《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)大綱

《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)大綱課程代碼：ABJD0612課程中文名稱：數(shù)字信號(hào)處理課程英文名稱：DigitalSignalProcess課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)必修課課程學(xué)分?jǐn)?shù)：3.5學(xué)分課程學(xué)時(shí)數(shù)：64學(xué)時(shí)（56理論課時(shí)+8實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）授課對(duì)象：電子信息工程專業(yè)本課程的前導(dǎo)課程：信號(hào)與系統(tǒng)一、課程簡(jiǎn)介數(shù)字信號(hào)處理課程（DSP）是電子信息科學(xué)的重要的組成部分，主要研究如何分析和處理離散時(shí)間信號(hào)的基本理論和方法。它是電子信息工程、通信工程等電類專業(yè)本科生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程。不僅如此，數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)據(jù)通信、生物醫(yī)學(xué)工程、聲學(xué)、聲納、雷電、地震學(xué)、語音圖像處理、核物理學(xué)、天文氣象等領(lǐng)域也占據(jù)著重要地位。 二、教學(xué)基本內(nèi)容和要求（一）時(shí)域離散信號(hào)和時(shí)域離散系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容：時(shí)域離散信號(hào)和時(shí)域離散系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)；時(shí)域離散系統(tǒng)的輸入輸出描述法；模擬信號(hào)數(shù)字處理方法。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：模擬信號(hào)、時(shí)域離散信號(hào)和數(shù)字信號(hào)三者的差別，時(shí)域離散信號(hào)的常用典型序列；周期性序列周期的確定；時(shí)域離散系統(tǒng)的線性、時(shí)不變性質(zhì)及系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性；線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出和輸入之間的關(guān)系；難點(diǎn)：用串、并聯(lián)分系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)表示該系統(tǒng)總的單位脈沖響應(yīng)；已知系統(tǒng)輸入、線性常系統(tǒng)差分方程和初始條件，用遞推法求解系統(tǒng)的輸出；由差分方程求解系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)；模擬信號(hào)數(shù)字處理的原理框圖及各部分的作用。教學(xué)要求：1）掌握時(shí)域離散信號(hào)的分析方法，2）掌握時(shí)域離散系統(tǒng)的特性；3）理解時(shí)域離散系統(tǒng)的輸入輸出描述，并且可以利用常系數(shù)差分方程進(jìn)行求解；4）掌握時(shí)域采樣定理，理解數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程，為數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。（二）時(shí)域離散信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析教學(xué)內(nèi)容：序列傅里葉變換的定義和性質(zhì)；周期序列的離散傅里葉變換的定義；時(shí)域離散信號(hào)的傅里葉變換和模擬信號(hào)傅里葉變換之間的關(guān)系；序列的Z變換；利用Z變換分析信號(hào)與系統(tǒng)的頻域特性。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：傅里葉變換的正反變換定義、基本性質(zhì)和定理；周期序列的兩種頻域分析方法，即離散傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換；序列：1，的傅里葉變換（是有理數(shù)）；模擬信號(hào)數(shù)字處理原理框圖中的數(shù)字信號(hào)處理部分的數(shù)字頻率和原模擬信號(hào)的模擬頻率的關(guān)系；時(shí)域離散信號(hào)的付立葉變換與模擬信號(hào)付立葉變換之間的關(guān)系；序列Z變換定義，Z變換的收斂域特點(diǎn)，各種序列（有限長(zhǎng)序列、右序列、左序列和雙邊序列）Z變換收斂域的特點(diǎn)；難點(diǎn)：逆Z變換的定義，用留數(shù)法求逆Z變換；Z變換的基本性質(zhì)和基本定理；用Z變換解系統(tǒng)差分方程的穩(wěn)態(tài)解；因果性系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)的收斂域特點(diǎn)，穩(wěn)定性系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)收斂域特點(diǎn)，因果穩(wěn)定性系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)的收斂域的特點(diǎn)；利用系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布分析系統(tǒng)的頻率特性。教學(xué)要求：1）掌握序列傅里葉變換的定義和性質(zhì)；2）理解周期序列的離散傅里葉級(jí)數(shù)與傅里葉變換的關(guān)系；3）理解時(shí)域離散信號(hào)的傅里葉變換和模擬信號(hào)傅里葉變換之間的關(guān)系；4）掌握序列Z變換的定義和性質(zhì)；能夠利用Z變換對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的頻域特性進(jìn)行分析。（三）離散傅里葉變換教學(xué)內(nèi)容：離散傅里葉變換的定義和性質(zhì)；頻率域采樣定理；離散傅里葉變換的應(yīng)用。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：難點(diǎn)：離散傅里葉變換的正反變換的定義、物理意義；離散傅里葉變換、序列傅里葉變換、Z變換以及離散傅里葉級(jí)數(shù)之間的關(guān)系；離散傅立葉變換的基本性質(zhì)；重點(diǎn)：應(yīng)用離散傅里葉變換計(jì)算線性卷積，對(duì)時(shí)域連續(xù)信號(hào)、時(shí)域離散信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，*Chirp-Z變換。教學(xué)要求：1）掌握離散傅里葉變換的定義和性質(zhì)；2）理解離散傅里葉變換與周期序列的離散傅里葉級(jí)數(shù)之間的關(guān)系；3）理解頻率域采樣定理；了解離散傅里葉變換的各類應(yīng)用。（四）快速傅里葉變換教學(xué)內(nèi)容：FFT原理；基2FFT實(shí)現(xiàn)方法；進(jìn)一步減小運(yùn)算量的措施。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：基2FTT的算法原理；難點(diǎn)：DIT-FFT算法和DIF-FFT算法的差異。教學(xué)要求：1）了解FFT產(chǎn)生的背景；2）掌握時(shí)域抽取法基2FFT基本原理，理解FFT與直接計(jì)算DFT運(yùn)算的差別，了解DIT-FFT的運(yùn)算規(guī)律及編程思路，掌握頻域抽取法FFT的基本原理，理解IDFT的高效算法；3）理解進(jìn)一步減小運(yùn)算量的措施；4）了解分裂基FFT算法。（五）時(shí)域離散系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容：利用信號(hào)流圖表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；無限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；狀態(tài)變量分析法。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：由信號(hào)流圖求系統(tǒng)函數(shù)；由系統(tǒng)函數(shù)或者差分方程畫IIR基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（直接型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型），這三種基本形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn);難點(diǎn)：由系統(tǒng)函數(shù)或者差分方程畫FIR直接型基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);頻率采樣結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。教學(xué)要求：1）掌握利用信號(hào)流圖表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；2）掌握無限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；3）掌握有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；4）理解狀態(tài)變量分析法。（六）無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容：數(shù)字濾波器的基本概念；模擬濾波器的設(shè)計(jì)；用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器；用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器；數(shù)字高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)；*IIR數(shù)字濾波器的直接設(shè)計(jì)法。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)方法與步驟；切比雪夫低通濾波器的設(shè)計(jì)方法與步驟；模擬高通、帶通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)方法和步驟；一般IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟，將模擬低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)的兩種方法（脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法），這兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)；難點(diǎn)：用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)步驟；用雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)步驟；數(shù)字高通、帶通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)方法和步驟。教學(xué)要求：1）掌握數(shù)字濾波器的基本概念；2）理解模擬濾波器的設(shè)計(jì)；3）掌握用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器；4）掌握用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器；5）理解數(shù)字高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)；*了解IIR數(shù)字濾波器的直接設(shè)計(jì)法。（七）無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容：線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點(diǎn)：利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器；利用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器；IIR和FIR數(shù)字濾波器的比較。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：線性相位濾波器的特點(diǎn)，線性相位結(jié)構(gòu)；難點(diǎn)：用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的方法和步驟，幾種典型窗函數(shù)（矩形窗、三角形窗、漢寧窗、海明窗和布萊克曼窗）的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中窗函數(shù)的選取。教學(xué)要求：1）掌握線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點(diǎn)；2）掌握用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器；3）理解IIR和FIR數(shù)字濾波器的性能差異。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及基本要求本課程實(shí)驗(yàn)共三個(gè)，總共8個(gè)學(xué)時(shí)，通過課程實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生進(jìn)一步鞏固和理解所學(xué)的理論知識(shí)，學(xué)生能使用MATLAB解決數(shù)字信號(hào)處理中的問題，具體實(shí)驗(yàn)安排如下：實(shí)驗(yàn)一1.實(shí)驗(yàn)名稱：離散信號(hào)的傅里葉變換2.實(shí)驗(yàn)要求:進(jìn)一步熟悉matlab軟件的使用，熟悉matlab的編程語言;用matlab語言編寫程序進(jìn)行離散信號(hào)的傅里葉分析3.實(shí)驗(yàn)儀器：高性能學(xué)生計(jì)算機(jī)，MATLAB7.0軟件4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）試求序列，其中n=0，1，……，N-1，N=12的DTFT。并畫出其幅頻特性曲線和相頻特性曲線。（2）若N=24,36,120,其幅頻特性曲線和相頻特性曲線如何變化？5.重點(diǎn)與難點(diǎn)：matlab軟件的使用matlab的編程語言6.實(shí)驗(yàn)課時(shí)：2學(xué)時(shí)7.應(yīng)達(dá)到的要求：使用MATLAB計(jì)算幅頻特性和相頻特性實(shí)驗(yàn)二1.實(shí)驗(yàn)名稱：離散信號(hào)的傅里葉變換2.實(shí)驗(yàn)要求：通過實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)FFT的理解，熟悉FFT子程序；熟悉應(yīng)用FFT對(duì)典型信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法3.實(shí)驗(yàn)儀器：高性能學(xué)生計(jì)算機(jī)，MATLAB7.0軟件4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）在MATLAB中，可以用函數(shù)FFT來實(shí)現(xiàn)。格式：y=FFT(x)y=FFT(x,n)（2）對(duì)模擬信號(hào)，進(jìn)行采樣。求（1）N=40點(diǎn)FFT的幅度頻譜（2）提高采樣點(diǎn)數(shù)，如N=128,再求該信號(hào)的幅度頻譜5.實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)與難點(diǎn)：matlab軟件的使用matlab的編程語言6.實(shí)驗(yàn)課時(shí)：2學(xué)時(shí)7.應(yīng)達(dá)到的要求：使用MATLAB計(jì)算FFT實(shí)驗(yàn)三1.實(shí)驗(yàn)名稱：FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)2.實(shí)驗(yàn)要求：掌握用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理和方法，熟悉相應(yīng)的計(jì)算機(jī)編程；了解用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理和實(shí)現(xiàn)；熟悉線性相位FIR濾波器的幅頻特性和相頻特性；了解不同窗函數(shù)對(duì)濾波器性能的影響。3.實(shí)驗(yàn)儀器：高性能學(xué)生計(jì)算機(jī)，MATLAB7.0軟件4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）窗函數(shù)法設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器（2）用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)線性相位FIR低通濾波器5.實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)與難點(diǎn)：matlab軟件的使用matlab的編程語言6.實(shí)驗(yàn)課時(shí)：4學(xué)時(shí)7.應(yīng)達(dá)到的要求：使用MATLAB計(jì)算FFT四、教學(xué)方法與手段板書+ppt+上機(jī)實(shí)踐五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配章節(jié)（或內(nèi)容）課時(shí)作業(yè)量備注時(shí)域離散信號(hào)和時(shí)域離散系統(tǒng)60時(shí)域離散信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析82離散傅里葉變換80快速傅里葉變換62時(shí)域離散系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)62無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)62無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)62合計(jì)4610六、考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)1、考核方法課堂表現(xiàn)占20%，期末成績(jī)占80%。2、成績(jī)?cè)u(píng)定按照百分制給出學(xué)生的綜合成績(jī)。七、教學(xué)參考資源1、參考數(shù)目：[1]