数字信号处理教学大纲-自动化专业

1、数字信号处理教学大纲学时：58 学分：3课程类别：专业基础课（核心课程） 课程编码：25030216开设年级：三年级第一学期 撰写人：郑雁翎审核人：XXX一、课程说明几乎所有的工程技术领域都会涉及到信号处理问题，数字信号处理是对信号进行分析、变换、综合、估值与识别等，由于它具有精度高、高稳定性、灵活性强、便于集成以及可以对数字信号进行存储、运算等优点，目前已广泛应用于语音图像处理、雷达、雷电、声学、声纳、地震学、数据通信、控制工程、生物医学工程、核物理学、天文气象等领域。数字信号处理的理论和技术是目前高新理论和技术的有力支撑。本课程是自动化专业本科生必选的专业必修课，主要为从事信号处理的同学奠

2、定必要的理论基础。本课程介绍了数字信号处理的基本原理、基本分析方法和处理技术。主要讨论离散时间信号和系统的基础理论、离散傅立叶变换DFT理论及其快速算法FFT、IIR和FIR数字滤波器的设计与实现。本课程作为专业基础课，在课程体系中起到承上启下的作用。课程的数学基础为：高等数学、复变函数、积分变换；本课程的先修课程：数字电路，信号与系统，MATLAB语言。本课程的后续课程为：DSP原理及应用、数字图像处理等。二、教学目标通过对本课程的学习，使学生系统地掌握离散时间信号分析和处理的基本概念、基础理论、分析方法及其在工程实践中的应用，能建立基本的数字信号处理模型。要求学生学会运用数字信号处理的两个

3、主要工具：快速傅立叶变换（FFT）与数字滤波器，为后续数字技术方面课程的学习打下理论基础。初步掌握是数字信号处理的技术实现，有软、硬件实现方法。培养学生能够从数学方法、物理概念及工程概念去分析问题和解决问题。三、学时分配章课程内容学时1绪论，时域离散信号和时域离散系统12（理论学时：8；实验学时：4）2时域离散信号和系统的频域分析16（理论学时：14；实验学时：2）3离散傅立叶变换（DFT）8（理论学时：8；实验学时：0）4快速傅立叶变换(FFT)10（理论学时：8；实验学时：2）5时域离散系统的基本网络结构与状态变量分析法2（理论学时： 2；实验学时：0）6无限脉冲响应数字滤波器的设计10（

4、理论学时：8；实验学时：2）7有限脉冲响应数字滤波器的设计（选）8（理论学时：8；实验学时：0）合计66（理论学时：56；实验学时：10）四、教学方式本门课采用课堂教学、实验和学生自学相结合，并辅之以课堂讨论，讲练结合，采用多媒体教学手段为主，重点难点辅以板书。用于基本概念、理论分析及应用的课堂讲授约占总学时的80%。习题课、课堂讨论、实验操作约占总学时的20%。本课程安排了5次实验课，以便学生掌握基本实验技能。五、教材及参考资源教材：丁玉美.数字信号处理（第三版）. 西安：西安电子科技大学出版社，2014 参考资源：1 程佩青. 数字信号处理. 北京：清华大学出版社，2003 2 胡广书.

5、数字信号处理. 北京：清华大学出版社,2003六、教学基本内容绪论（1学时）教学目的 了解什么是数字信号处理、它与传统的模拟技术相比存在哪些特点、数字信号处理的应用领域以及它的发展概况和发展趋势。重点难点 无教学内容 1、信号与数字信号处理定义。2、数字信号处理的特点。3、数字信号处理的应用领域。考核目标 无第一章：时域离散信号和时域离散系统教学目的 1. 掌握常用典型序列：单位脉冲序列、单位阶跃序列、矩形序列、实指数序列、复指数序列及其基本运算。 2. 掌握离散时间系统的线性、时不变性、因果性和稳定性，离散卷积的计算机求解，差分方程求解。3. 掌握采样及内插，理解频谱混叠现象及其产生原因、奈

6、奎斯特采样频率。重点难点 1. 重点：典型离散时间信号及其运算。离散时间系统的线性、时不变性、因果性和稳定性。时域采样及内插，频谱混叠现象，奈奎斯特采样定理。2. 难点：时域采样及内插。教学内容 第一节 时域离散信号第二节 时域离散系统；1、线性系统. 2、时不变系统.3、线性时不变系统.4、系统的稳定性与因果性. 5、离散卷积的计算机求解。第三节 时域离散系统的输入输出描述法-线性常系数差分方程第四节 模拟信号的数字处理方法。考核目标 作业，课堂考练。1.能正确实现序列的基本运算，离散卷积的计算机求解，差分方程求解。； 2.能正确判断离散系统的特性。第二章：时域离散信号和系统的频域分析教学目

7、的 1.理解离散傅里叶变换级数的基本概念及其基本性质；掌握离散时间信号的傅里叶变换（DTFT）、z变换及它们的反变换，变换的特性, z变换与DTFT变换的关系。2. 理解离散时间系统的频率响应和系统函数，会根据差分方程求系统的频响和系统函数，了解系统函数的零极点表示法。重点难点 1. 重点：离散时间信号的傅里叶变换（DTFT）、Z变换与反Z变换；Z变换及其收敛域的计算，系统函数与系统特性。2.难点：留数法求解反Z变换；离散时间系统频率响应的估值；系统的各种结构特性分析。教学内容 第一节 离散傅里叶变换级数的基本概念；第二节 序列的离散傅里叶变换；第三节 双边Z变换及其重要性质，利用留数定理和部

8、分分式展开法求逆Z变换；第四节 利用Z变换求解差分方程的稳态及暂态解；第五节 利用Z变换分析系统和信号的频域特性。考核目标 （第二章最后一次课）课堂讨论和课堂考练。针对Z变换，求逆Z变换，离散傅里叶变换，Z变换分析系统和信号的频域特性。第三章：离散傅立叶变换（DFT）教学目的 理解离散傅里叶变换的物理意义及特性，熟练掌握DFT的定义、性质及计算方法；掌握频率域采样理论；掌握利用离散傅立叶变换进行谱分析的方法，了解DFT应用于信号频谱分析的误差问题。重点难点 1.重点：离散傅里叶变换的物理意义及特性，周期卷积，循环卷积，利用DFT做连续信号的频谱分析过程中可能出现的问题及解决方法。2.难点：频谱

9、离散化的推导；DFT的点数问题；频率采样理论的推导；DFT应用于信号频谱分析的误差问题分析。教学内容 第一节 离散傅立叶变换的定义第二节 离散傅立叶变换 基本性质及其与Z变换的关系；第三节 频率域采样理论；第四节 利用离散傅立叶变换进行谱分析的方法。考核目标 作业和课堂考练：主要针对离散傅立叶变换及基本性质，频率域采样理论，谱分析第四章：快速傅立叶变换（FFT）教学目的 掌握快速傅里叶变换的基本算法，熟练掌握基2FFT时域及频域抽取算法的基本思想和算法推导。了解分裂基FFT算法的基本思想；了解哈特莱变换。重点难点 1.重点：基2FFT算法的原理、特点及其实现方法。2.难点：FFT算法中倒序过程

10、的实现；如何利用FFT算法实现IDFT的快速计算。教学内容 第一节 基2 FFT时域及频域抽取算法的基本思想和算法推导。 1.按时间抽取的FFT. 2.按频率抽取的FFT.第二节 进一步减少运算量的措施第三节 其他FFT简介-分裂基FFT算法的基本思想；（可选），哈特莱变换。（可选）考核目标 作业：主要针对基2 FFT时域及频域抽取算法。第五章：时域离散系统的基本网络结构与状态变量分析法教学目的 掌握用信号流图表示网络结构的方法；掌握无限长脉冲响应网络的基本网络结构；掌握有限长脉冲响应网络的基本网络结构；掌握用状态变量分析法对系统的描述。重点难点 无限长脉冲响应网络的基本网络结构；有限长脉冲响

11、应网络的基本网络结构。教学内容 第一节 用信号流图表示网络结构的方法；第二节 无限长脉冲响应网络的基本网络结构；第三节 有限长脉冲响应网络的基本网络结构；第四节 FIR系统的线性相位结构（与第七章相关可选）第五节 FIR系统的频率采样结构（与第七章相关可选）考核目标 课堂练习：主要针对无限长脉冲响应网络的基本网络结构；有限长脉冲响应网络的基本网络结构；状态变量分析法。第六章：无限脉冲响应数字滤波器的设计教学目的 1.了解滤波器设计中常用的几个指标，滤波器设计的常用方法。2.理解利用模拟滤波器设计数字滤波器时平面变换必须满足的基本要求,脉冲响应不变法，掌握双线性变换法。3.了解几种主要模拟滤波器

12、的特性及设计方法，掌握由模拟原型滤波器变换成相应的数字滤波器的方法。4.掌握全通函数及滤波器的数字域变换方法。重点难点 1. 重点：利用模拟滤波器设计数字滤波器的方法，从低通数字滤波器到各种数字滤波器的频率变换。2. 难点：利用模拟滤波器设计数字滤波器的方法。教学内容 第一节 数字滤波器的基本知识；第二节 模拟低通滤波器的设计方法及与高通、带通、带阻滤波器的转换关系；第三节 模拟滤波器向数字滤波器转换的方法及各自的优缺点；第四节 IIR数字滤波器的设计过程。考核目标 布置作业和课堂讨论，主要针对模拟低通滤波器的设计，低通滤波器与高通、带通、带阻滤波器的转换关系；模拟滤波器向数字滤波器转换的方法

13、。第七章：有限脉冲响应数字滤波器的设计（选）教学目的 掌握线性相位FIR数字滤波器的条件和特点；熟练掌握利用窗函数法设计FIR滤波器；了解利用频率采样法及切比雪夫逼近法设计FIR滤波器；掌握IIR与FIR数字滤波器的异同。重点难点 利用窗函数法设计FIR滤波器；利用频率采样法及切比雪夫逼近法设计FIR滤波器。教学内容 第一节 线性相位FIR数字滤波器的条件和特点；第二节 利用窗函数法设计FIR滤波器； 第三节 利用频率采样法及切比雪夫逼近法设计FIR滤波器第四节 IIR与FIR数字滤波器的比较 。考核目标 作业练习，主要针对利用窗函数法设计FIR滤波器；利用频率采样法及切比雪夫逼近法设计FIR

14、滤波器。七、实践（实验）环节（一）常见序列信号的MATLAB产生和图形显示实践/实验内容 编制程序产生前6种信号（长度可输入确定），并利用MATLAB中的基本图形函数绘出其图形。实现正弦序列和实指数序列的卷积和运算，并绘出其图形。提示：在数字信号处理的基本理论和MATLAB信号处理工具箱函数的基础上，可以自己编写一些子程序以便调用。实践/实验要求 1熟悉信号处理软件MATLAB的使用。2学会用MATLAB在时域中产生一些基本的离散时间信号。3了解信号的各种运算。实践/实验学时周数 2学时实践/实验方式 设计型实验实践/实验场所 信号实验室（二）复杂序列的产生及信号的卷积实践/实验内容 在第一个

15、试验的基础上，编程实现（1）利用扩展函数产生复杂序列并画图。（2）编程实现信号的卷积运算，及系统输出信号并画图。提示: 输出为输入和抽样响应的卷积 实践/实验要求 1熟悉离散信号的基本运算实现。2了解复杂序列的产生方法。3运用卷积方法观察系统的时域特性实践/实验学时周数 2学时实践/实验方式 设计型实验实践/实验场所 信号实验室（三）Z变换、离散系统零极点分布和频率分析实践/实验内容 利用MATLAB实现 域的部分分式展开式。MATLAB的符号数学工具箱的函数实现Z变换和Z反变换。用MATLAB求出系统函数的零极点，并画出零极点分布图；求出系统的单位冲激响应和幅频响应，并判断系统的是否稳定。提

16、示：在数字信号处理的基本理论和MATLAB信号处理工具箱函数的基础上，可以自己编写一些子程序以便调用。实践/实验要求 1学会运用MATLAB求离散时间信号的z变换和z反变换； 2学会运用MATLAB分析离散时间系统的系统函数的零极点；3学会运用MATLAB分析系统函数的零极点分布与其时域特性的关系；4. 学会运用MATLAB进行离散时间系统的频率特性分析。实践/实验学时周数 2学时实践/实验方式 设计型实验实践/实验场所 信号实验室（四）用FFT对信号作频谱分析实践/实验内容 利用MATLAB编制程序对序列、周期序列和模拟周期信号进行谱分析，选择FFT的变换区间N进行频谱分析。分别打印其幅频特

17、性曲线， 并进行对比、分析和讨论。提示：在数字信号处理的基本理论和MATLAB信号处理工具箱函数的基础上，可以自己编写一些子程序以便调用。实践/实验要求 1学习用FFT对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法。2了解可能出现的分析误差及其原因，以便正确应用FFT。实践/实验学时周数 2学时实践/实验方式 设计型实验实践/实验场所 信号实验室（五）IIR数字滤波器设计及软件实现实践/实验内容 1.调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号。2. 将复合信号中三路调幅信号分离，通过观察复合信号的幅频特性曲线，分别确定可以分离复合信号中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（

18、低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率。3. 编程序调用MATLAB滤波器设计函数buttord和butter分别设计这三个巴特沃斯滤波器，并绘图显示其幅频响应特性曲线。4.调用滤波器实现函数filter，并绘图显示调幅信号的时域波形，观察分离效果。提示：在数字信号处理的基本理论和MATLAB信号处理工具箱函数的基础上，可以自己编写一些子程序以便调用。实践/实验要求 1熟悉用脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法；2学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数（或滤波器设计分析工具fdatool）设计各种IIR数字滤波器，学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。3. 掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。4. 通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。实践/实验学时周数 2学时实践/实验方式 设计型实验实践/实验场所 信号实验室八、考核方式本课程为考试课。可开卷或闭卷进行测试，期末笔试占总成绩的70%，平时作业、小测验占总成绩的10，实验占总成绩的20%。考核成绩合格才能获得学分。具体内容九、其他说明1.课堂讲授：按照教学大纲要求进行全面的教与学习，以基础为主，重点难点突出，合理安排课程内容。建议本课程在理论讲解的同时，根据情况安插重点章节的习题课；增加较多的上机仿真虚拟实验；在条件具备时，亦