山大數(shù)字信號處理教學(xué)大綱

1、數(shù)字信號處理教學(xué)大綱課程名稱：數(shù)字信號處理 課程類別：專業(yè)基礎(chǔ)課 適用專業(yè)：電子信息工程、通信信息工程專業(yè) 授課學(xué)時：72 學(xué) 分：3 一、課程簡介 數(shù)字信號處理是用數(shù)字或符號的序列來表示信號，通過數(shù)字計算機(jī)去處理這些序列，提取其中的有用信息。例如，對信號的濾波，增強(qiáng)信號的有用分量，削弱無用分量；或是估計信號的某些特征參數(shù)等?？傊?，凡是用數(shù)字方式對信號進(jìn)行濾波、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計和識別等都是數(shù)字信號處理的研究對象。 數(shù)字信號處理課程是電子信息工程、通信工程等學(xué)科專業(yè)本科生必選的技術(shù)基礎(chǔ)課程。本課程介紹了數(shù)字信號處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)。主要討論離散時間信號和系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、離

2、散傅立葉變換DFT理論及其快速算法FFT、IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計以及有限字長效應(yīng)。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握利用DFT理論進(jìn)行信號譜分析，以及數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和實(shí)現(xiàn)方法，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)信息、通信等方面的課程打下良好的理論基礎(chǔ)。 數(shù)字信號處理是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，又是一門多領(lǐng)域交叉的學(xué)科。數(shù)字信號處理課程最早開設(shè)于 1986 年，一直是信息工程專業(yè)本科生必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程開設(shè)之初，基本上只討論算法的理論及其推導(dǎo)，受條件的限制，較少涉及實(shí)現(xiàn)方法，更談不上相關(guān)的軟硬件技術(shù)，盡管如此，我們的數(shù)字信號處理課程自開設(shè)以來，在理論和實(shí)驗教學(xué)方面的教學(xué)改革探索從未間斷。由于該課程的重要

3、地位，師資配備、教學(xué)條件的建設(shè)都得到了重點(diǎn)支持。經(jīng)過多年的教學(xué)經(jīng)歷，該課程已形成一支年齡和知識結(jié)構(gòu)合理、教學(xué)經(jīng)驗豐富、責(zé)任心強(qiáng)的教師隊伍。教師隊伍堅持跟蹤國內(nèi)外高校中數(shù)字信號處理系列課程的教學(xué)發(fā)展動態(tài)，不斷進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革。在課程組教師的共同努力下，本課程的教學(xué)資源豐富，教學(xué)質(zhì)量優(yōu)良。從漢語教學(xué)發(fā)展到雙語教學(xué)，本教學(xué)團(tuán)隊密切結(jié)合國內(nèi)外最新的科技進(jìn)展。 教材是課程建設(shè)的重要工作，教學(xué)過程中曾經(jīng)使用過課程教材有國外奧本海姆中譯教材 ( 西電出版社 ) 、數(shù)字信號處理算法及實(shí)現(xiàn) ( 清華大學(xué)出版社 ) 、數(shù)字信號處理 ( 山東大學(xué)出版社 ) 、數(shù)字信號處理（西安電子科技大學(xué)出版社出版）等

4、。近年來我院數(shù)字信號處理課程與時俱進(jìn)，采用雙語教學(xué)，使用的教材是：1.Vinay K. Ingle, John G. Proakis. Digital Signal Processing Using MATLAB ， 2003 。2.Sanjit K.Mitra. Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach （ 3rd Edition ） , Publishing House of Electronics Industry, 2006 。采用中文教學(xué)教材：3.數(shù)字信號處理教程（第三版）清華大學(xué)出版社 2007 近年來，本課程的教學(xué)改

5、革不斷深化，在教學(xué)理念上淡化理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的界限，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來。建立起了形式上理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)獨(dú)立設(shè)課，各有側(cè)重，內(nèi)容上互相交叉和融合，分層次按需靈活設(shè)置的完整的理論和實(shí)踐教學(xué)體系；大力推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的更新。在實(shí)踐教學(xué)中，從最初不能開設(shè)實(shí)驗課，逐步創(chuàng)造條件開設(shè)軟件實(shí)驗，到利用校企合作，建立高水平的教學(xué)實(shí)驗室，形成了比較完整的、充分反映現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展水平的實(shí)驗平臺。多年來，教研組教師始終注意把握信號處理及其相關(guān)學(xué)科的最新發(fā)展，教學(xué)體系和內(nèi)容不斷完善，日臻成熟，尤其是近年來逐步采用雙語教學(xué)和多媒體輔助教學(xué)，使得本課程的教學(xué)內(nèi)容始終密切結(jié)合國內(nèi)外最新的科技進(jìn)展，把科技

6、英語、MATLAB語言和數(shù)字信號處理相結(jié)合融合教學(xué)，把理論分析與計算機(jī)仿真實(shí)驗相結(jié)合，已形成具有自身特色的教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果。二、課程基本目標(biāo)和基本要求 本課程是在學(xué)生學(xué)完了信號與系統(tǒng)的課程后，進(jìn)一步為學(xué)習(xí)專業(yè)知識打基礎(chǔ)的課程。本課程將通過講課、練習(xí)、實(shí)驗使學(xué)生掌握數(shù)字信號處理的基本理論和方法。課程內(nèi)容包括：離散時間信號與系統(tǒng)；z變換；離散傅立葉變換及其快速算法；數(shù)字濾波器設(shè)計；有限字長響應(yīng)等。 1.緒論（講課2學(xué)時）介紹數(shù)字信號處理的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比存在哪些特點(diǎn)。數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展概況和發(fā)展趨勢。 基本要求 理解數(shù)字信號處理在各領(lǐng)域的重要性； 了解數(shù)字信號處理

7、系統(tǒng)的基本組成、它的學(xué)科概貌、特點(diǎn)、應(yīng)用以及發(fā)展方向； 2.離散時間信號與系統(tǒng)（講課8學(xué)時）復(fù)習(xí)信號與系統(tǒng)的知識，并通過習(xí)題訓(xùn)練加強(qiáng)離散信號與系統(tǒng)的基本概念。 基本要求 掌握離散信號與系統(tǒng)的基本概念和分析方法； 掌握離散信號頻域分析的基本概念； 掌握連續(xù)信號抽樣中的理想模型及頻譜變化規(guī)律 3. Z變換（講課6學(xué)時） 基本要求 了解z變換及其性質(zhì)； 掌握系統(tǒng)函數(shù)的求解； 將離散信號的傅氏變換及Z變換能有機(jī)地聯(lián)系起 4.離散傅立葉變換（講課12學(xué)時，實(shí)驗2學(xué)時）離散傅里葉變換物理意義及特性。 基本要求 掌握DFT的基本性質(zhì)； 掌握利用循環(huán)卷積計算線性卷積的方法； 掌握用DFT分析確定信號頻譜的方法

8、； 理解DFT應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題原因及解決問題的方法。 5.快速傅立葉變換（講課6學(xué)時，實(shí)驗2學(xué)時） 基本要求 掌握基2 FFT算法的基本思想和算法推導(dǎo)； 了解其它基的FFT算法； 掌握FFT在分段卷積的應(yīng)用。 6. 數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)（講課4學(xué)時） 基本要求 掌握IIR 及FIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)； 了解同一傳遞函數(shù)可用不同的運(yùn)算結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以及這些結(jié)構(gòu)在性能上的特點(diǎn)。 7.IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法（講課10學(xué)時，實(shí)驗4學(xué)時） 基本要求 掌握利用模擬低通濾波器設(shè)計數(shù)字濾波器的基本原理； 掌握頻率變換法設(shè)計高通、帶通、帶阻濾波器的方法； 理解沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法的基本原理； 掌握

9、IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計基本方法。 8.FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法（講課10學(xué)時，實(shí)驗4學(xué)時） 基本要求 掌握線性相位FIR系統(tǒng)的時域及頻域特性； 掌握FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計的窗口法和頻率取樣法； 了解FIR 數(shù)字濾波器優(yōu)化設(shè)計的基本概念。 數(shù)字信號處理中的有限字長效應(yīng)（講課4學(xué)時） 三、理論課和理論（含實(shí)踐）課教學(xué)內(nèi)容 （一）課堂教學(xué) 共 48 學(xué)時 1. 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的一般概念 2 學(xué)時1 ）定義連續(xù)信號、模擬信號、離散信號與數(shù)字信號。 2 ）了解什么是數(shù)字信號處理以及其優(yōu)缺點(diǎn)。 3 ）了解數(shù)字信號處理的發(fā)展過程。 （可選內(nèi)容） 4 ）典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)介紹。 5) 簡要介紹數(shù)字信

10、號處理器的發(fā)展與應(yīng)用。 6) 現(xiàn)代數(shù)字信號處理及其它相關(guān)課程。2. 離散信號與系統(tǒng) 12 學(xué)時 1) 采樣及離散信號的產(chǎn)生。 2) 采樣定理，離散信號的頻譜與連續(xù)信號的頻譜的異同。 3 ）典型離散時間信號的定義和分類。 4 ）離散時間信號的基本運(yùn)算。 5 ）離散時間信號的傅氏變換（ DTFT ）與 z 變換。 6 ）線性時不變系統(tǒng)的差分方程描述、差分方程運(yùn)算與線性卷積。 7 ）離散系統(tǒng)函數(shù)與系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性。 8 ）離散系統(tǒng)頻率特性。 9 ）系統(tǒng)的零極點(diǎn)分析。 （可選內(nèi)容） 10 ）抗混疊濾波器的作用及其指標(biāo)分配。 3. 離散傅里葉變換及其快速算法 12 學(xué)時 1) 離散傅里葉級數(shù) (DF

11、S) 與離散傅里葉變換 (DFT) 。 2) 離散傅里葉變換 (DFT) 及其性質(zhì)。 3 ） DFT 、 DTFT 以及 Z 變換間的關(guān)系。 4 ）按時間抽取基二 FFT ，按頻率抽取基二 FFT 。 5 ）利用 DFT 計算連續(xù)信號的頻譜，混疊、泄漏以及柵欄效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理與解決方法。 6 ）分段卷積，重疊相加法與重疊保留法。 （可選內(nèi)容） 7 ） N 為組合數(shù)的 FFT 8) Chirp-z 變換 9 ）利用 FFT 計算相關(guān)函數(shù)。 10) 二維 DFT 的計算。 4. IIR 濾波器設(shè)計 8 學(xué)時1) 濾波器的特性參數(shù)。 2) 脈沖響應(yīng)不變法。 3 ）雙線性變換法，畸變與預(yù)畸變。 4 ）常

12、用模擬低通濾波器特性。 5 ）從模擬濾波器低通原型到各種數(shù)字濾波器的頻率變換。 6 ）從低通數(shù)字濾波器到各種數(shù)字濾波器的頻率變換。 （可選內(nèi)容） 7 ） IIR 濾波器的優(yōu)化設(shè)計。5. FIR 濾波器設(shè)計 8 學(xué)時 1) 相位響應(yīng)及線性相位的重要意義。 2 ）線性相位 FIR 濾波器的特點(diǎn)，線性相位的條件，線性相位 FIR 濾波器的幅度特性。 3) 窗口設(shè)計法，窗口效應(yīng)，各種典型窗口的特性及其參數(shù)。 4 ）頻率采樣設(shè)計法。 5 ） IIR 與 FIR 數(shù)字濾波器的比較 （可選內(nèi)容） 6 ） FIR 濾波器的優(yōu)化設(shè)計，最優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)則，雷米茲 (Remez) 交替算法。 6. 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的

13、實(shí)現(xiàn) 3 學(xué)時 1) 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的信號流圖表示。 2) IIR 濾波器的結(jié)構(gòu)。 3) FIR 濾波器結(jié)構(gòu)。 （可選內(nèi)容） 4 ）定點(diǎn)制的量化誤差。 5 ） A/D 變換的量化效應(yīng)。 6 ）量化噪聲通過線性系統(tǒng)。 7 ）數(shù)字濾波器的有限字長效應(yīng)。 8 ）系數(shù)量化對數(shù)字濾波器的影響。 9 ）零輸入極限環(huán)振蕩和大信號極限環(huán)振蕩。 10 ）數(shù)字濾波器的格形結(jié)構(gòu)。 11) FFT 的有限字長效應(yīng)。 11 ） DSP 的特點(diǎn)， DSP 的結(jié)構(gòu)原理， DSP 的軟件開發(fā)。7. 多采樣率信號處理 3 學(xué)時 1) 采樣率降低整數(shù) M 倍抽取。 2) 采樣率提高整數(shù) L 倍內(nèi)插。 （可選內(nèi)容） 4 ）抽取器與內(nèi)插器 FIR 的結(jié)構(gòu)以及多相濾波器。 5 ）數(shù)字濾波器組的一般概念和定義，正交鏡像濾波器組 (QMF) ， 樹狀結(jié)構(gòu)濾波器組。 6) 離散小波變換 . 7 ）過采樣技術(shù)在 A/D 與 D/