《农业信号分析与处理》课程教学大纲（本科）

1、农业信号分析与处理(Signal Analysis and Processing In Agriculture)课程代码：05410036学分：4学时：64 （其中：讲课学时：56实验学时：8上机学时：0）先修课程：高等数学、复变函数与积分变换、电路适用专业：农业电气化教材：信号分析与处理吉培荣，机械工业出版社，2015.3一、课程性质与课程目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）农业信号分析与处理是农业电气化专业基础选修课，它以高等数学、复变函数 与积分变换、电路系统为基础。通过本课程的学习，使学生掌握信号分析与处理的基本 概念、基本理论和基本分析方法，能够实现对信号进行频谱分析

2、与数字滤波器设计。为 学生毕业后从事农业电气工程信号处理相关领域工作打下理论及实践基础。本课程理论 与实际相结合，通过理论推导与上机编程实现信号的分析与处理，培养学生独立分析问 题、解决问题的能力。课程具体目标如下：（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力 目标。）课程目标1：知识方面农业信号分析与处理课程主要介绍连续（离散）时间信号与系统的时域分析， 连续（离散）时间信号与系统的频域分析、重点介绍离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、 数字滤波器设计，数字滤波器的结构。具体为：理解信号分析基本概念和处理的实质；掌握连续时间信号的分析方法；握序列傅里叶变换（

3、DTFT）定义及性质；理解序列Z变换定义、性质；系 统函数定义、计算；系统频率响应物理意义；掌握连续时间线性时不变系统的分析和卷积积分的计算与性质；掌握离散时间线性时不变系统的响应以及z域、频域分析；画出其幅、相频特性;2)给定输入信号xQ) = sin(2%/) + 0.5cos(2祇/)力=lkHz,及=3kHz,画出原始信号 及通过上述两种方法设计得到的数字低通滤波器后的输出波形。2.根据上述实验要求， 编写程序。.根据上述实验要求，编写程序。.调试运行程序，并修改完善。.保存设计成果，撰写实验报告。实验5：常用连续信号的表示写明实验目标及要求。一、实验目的熟悉MATLAB软件，利用MA

4、TLAB软件，绘制出常用的连续时间信号。二、实验要求.实验内容1)绘制正弦信号 f (t) =Asin (cot+v),其中 A=L 3=2兀,|/=九/6;2)绘制指数信号f (t) =AeAat,其中A=l, a=-0.4；3)绘制矩形脉冲信号，脉冲宽度为2；4)绘制三角波脉冲信号，脉冲宽度为4；斜度为0.5；5)对上题三角波脉冲信号进行尺度变换，分别得出f (2t), f (2-2t)；6)绘制抽样函数Sa(t),t取值在-3冗至叶3兀之间；7)绘制周期矩形脉冲信号，参数自定；8)绘制周期三角脉冲信号，参数自定；.根据上述实验要求，编写程序。.调试运行程序，并修改完善。.保存设计成果，撰

5、写实验报告。实验6：时域采样与信号重构写明实验目标及要求。一、实验目的利用MATLAB软件掌握对连续信号采样和恢复的过程，并通过对比分析验证时域 采样定理。二、实验要求.实验内容给定模拟信号，（0 - sin（2r） + cos（2f20 ,其中力=100Hz,力=20Hz。 要求：1）画出儿波形；2）当采样频率分别取50Hz, 125Hz和250Hz时，分别画出对应的离散时间信号;3）当采样频率分别取50Hz, 125Hz和250Hz时，分别画出对应的重构连续时间 信号。.根据上述实验要求，编写程序。.调试运行程序，并修改完善。.保存设计成果，撰写实验报告。实验7：用FFT对信号作频谱分析写

6、明实验目标及要求。一、实验目的利用MATLAB软件掌握FFT函数的运用，学会对根据频谱分辨率来确定采样频率 和采样点数参数，掌握根据FFT结果分析频谱图。二、实验要求.实验内容给定模拟信号，SQ） = 2 + 3cos（2次%） + L5cos（2联力+ （幅值为4的随机噪声）,其中力二50kHz,力=52kHz,要求频谱分辨率为2Hz。 要求：1）确定采样频率和采样点数；2）分别画出原始信号及其频谱图；3）对频谱图进行分析。.根据上述实验要求，编写程序。.调试运行程序，并修改完善。.保存设计成果，撰写实验报告。四 学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课

7、堂 教学实 验上机课程 实践小 计第1章44讲授法1.1、2.5第2章8210讲授法、演示法1.2、2.1 2.4、2.5第3章88讲授法1.3、2.4、2.5第4章9211讲授法、演示法1.4、2.1、2.4、2.5第5章9211研究型教学方法1.5、2.1、2.4 2.5第6章88讲授法1.6、2.1、2.4 2.5第7章10212研究型教学方法1.7、1.8、1.9、2.2、2.3、2.4、2.5合计56864注：1 .课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例 等教学方法）等。五、课程考核序号考核方式或途径考核

8、要求考核权重备注1平时作业和实验成绩.每章完成24个习题，主要考核 学生对每节课知识点复习、理解和 掌握度。.以随机的形式，在每章内容进行 中或结束后，随堂测试13题，主 要考核学生课堂的听课效果和课后 及地复习消化本章知识的能力。.通过上机实验，掌握本课程中信 号的分析与处理方法。计算三类成 绩平均成绩，再按30%计入总成绩。30%2期末考试试卷题型包括填空题、分析计算 题和简答题3大类，以卷面成绩的 70%计入课程总成绩。其中考核数字 信号处理基础知识的题目占70%； 考核数字信号处理综合分析应用的 题目占30%o70%注：1.分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。.考核方式或途径主

9、要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作 业、小论文、项目设计和作品等。.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）.信号分析与处理第3版，崔翔，北京：中国电力出版社，2016,9.信号分析与处理华容,北京：高等教育出版社，2010,8.信号分析与处理第2版，徐科军等，北京：清华大学出版社，2012,12.信号分析与处理第3版，赵光宙，北京：机械工业出版社，2016,7七 大纲说明（内容可包括课程基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）.本大纲为本

10、科电气信息类专业的基本要求，如果有特殊需要，可在此基础上， 根据情况加深，加宽。.本教学大纲基本要求中课程教学内容的要求分为三个档次：掌握、理解和了解。 掌握是指对教学内容理解透彻、清楚，并具有应用所学知识解决实际问题的能 力；理解是指对教学内容能够正确认识，能够一般应用；了解是指对教学内容 具有基本知识，为今后的学习打下基础。.采用板书和多媒体教学手段，建议采用讲授、案例、视频、讨论、自学相结合, 多种教学手段综合运用。.每次课后布置2-4条作业，可另外布置一些思考题供学生理解教学内容。.本课程的考核方式为闭卷考试。2017 年9月15 日掌握离散傅里叶变换（DFT）定义、基本性质和FFT算

11、法的思路及特点；掌握利用脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器；掌握窗函数法设计FIR数字滤波器；掌握IIR数字滤波器网络结构，FIR数字滤波器线性相位结构；（二）能力与素质方面能够对信号（包括连续和离散时间）进行频谱分析，做出信号幅度谱与相位谱;能够根据给定技术指标，设计IIR或FIR数字滤波器；能够对含有噪声的信号进行数字滤波，实现噪声去除；逐步培养学生逻辑思维能力、判断和归纳能力；能正确认识和评价新型数字信号处理算法在农业电气自动化分析中的应用。注：1.工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；2.工程类专业课程的课程目标应按下表表述对专业毕业要求指

12、标点的支撑关系。课程目标毕业要求指标课程目标1课程目标2具有应用工程基础知识和 基本理论知识解决问题的 能力。具备设计和实施与电气化 相关工程实验的能力，并能 够对实验结果进行分析二、课程内容与教学要求（按章撰写）第1章 信号与系统的基本概念（-）课程内容.信号、系统与信号处理的基本概念；.信号的基本运算；.系统的分类和连续LSI系统和离散LSI系统的数学模型;. 了解农业信号分析与处理的方法与实现。（二）教学要求. 了解本课程的性质、研究对象与基本任务。.理解信号分析的基本概念和处理的实质；.理解信号的分类与基本运算；.掌握系统的分类和两种LSI系统的数学模型。（三）重点与难点.重点信号分析

13、与处理的基本概念与处理的实质。.难点两种LSI系统的数学模型。第2章 连续时间信号的分析（一）课程内容.周期信号的正交分解及傅里叶级数、频谱与功率谱；.非周期信号的傅里叶变换及其性质；.周期信号的傅里叶变换；.信号的拉普拉斯变换。（二）教学要求.掌握周期信号的傅里叶级数、频谱与功率谱；.理解非周期信号的傅里叶变换及性质；.掌握周期的傅里叶变换；.掌握信号的拉普拉斯正、反变换。（三）重点与难点.重点周期信号的傅里叶级数分解；非周期信号的傅里叶变换；傅里叶变换的性质；周期 信号的傅里叶变换；拉普拉斯变换.难点傅里叶变换的性质与拉普拉斯正、反变换的计算。第3章 离散时间信号的分析（-）课程内容.模拟

14、信号处理方法，时域采样与恢复；.序列z变换定义、性质、z反变换；.序列傅里叶变换定义、常用序列傅里叶变换、傅里叶变换性质。（二）教学要求.理解离散时间信号的生成过程；.掌握序列z变换定义、性质、z反变换；.理解序列傅里叶变换定义、掌握常用序列的傅里叶变换、傅里叶变换的性质。（三）重点与难点.重点序列傅里叶变换性质；序列z正、反变换的计算与性质。.难点离散时间傅里叶变换的定义与性质。第4章 连续时间线性时不变系统的分析（一）课程内容.连续时间线性时不变系统的零输入、零状态和全响应；.卷积积分的计算与性质；.连续时间线性时不变系统的复频域分析；.连续时间线性时不变系统的频域分析。（-）教学要求.理

15、解系统响应的经典法求解；.掌握线性系统零输入响应的求解；.掌握冲激响应的求解；.掌握卷积积分定义、图解法及卷积积分性质；.掌握线性系统零状态响应求解，及系统全响应求解；.掌握理想低通滤波器的冲激响应，理解理想低通滤波器的阶跃响应，了解系 统的物理可实现性。（三）重点与难点.重点零输入响应的求解；冲激响应的求解；卷积积分的定义、图解法及其性质；系 统状态响应的求解；续信号通过系统的时域分析方法。.难点系统冲激响应的求解，卷积的图解法及卷积的性质。第5章 离散时间线性时不变系统的分析（一）课程内容.离散时间线性时不变系统的响应；.卷积和的计算与性质；.离散时间线性时不变系统的z域分析；.离散时间线

16、性时不变系统的频域分析。（二）教学要求.掌握离散时间线性时不变系统的零输入、零状态和全响应的求解；.掌握卷积和的计算方法与性质；.掌握通过z变换求解差分方程与系统函数；.掌握系统频率响应求解，并作出幅频响应与相频响应图。（三）重点与难点.重点离散时间线性时不变系统的零输入、零状态和全响应的求解方法；卷积和的求 解方法；利用z变换求解差分方程与系统函数；系统频率响应求解与作图。.难点卷积和的计算；系统频率响应的求解与作图。第6章离散傅里叶变换（-）课程内容.傅里叶变换的几种形式；.离散傅里叶变换（DFT）的定义及性质；.用DFT计算线性卷积；.用DFT进行频谱分析；. FFT算法分析。（二）教学

17、要求. 了解傅里叶变换的几种形式；.掌握离散傅里叶变换（DFT）的定义及性质；.掌握用DFT计算线性卷积；.掌握用DFT进行频谱分析，用DFT进行谱分析时参数选取；.掌握按时间抽取（DIT）的基2-FFT算法；.掌握按频率抽取（DIF）的基2-FFT算法。（三）重点与难点.重点离散傅里叶变换（DFT）的定义及性质；用DFT计算线性卷积及进行信号的频 谱分析；FFT算法分析。.难点DFT变换求解，参数确定；FFT中的蝶形运算。第7章 数字滤波器设计（一）课程内容.数字滤波器的基本概念。.模拟滤波器的设计。.脉冲响应不变法设计HR数字滤波器。.双线性变换法设计HR数字滤波器。.线性相位FIR数字滤

18、波器的特点。.窗函数法设计FIR数字滤波器。. IIR滤波器的基本网络结构：直接型、级联型、并联型。. FIR滤波器的基本网络结构：直接型、级联型、并联型，线性相位结构。（二）教学要求了解数字滤波器的基本概念、数字滤波器的技术指标、设计方法。了解模拟滤波器的设计、巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器的特性。掌握脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器原理及方法。掌握双线性变换法设计IIR数字滤波器原理及方法。了解线性相位FIR数字滤波器特点。掌握窗函数法设计FIR数字滤波器。了解FIR和IIR数字滤波器的比较，各自优缺点及适应场合。掌握IIR滤波器的基本网络结构：直接型、级联型、并联型。了解FIR滤波器的

19、基本网络结构：直接型、级联型、并联型，掌握线性相 位结构。（三）重点与难点.重点脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器原理及方法；线性相 位FIR滤波器线性相位推导；窗函数法设计FIR数字滤波器；IIR滤波器基本网络结构：直接型、级联型、并联型；FIR滤波器线性相位结构。.难点双线性变换法中s平面与z平面映射关系，双线性变换法中频率失真和预畸 变；FIR滤波器线性相位的推导；线性相位FIR滤波器结构。三、本课程开设的实验项目(如课程不含实验，该项可不填)编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1连续时间系统分析2综合性必做1.2、1.4、2.1、2.42连续时间系统的复频域分析2综

20、合性必做1.2、1.4、2.1、2.53离散时间系统分析2综合性必做1.3、1.5、2.4、2.54IIR数字滤波器设计2设计性必做1.7、1.8、1.9、2.2、2.3、2.45常用连续信号的表示1验证性选做1.1、2.4 2.56时域采样与信号重构2验证性选做1.2、1.3、2.4、2.57用FFT对信号作频谱分析2综合性选做1.3、1.6、2.1、2.4注：1 .“类型”填验证性、综合性、设计性等；.“要求”填必做、选做。实验1:连续时间系统分析写明实验目标及要求。一、实验目的利用MATLAB软件对系统进行冲激响应、零状态响应、频率响应的求解并领会其 物理意义；掌握周期信号的傅立叶级数系

21、数以及功率谱的计算。二、实验要求.实验内容一力学系统，其系统微分方程为y(t) + 2y，(t) +100y(t)= 1003(。，求该系统冲激响应；一系统微分方程为 y”(t) + 2yt) + 100y(t)=f(t),若f(t) = 10sin2;zt,求该系统零状 态响应；一系统微分方程为y(t) + 3y(t) = 3x(t),求该系统的频率响应(绘出其幅值和相位 特性曲线)；一系统微分方程为3y”(t) + 4yt) + y(t)=x(t) + 5x(t),求该系统的频率响应(绘 出其幅值和相位特性曲线)；)计算信号x(t) = cos(2Nt) + cos(2*t)的功率并绘制其

22、功率谱，其中 力=37Hz=219Hz。.根据上述实验要求，编写程序。.调试运行程序，并修改完善。.保存设计成果，撰写实验报告。实验2：连续时间系统的复频域分析写明实验目标及要求。一、实验目的利用MATLAB软件掌握Laplace正变换与反变换，对F (s)进行部分分式展开， 求系统函数的零极点并画出零极点分布图，并判断系统是否稳定。二、实验要求.实验内容1)求函数f(t) = e-tsin(at)(t)的 Laplace 变换；2)求F(s) = s?/(s2+1)的 Laplace 反变换；3)对F(s) = (s + 2)/(s3 + 4s2 + 3s)进行部分分式展开;4)求出系统函数H(s) = (s-1)/(s2+2s + 2)的零极点并画出零极点分布图；5)画出系统函数H(s) = 1/(s