《數(shù)字信號處理C》教學(xué)大綱

《數(shù)字信號處理C》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：06141531課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：4學(xué)分學(xué)時：64學(xué)時（理論52學(xué)時，實驗12學(xué)時）先修課程：高等數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字電子技術(shù)后續(xù)課程：生物醫(yī)學(xué)信號分析與處理、醫(yī)學(xué)圖像處理適用專業(yè)：醫(yī)學(xué)信息工程開課單位：電子信息工程學(xué)院一、課程說明《數(shù)字信號處理》是醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。本課程主要講授離散時域信號和系統(tǒng)的基本理論和分析方法，數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課程及研究與解決數(shù)字化的實際工程問題奠定理論基礎(chǔ)。本課程目標在于培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字信號處理系統(tǒng)化的概念，使學(xué)生正確理解其基本理論、基本原理和一般方法；為學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)信息類課程奠定基礎(chǔ)。本課程強調(diào)工程理念，重視提高學(xué)生的邏輯思維能力，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)知識分析解決工程問題，促進自主性學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性工作。二、課程目標通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標：課程目標1：使學(xué)生建立數(shù)字信號處理的基本概念，掌握數(shù)字信號處理的基本原理、理論和方法，了解數(shù)字信號處理的新方法和新技術(shù)，熟練應(yīng)用現(xiàn)代工具進行數(shù)字信號處理的仿真、分析和設(shè)計，達到能夠?qū)?fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)進行分析、處理和設(shè)計的能力水平。課程目標2：使學(xué)生能夠通過數(shù)學(xué)方法分析一些基本和實際問題，對實際工程問題進行抽象建模，應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)字信號處理的基本知識分析實際的工程問題并提出相應(yīng)解決方案，提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力。課程目標3：能夠綜合運用所學(xué)數(shù)字信號處理相關(guān)知識，完成信息處理系統(tǒng)的整體設(shè)計，并對設(shè)計進行優(yōu)化，并最終實現(xiàn)工程表達，體現(xiàn)創(chuàng)新意識。課程目標4：能夠使用現(xiàn)代仿真工具進行系統(tǒng)仿真或?qū)嶒灒梢苑治龊徒忉屗脭?shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標5：能夠開發(fā)和利用現(xiàn)代工程工具、信息技術(shù)工具對復(fù)雜數(shù)字信號處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進行輔助設(shè)計、預(yù)測和模擬。三、課程目標與畢業(yè)要求《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)目標對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識1.3掌握醫(yī)學(xué)信息工程所需的專業(yè)知識，并能將其綜合應(yīng)用于解決復(fù)雜醫(yī)學(xué)信息工程問題。課程目標1：使學(xué)生建立數(shù)字信號處理的基本概念，掌握數(shù)字信號處理的基本原理、理論和方法，了解數(shù)字信號處理的新方法和新技術(shù)，熟練應(yīng)用現(xiàn)代工具進行數(shù)字信號處理的仿真、分析和設(shè)計，達到能夠?qū)?fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)進行分析、處理和設(shè)計的能力水平。H2.問題分析2.1能夠應(yīng)用工程科學(xué)的基本原理，識別和判斷復(fù)雜醫(yī)學(xué)信息工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)。課程目標2：使學(xué)生能夠通過數(shù)學(xué)方法分析一些基本和實際問題，對實際工程問題進行抽象建模，應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)字信號處理的基本知識分析實際的工程問題并提出相應(yīng)解決方案，提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力。H3.設(shè)計/開發(fā)解決方案3.2能夠根據(jù)要求對復(fù)雜醫(yī)學(xué)信息工程問題給出解決方案，設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)特定功能的設(shè)備、儀器和單元（部件）。課程目標3：能夠綜合運用所學(xué)數(shù)字信號處理相關(guān)知識，完成信息處理系統(tǒng)的整體設(shè)計，并對設(shè)計進行優(yōu)化，并最終實現(xiàn)工程表達，體現(xiàn)創(chuàng)新意識。M4.研究4.2能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對器件、電路、功能模塊、軟件系統(tǒng)制定實驗方案并實施。課程目標4：能夠使用現(xiàn)代仿真工具進行系統(tǒng)仿真或?qū)嶒?，可以分析和解釋所得?shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標5：能夠開發(fā)和利用現(xiàn)代工程工具、信息技術(shù)工具對復(fù)雜數(shù)字信號處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進行輔助設(shè)計、預(yù)測和模擬。M注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.時域離散信號與系統(tǒng)1.1離散時間信號與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識1.2連續(xù)時間信號的采樣1.3離散時間系統(tǒng)的時域分析方法1.4系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性教學(xué)要求：使學(xué)生掌握離散時間信號與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識；掌握連續(xù)時間信號的采樣、離散時間系統(tǒng)的時域分析方法以及系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性。重點：連續(xù)時間信號的采樣與離散時間系統(tǒng)的時域分析。難點：離散時間信號和系統(tǒng)分析。821、2、32.時域離散信號與系統(tǒng)的頻域分析2.1傅里葉變換及定義2.2Z變換及其性質(zhì)2.3序列的Z變換及收斂域的特點2.4拉氏變換、傅里葉變換域Z變換的關(guān)系教學(xué)要求：使學(xué)生了解傅里葉變換及Z變換及其性質(zhì)；掌握序列的Z變換及收斂域的特點；掌握拉氏變換、傅里葉變換域Z變換的關(guān)系。重點：序列Z變換及收斂域的特點。難點：拉氏變換、傅里葉變換域Z變換的關(guān)系。1021、2、33.離散傅里葉變換3.1周期序列離散傅里葉級數(shù)的定義及性質(zhì)3.2離散傅里葉變換的概念和性質(zhì)教學(xué)要求：使學(xué)生掌握周期序列離散傅里葉級數(shù)的定義及性質(zhì)以及離散傅里葉變換的概念和性質(zhì)；理解離散傅里葉變換的物理意義。重點：離散傅里葉變換概念和性質(zhì)。難點：離散傅里葉變換共軛對稱性。601、2、4、54.快速傅里葉變換4.1概述4.2時域抽取基2FFT基本原理4.3頻域抽取基2FFT基本原理教學(xué)要求：使學(xué)生掌握按時間抽選的基2-FFT和按頻率抽選的基2-FFT的基本思想和方法。重點：按時間抽選的基2-FFT和按頻率抽選的基2-FFT的算法原理。難點：蝶形圖的理解601、2、4、55.數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)5.1IIR數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.2FIR數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)教學(xué)要求：使學(xué)生掌握IIR數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；掌握FIR數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。重點：IIR數(shù)字濾波器的級聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)；FIR數(shù)字濾波器的級聯(lián)和頻率抽樣型。難點：數(shù)字信號處理中的實現(xiàn)。802、3、4、56.IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法6.1模擬低通濾波器的設(shè)計方法6.2脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計數(shù)字濾波器的基本思想和方法6.3雙線性不變法設(shè)計數(shù)字濾波器的基本原理及特點教學(xué)要求：使學(xué)生理解脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計數(shù)字濾波器的基本思想和方法；理解雙線性不變法設(shè)計數(shù)字濾波器的基本原理及特點。重點：脈沖響應(yīng)不變法；雙線性變換法。難點：模擬低通濾波器的設(shè)計方法。842、3、4、57.FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法7.1線性相位FIR數(shù)字濾波器保持線性相位的條件及頻率響應(yīng)的特點7.2窗函數(shù)法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的方法以及窗函數(shù)對設(shè)計結(jié)果的影響7.3FIR濾波器和IIR濾波器的特點教學(xué)要求：使學(xué)生掌握線性相位FIR數(shù)字濾波器保持線性相位的條件及頻率響應(yīng)的特點；掌握窗函數(shù)法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的方法以及窗函數(shù)對設(shè)計結(jié)果的影響；理解FIR濾波器和IIR濾波器的特點，并進行比較。重點：線性相位FIR數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)的特點。難點：窗函數(shù)設(shè)計FIR數(shù)字濾波器。642、3、4、5合計52122.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.離散時間信號的表示及運算實驗內(nèi)容：了解離散時間信號的特點；掌握利用MATLAB產(chǎn)生離散時間信號，并實現(xiàn)信號可視化的方法。實驗要求：能夠熟練利用MATLAB對離散時間信號進行基本運算。21、2、32.離散時間LTI系統(tǒng)的響應(yīng)實驗內(nèi)容：了解離散LTI系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)MATLAB實現(xiàn)方法；掌握離散LTI系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的MATLAB實現(xiàn)方法。實驗要求：掌握如何判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。21、2、33.IIR數(shù)字濾波器的MATLAB實現(xiàn)實驗內(nèi)容：了解IIR數(shù)學(xué)濾波器的基本結(jié)構(gòu)和函數(shù)語言的實現(xiàn)格式；掌握雙線性變換法及脈沖相應(yīng)不變法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的具體設(shè)計方法。實驗要求：學(xué)會利用設(shè)計的IIR濾波器進行信號的濾波處理。41、2、3、4、54.FIR數(shù)字濾波器的MATLAB實現(xiàn)實驗內(nèi)容：了解窗函數(shù)的MATLAB實現(xiàn)函數(shù)；加深對數(shù)字濾波器的常用指標理解；掌握FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計原理與設(shè)計方法。實驗要求：學(xué)會利用設(shè)計的FIR濾波器進行信號的濾波處理。41、2、3、4、5合計12五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。學(xué)生比較全面地理解數(shù)字信號處理的基本原理、理論和方法，了解數(shù)字信號處理的新方法和新技術(shù)，熟練應(yīng)用現(xiàn)代工具進行數(shù)字信號處理的仿真、分析和設(shè)計，達到能夠?qū)?shù)字信號和系統(tǒng)進行分析、處理和設(shè)計的能力水平。能夠?qū)I(yè)知識用于解決醫(yī)學(xué)信息工程領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題，進行系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。六、課程資源1.推薦教材：高西全丁玉美.數(shù)字信號處理（第五版）[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2022年.2.參考書：（1）程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2018年.（2）奧本海姆.離散時間信號處理[M].北京:科學(xué)出版社,2015年.（3）陳后金.數(shù)字信號處理（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）陳福彬,金鑫,劉迪等.一種集成式石英諧振加速度計信號處理與融合方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2021,29(06):803-808.（4）汪健,張磊,曾鑫等.紅外探測器集成圖像信號處理芯片設(shè)計[J].紅外技術(shù),2021,43(11):1044-1048.（5）張旸,吳瓊,滕云田等.激光干涉絕對重力儀數(shù)據(jù)采集與處理的時間優(yōu)化方法[J].儀器儀表學(xué)報,2021,41(08):130-136.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）數(shù)字信號處理，/course/NJUPT-1002144009.（2）數(shù)字信號處理，/course/BUAA-1001807014.七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標12345過程性考核課堂表現(xiàn)16（1）根據(jù)課堂出勤情況、課堂回答問題情況、隨堂練習(xí)等進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭?444實驗成績16（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭獭?4333章節(jié)測試或課后作業(yè)8（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度等，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭獭?222期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核離散時域信號和系統(tǒng)的基本理論和分析方法，數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法等內(nèi)容。（3）考試題型為：選擇題、填空題、判斷題、簡答題和分析計算題等?！獭獭獭獭?015151010合計：100分1925241913八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、期末考試等方式對學(xué)生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型為選擇題、填空題、判斷題、簡答題和分析計算題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能等的試題分值不超過50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)40筆記完整，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。筆記完整，認真參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于80%。筆記不完整，偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于70%。上課不認真，上課不記筆記，偶爾參與教學(xué)活動。上課不認真，上課不記筆記，不參與教學(xué)活動。章節(jié)測試或課后作業(yè)20作業(yè)完整，思路清晰，準確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)2次以內(nèi)，準確率大于7