数字信号处理实践教学大纲.doc

河北省高等教育自学考试课程考试大纲课程名称: 数字信号处理实践 课程代码: 02356第一部分 课程性质与学习目的一、课程性质与特点数字信号处理是高等教育自学考试电子信息工程专业所开设的专业基础课之一，它是一门理论性和实践性要求都较强的课程，主要研究如何分析和处理离散时间信号的基本理论和方法。数字信号处理实践是数字信号处理课程的有效补充，不仅可以帮助学生深入理解和消化基本理论，而且对于今后专业课程的学习以及个人实际动手能力的提高都是十分重要的。二、课程设置的目的和要求MATLAB是一种强大的分析、计算及可视化工具，被广泛应用于科学计算、系统控制和信息处理等领域。在DSP系统开发中，MATLAB丰富的信号处理工具箱是一种非常有效的辅助设计工具。学习MATLAB在信号处理方面的知识是非常必要的。通过实验，加强学生对信号的获得、采样、时域分析与频域分析、滤波器设计等知识的理解，使学生了解简单但是完整的数字信号处理的工程实现方法和流程，从而对数字信号处理理论有更深入的认识；加强学生独立分析问题和解决问题的能力，使学生获得综合设计和创新能力的培养，以及实事求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯，为今后工作打下良好的基础。三、与本专业其它课程的关系用MATLAB开设数字信号处理实验课程时，学生需具备电路、信号与系统、数字信号处理及MATLAB语言方面的知识，同时为后续DSP应用、语音信号处理、现代通信系统等专业基础实践课程打下基础。第二部分 课程内容与考核要求实验1 离散时间信号与系统的时域分析一、学习的目的和要求了解常用的时域离散信号及其特点；掌握MATLAB产生常用时域离散信号的方法；加深对常用离散信号及其基本运算的理解；加深对离散线性时不变系统基本理论的理解；掌握求解离散时间系统单位脉冲响应程序的编写方法，了解常用子函数；通过实验进一步理解卷积定理，掌握应用线性卷积求解离散时间系统响应的基本方法。二、考核知识点与考核要求本实验的主要知识点是利用MATLAB产生数字信号处理的几种常用典型序列、数字序列的基本运算；理解卷积运算、系统的单位脉冲响应、稳定性的概念；重点是单位脉冲、单位阶跃、正（余）弦信号的产生；卷积、系统单位脉冲响应的计算；难点是MATLAB关系运算符“=、=”的使用相关MATLAB子函数的使用。三、考核内容1. 利用逻辑关系式来实现序列，显示范围，如右图所示。并利用该函数实现序列：；。2. 用函数sin或cos产生正余弦序列，如：3. 利用内部函数conv来计算两个有限长序列的卷积。如： 试求其卷积结果。实验2 离散时间信号与系统的频域分析一、学习的目的和要求了解离散系统的零极点与系统因果性和稳定性的关系；加深对离散系统的频率响应特性基本概念的理解；熟悉MATLAB中进行离散系统零极点分析的常用子函数；掌握离散系统幅频响应和相频响应的求解方法。加深对有限长序列傅里叶变换性质的研究方法；掌握用MATLAB语言进行离散傅里叶变换和逆变换的方法。二、考核知识点与考核要求本章节的主要知识点是频率响应的概念、系统零极点对系统特性的影响、用FFT对信号进行频谱分析；重点是频率响应的求解方法及FFT使用方法；难点是MATLAB相关子函数的使用。三、考核内容1. 利用FFT对序列进行谱分析，如，选择FFT的变换区间为8和16两种情况进行频谱分析。2. 已知离散时间系统的系统函数， 求该系统的零极点及零极点分布图，并判断系统的因果性、稳定性。3. 已知离散时间系统的系统函数如下，试分析系统的频率响应并画出图形。（幅频、相频）实验3 IIR 数字滤波器的设计一、学习的目的和要求加深对脉冲响应不变法、双线性变换法设计IIR DF基本方法的理解；学习使用模拟滤波器原型设计IIR DF的方法；掌握相关MATLAB子函数的使用。二、考核知识点与考核要求本章节的主要知识点是使用脉冲响应不变法、双线性变换法设计IIR DF；重点是掌握利用脉冲响应不变法、双线性变换法设计数字低通、高通、带通、带阻滤波器的方法；难点是MATLAB相关子函数的使用。三、考核内容1. 给出滤波器的设计要求，利用脉冲响应不变法完成该数字滤波器的设计。如：利用脉冲响应不变法，用巴特沃斯滤波器原型设计一个低通滤波器，满足：，采样频率为10000Hz。2. 给出滤波器的设计要求，利用双线性变换法完成该数字滤波器的设计。如：设计巴特沃斯高通数字滤波器，满足：通带边界频率为400Hz，阻带边界频率为200Hz，通带衰减小于3dB，阻带衰减大于15dB，采样频率为1000Hz。实验4 FIR 数字滤波器的设计一、学习的目的和要求加深对窗函数法、频率采样法设计FIR DF基本方法的理解；学习使用MATLAB语言设计FIR DF的方法；掌握相关MATLAB子函数的使用。二、考核知识点与考核要求本章节的主要知识点是利用窗函数法、频率采样法设计FIR DF的基本原理；重点是利用窗函数法、频率采样法设计FIR DF；难点是MATLAB相关子函数的使用。三、考核内容1. 给出滤波器的设计要求，利用窗函数法完成该数字滤波器的设计。如：设计巴特沃斯高通数字滤波器，满足：通带边界频率为400Hz，阻带边界频率为200Hz，通带衰减小于3dB，阻带衰减大于15dB，采样频率为1000Hz。2. 给出滤波器的设计要求，利用频率采样法完成该数字滤波器的设计。如：用频率采样法设计一高通数字滤波器，满足：阻带边界频率，通带边界频率，设过渡带中的频率样本值为。第三部分 有关说明与实施要求一、指定教材高西全，丁玉美数字信号处理西安：西安电子科技大学出版社，二、自学考试方法指导1. 认真阅读与钻研大纲与教材。应考者应根据本大纲规定的考核目标，认真学习教材，全面系统地掌握教材所阐述的基本原理、基本方法和基本技能。2. 本课程的学习，都是在上机环境下完成，所以必须保证必要的学习时间。自学者应根据课程的特点和自身实际情况，合理安排学习时间。三、考核标准以上考核内容均属考生必做的实验，要求每个实验均需提交相关程序和运行结果（要求：以纸质形式提交），由主考学校审查合格后才能取得本课程的成绩。考核采用百分制，分合格。附：实验报模板实验1 离散时间信号与系统的时域分析姓名准考证号一、实验目的（1）了解MATLAB语言的主要特点及作用；（2）熟悉MATLAB主界面，初步掌握MATLAB命令窗和编辑窗的操作方法；（3）学习简单的数组赋值、数组运算、绘图的程序编写；（4）了解常用时域离散信号及其特点；（5）掌握MATLAB产生常用时域离散信号的方法。二、知识点提示本章节的主要知识点是利用MATLAB产生数字信号处理的几种常用典型序列、数字序列的基本运算；重点是单位脉冲、单位阶跃、正（余）弦信号的产生；难点是MATLAB关系运算符“=、=”的使用。二、实验内容1. 在MATLAB中利用逻辑关系式来实现序列，显示范围。（函数命名为impseq(n0,n1,n2)）并利用该函数实现序列：；1.%函数文件function y=impseq(n0,n1,n2) n=n1:1:n2; y=(n-n0)=0; stem(n,y);%脚本文件y=2*impseq(3,-3,10)+impseq(6,-3,10);x=-3:1:10;stem(x,y)2. 用函数sin或cos产生正余弦序列，如：n=0:0.2:20;x=11*sin(0.3*pi*n+pi/5)+5*cos(0.3*pi*n)stem(n,x)3. 利用内部函数conv来计算两个有限长序列的卷积。如： 试求其卷积结果。x=5 9 3 6 -8; h=18 7 5 20 11 14 9; y=conv(x,h); M=length(y)-1; n=-4:1:M-4; stem(n,y); xlabel(n); ylabel(幅度); 实验2 离散时间信号与系统的频域分析姓名准考证号一、实验目的（1）加深对时域信号抽样与恢复的基本原理的理解；（2）掌握应用线性卷积求解离散时间系统响应的基本方法；（3）掌握求解离散时间系统冲击响应和频率响应程序的编写方法，了解常用子函数。二、实验内容1. 利用FFT对序列进行谱分析，如，选择FFT的变换区间为8和16两种情况进行频谱分析。N=8;n=0:N-1;x4n=cos(pi*n*0.3);X4k8=fft(x4n,8);X4k16=fft(x4n,16);figure(3);N=8;f=2/N*(0:N-1);subplot(2,2,1);stem(f,abs(X4k8),.); %绘制8点DFT的幅频特性图title(4a) 8点DFTx_4(n);xlabel(/);ylabel(幅度);subplot(2,2,3);stem(f,abs(X5k8),.); %绘制8点DFT的幅频特性图title(5a) 8点DFTx_5(n);xlabel(/);ylabel(幅度);N=16;f=2/N*(0:N-1);subplot(2,2,2);stem(f,abs(X4k16),.); %绘制8点DFT的幅频特性图title(4a) 16点DFTx_4(n);xlabel(/);ylabel(幅度);subplot(2,2,4);stem(f,abs(X5k16),.); %绘制8点DFT的幅频特性图title(5a) 16点DFTx_5(n);xlabel(/);ylabel(幅度);2. 已知离散时间系统的系统函数， 求该系统的零极点及零极点分布图，并判断系统的因果性、稳定性。3. 已知离散时间系统的系统函数如下，试分析系统的频率响应并画出图形。（幅频、相频）b=1,0,1;a=1,-1.414,0.64;H,w=freqz(b,a,1000,whole);subplot(2,2,1);plot(w/pi,abs(H);ylabel(|H|);title(幅频特性);subplot(2,2,2);plot(w/pi,angle(H); ylabel(|H|);title(相频特性); 实验3 IIR 数字滤波器的设计姓名准考证号一、实验目的（1）加深对脉冲响应不变法、双线性变换法、窗函数法和频率采样法的了解；（2）掌握MATLAB进行滤波器设计的子函数。二、实验内容1. 利用脉冲响应不变法，用巴特沃斯滤波器原型设计一个低通滤波器，满足：，采样频率为10000Hz。Fs = 10000;wp = 0.2*pi;ws =0.3*pi;wp = tan(wp/2);ws = tan(ws/2); N, wn = buttord(wp, ws, 0.5, 40, s); z, p, k = buttap(N); b, a = zp2tf(z, p, k); B, A = lp2lp(b, a, wp); bz, az = bilinear(B, A, .5);h, w = freqz(bz, az, 256, Fs);figureplot(w, abs(h)grid on2. 利用双线性变换法设计巴特沃斯高通数字滤波器，满足：通带边界频率为400Hz，阻带边界频率为200Hz，通带衰减小于3dB，阻带衰减大于15dB，采样频率为1000Hz。（提示信息：利用函数buttord，butter）fp=400;fs=200;Rp=3;Rs=15;wp=fp*2*pi;ws=fs*2*pi;FS=1000;T=1/FS;Wp=wp/(FS);Ws=ws/(FS);wp2=2*tan(Wp/2)/T;ws2=2*tan(Ws/2)/T;N,Wn=buttord(wp2,ws2,Rp,Rs,s);z,p,k=buttap(N);Bap,Aap=zp2tf(z,p,k);Bbs,Abs=lp2hp(Bap,Aap,Wn);Bbz,Abz=bilinear(Bbs,Abs,FS);hw,w=freqz(Bbz,Abz,512);figure()plot(w/pi,20*log10(abs(hw);gridaxis(0,1,-200,10);title(Butterworth Type Highpass Digital Fileter)xlabel(w/pi)ylabel(幅度(dB) 实验4 FIR 数字滤波器的设计姓名准考证号一、学习的目的和要求加深对窗函数法、频率采样法设计FIR DF基本方法的理解；学习使用MATLAB语言设计FIR DF的方法；掌握相关MATLAB子函数的使用。二、考核知识点与考核要求本章节的主要知识点是利用窗函数法、频率采样法设计FIR DF的基本原理；重点是利用窗函数法、频率采样法设计FIR DF；难点是MATLAB相关子函数的使用。三、考核内容1. 给出滤波器的设计要求，利用窗函数法完成该数字滤波器的设计。如：设计巴特沃斯高通数字滤波器，满足：通带边界频率为400Hz，阻带边界频率为200Hz，通带衰减小于3dB，阻带衰减大于15dB，采样频率为1000Hz。fp=400;fs=200;Rp=3;Rs=15;wp=fp*2*pi;ws=fs*2*pi;FS=1000;T=1/FS;Wp=wp/(FS);Ws=ws/(FS);wp2=2*tan(Wp/2)/T;ws2=2*tan(Ws/2)/T;N,Wn=buttord(wp2,ws2,Rp,Rs,s);z,p,k=buttap(N);Bap,Aap=zp2tf(z,p,k);Bbs,Abs=lp2hp(Bap,Aap,Wn);Bbz,Abz=bilinear(Bbs,Abs,FS);hw,w=freqz(Bbz,Abz,512);figure()plot(w/pi,20*l