调制与解调了解调制与解调的基本原理与应用3.11从取样信号恢复连续时间信号了解从取样信号恢复连续时间信号第4章连续时间信号与系统的复频域分析4.1拉普拉斯变换2掌握拉普拉斯变换的定义式、收敛域、基本性质及其求解常用信号的拉普拉斯变换重点：=1\*GB3①拉氏变换的定义及其正、逆变换的求解；=2\*GB3②电路元件的s域电路模型及s域电路模型的画法；=3\*GB3③线性系统的s域分析方法；=4\*GB3④系统函数的定义、求解、应用及其零极点图；=5\*GB3⑤系统的模拟与信号流图及其稳定性的判断难点：=1\*GB3①线性系统的s域分析方法；=2\*GB3②线性系统的稳定性分析在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标3、目标4、目标5、目标64.2拉普拉斯变换的性质理解拉普拉斯变换的性质（特别是时移特性、频移特性、时域微分、频域积分、初值定理、终值定理等）及其应用条件4.3拉普拉斯逆变换2掌握部分分式法和留数法求像函数的拉普拉斯逆变换4.4连续时间系统的复频域分析掌握s域中电路KCL、KVL的表示形式及电路元件的伏安关系，能根据时域电路模型画出s域电路模型并求解线性时不变系统的响应（包括全响应、零输入响应、零状态响应、冲激响应和阶跃响应）4.5系统函数2掌握系统函数的定义和物理意义，会用多种方法求系统函数4.6系统函数的零、极点分布对系统时域特性的影响1掌握根据系统函数的零、极点分布情况来分析、判断系统的时域特性4.7系统函数的零、极点分布与系统频率响应特性的关系1掌握根据系统函数的零、极点分布情况来分析、判断系统的频域特性4.8系统的S域模拟图与框图1理解系统模拟的意义，能根据系统的微分方程或系统函数画出级联、并联形式的模拟图4.9信号流图与梅森公式1了解系信号流图的意义，能根据系统的微分方程或系统函数画出信号流图4.10系统的稳定性分析1理解系统稳定性的意义，会判断系统的稳定性4.11双边拉普拉斯变换1了解双边拉普拉斯变换4.12拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系了解拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系第5章离散时间信号与系统的时域分析5.1离散时间信号及时域特性1=1\*GB3①了解离散信号的定义与时域特性；=2\*GB3②掌握在时域中求解离散时间信号的各种变换，包括反折、时移、尺度等；=3\*GB3③掌握在时域中求解信号的各种运算，包括信号的相加、相乘、数乘、差分、累加和、倒相等重点：=1\*GB3①离散时间信号的时域描述与时域特性；=2\*GB3②离散时间系统数学模型的建立；=3\*GB3③离散时间系统的时域分析难点：=1\*GB3①卷积和的运算；=2\*GB3②离散系统响应（零输入响应、零状态响应、全响应、单位脉冲响应）的时域求解方法在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标3、目标4、目标65.2离散时间系统及数学描述2=1\*GB3①理解建立简单离散系统的数学模型—差分方程，会求解；=2\*GB3②理解离散系统状态与初始状态（初始条件）的意义和内涵；=3\*GB3③理解画离散系统的时域模拟图5.3离散时间系统的响应1掌握离散系统的零输入响应、零状态响应、全响应、单位脉冲响应的求解方法5.4卷积和2掌握在时域中求解信号的卷积和运算第6章离散时间信号与系统的Z域分析6.1z变换1理解变换的定义、收敛域及其基本性质重点：=1\*GB3①离散信号z域分析—z变换；=2\*GB3②离散系统z域分析法；=3\*GB3③z域系统函数及其应用；=4\*GB3④离散系统的频率特性难点：=1\*GB3①z变换的定义域；=2\*GB3②系统函数与离散系统因果性、稳定性的关系在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标3、目标4、目标5、目标66.2常用序列的z变换1掌握常用序列的变换6.3z变换的性质2理解变换性质（特别是时移性、域尺度特性、域微分与积分性、卷积定理以及初值、终值定理等）的应用条件6.4逆z变换1.5掌握幂级数展开法、部分分式法及留数法求逆变换6.5z变换拉普拉斯变换的关系0.5理解变换与拉普拉斯变换的关系6.6离散时间系统的z域分析1=1\*GB3①掌握z域系统函数的定义，物理意义及其零、极点的概念，会用多种方法求解；=2\*GB3②了解系统函数的性质、极点分布与单位响应的关系，掌握应用系统函数对系统响应进行分析和求解；=3\*GB3③掌握应用变换法求解离散系统的零输入响应、零状态响应和全响应6.7离散时间系统的频率响应1掌握离散系统频率特性的定义、物理意义、性质和求解方法第7章线性系统的状态变量分析法7.1线性系统的状态变量法2了解状态、状态变量、状态向量、初始状态、状态空间、状态轨迹、状态方程、输出方程、系统方程等概念的定义内涵重点：=1\*GB3①连续系统状态方程与输出方程的列写；=2\*GB3②离散系统状态方程与输出方程的列写难点：=1\*GB3①正确地选择状态变量；=2\*GB3②状态方程与输出方程的列写在线视频学习、小组讨论汇报、讲授、思维导图总结目标1、目标2、目标4、目标67.2连续系统状态方程的建立2掌握已知的（或给定的）系统结构图、微分方程、转移函数、框图、模拟图等，正确地选择状态变量，列写出系统的状态方程和输出方程，并写成标准矩阵形式7.3离散系统状态方程的建立2掌握已知的（或给定的）系统结构图、差分方程、转移函数、框图、模拟图等，正确地选择状态变量，列写出系统的状态方程和输出方程，并写成标准矩阵形式六、教学方法课程教学采用“线上+线下”的混合式教学模式。线上教学以周为单元，提供600分钟的视频，每周在线推送导学案：课前导学案和课中导学案。课前导学案包括：学习目标、学习要求、学习重点、学习难点、任务安排（观看视频的具体内容、解决的基本问题）。课中导学案包括：学习回顾、知识点归纳、自主探究问题、小组协作问题、课后作业等。线下教学以课堂讲授为主，结合小组协作汇报、课堂练习与讨论、考试等共同实施，具体内容包括：=1\*GB2⑴在线学习：按照课前导学案的要求按时完成学习任务，解决基本知识