《数字信号处理》教学大纲

《数字信号处理》教学大纲课程英文名SignalandSystemAnalysis课程代码03M0125学分2总学时32理论学时32实验学时0上机学时0实践学时0课程类别学科基础课课程性质选修先修课程信号与系统适用专业人工智能开课学院信息工程学院注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业教育课；课程性质是指必修/限选/任选。一、课程地位与课程目标（一）课程地位本课程是人工智能专业的一门学科基础选修课。本课程以线性代数、复变函数和信号与系统的基本方法为基础，介绍信号的数字处理在时域、变换域的描述及其相互变换的基本理论和基本算法实现，讨论以数字滤波器为代表的数字系统的基本概念和基本分析方法，其主要内容包括离散时间系统的Z域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、数字系统的结构、数字滤波器设计等。本课程是一门结合实际工程应用的介于学科基础课和专业课之间的课程。通过本课程的学习，使学生掌握数字信号处理的基本理论与分析方法，掌握数字滤波器的设计和实现，建立利用计算机或通用（专用）数字信号处理（DSP）技术解决实际问题的思想和方法，为后续课程及从事信息处理相关的工作打下基础。（二）课程目标1.掌握离散时间系统分析的数学工具，掌握系统函数和系统的频响特性，掌握离散傅里叶变换及其快速算法原理，并能够针对具体简单线性电子系统建模并求解，培养利用数字思维和数字技术分析、解决实际问题的能力。2.能够运用高等数学、复变函数的基本原理，通过理论分析和推理，对工程中的离散系统进行识别和特性分析及判断；掌握IIR和FIR型数字滤波器的设计原理，能够根据设计要求、系统特征，设计符合要求的FIR和IIR滤波器，并对之进行分析和优化。3.本课程结合知识体系和能力目标，通过介绍数字信号处理技术的发展和应用历程，培养学生的科学思维、辩证思想和创新意识，以及多视角看待问题分析问题的方法和科学发展观；通过引入相关技术前沿与应用案例，结合国家建设和民族复兴的新时代背景，激发学生奋发图强、科技报国的使命担当。二、课程目标达成的途径与方法本课程支撑的毕业要求如下：毕业要求1：工程知识：能够将数学、自然科学、人工智能专业知识用于解决人工智能相关的复杂工程问题。毕业要求2：问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析人工智能领域复杂工程问题，以获得有效结论。毕业要求3：设计/开发解决方案：能够设计针对人工智能复杂问题的解决方案，设计满足特定需求的智能系统，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。主要以课堂教学为主，结合期末测试、上机实践、专题讨论等途径和方法来达成。具体每个课程目标的达成途径与方法见下表所示。课程目标达成途径ILO-1~2课堂教学、课后作业、课堂问答及测试和期末测试ILO-3上机作业，分组讨论的小组答辩、小组成员的提问、教师的指导提问三、课程目标与相关毕业要求的对应关系课程目标课程目标对毕业要求的支撑程度（H、M、L）毕业要求1毕业要求2毕业要求3ILO-1MILO-2MILO-3M注：1.支撑强度分别填写H、M或L（其中H表示支撑程度高、M为中等、L为低）。四、课程主要内容与基本要求第1章离散时间信号与系统的分析基础了解离散时间信号的表达形式、熟练掌握离散信号的基本运算方法；了解线性移不变系统的基本性质、熟练掌握离散时间系统性质的判断方法；掌握时域抽样定理。通过介绍数字信号处理技术在各领域的应用，引导学生认识到科技创新是国家竞争力的关键，作为新时代的青年学子，应当将学术追求与社会责任结合，担负起推动国家科技自立自强的使命。第2章Z变换域离散时间傅里叶变换熟练掌握Z变换和Z反变换的方法、Z变换的基本性质；掌握离散系统的系统函数、频率响应及离散信号的滤波；掌握非周期序列的离散时间傅里叶变换及性质；理解拉普拉斯变换、Z变换、傅里叶变换之间的关系。第3章离散傅里叶变换了解傅里叶变换的4种形式；掌握周期序列傅里叶级数；掌握离散傅里叶变换的定义和性质；理解离散傅里叶变换与z变换的关系，了解利用傅里叶变换计算线性卷积的方法；掌握离散傅里叶变换在信号分析中的基本方法和主要问题；了解利用MATLAB实现信号DFT的计算。第4章傅里叶变换快速算法了解信号处理过程中直接计算傅里叶变换所产生的计算量问题，掌握时间抽选和频率抽选的基-2FFT算法原理和算法流程，了解傅里叶反变换的快速算法。FFT算法的出现极大地提高了傅里叶变换的计算效率，推动了数字信号处理的快速发展。通过介绍FFT算法发现者的生平事迹以及他们开发FFT算法的过程，引导学生认识科学与工作中创新思维的重要性以及如何培养创新思维。通过讨论FFT对现代通信、雷达、音视频处理等技术的影响，强调科技创新在国家竞争力提升中的重要作用，激励学生在学术研究和工程应用中追求卓越，为国家的科技进步贡献力量。第5章数字系统的结构了解数字滤波器结构的表示方法，掌握无限长单位冲激响应滤波器的基本结构和特点，掌握有限长单位冲激响应滤波器的基本结构和特点。了解信号数字化过程中的量化影响，理解数字滤波器的系数量化效应和数字滤波器运算过程中的有限字长效应。第6章IIR数字滤波器的设计了解模拟滤波器的性能和一般设计方法，熟练掌握模拟滤波器到数字滤波器的冲激响应不变法，理解模拟滤波器到数字滤波器的转换过程中S平面到Z平面的映射关系，掌握模拟滤波器到数字滤波器的双线性变换法。第7章FIR数字滤波器的设计了解线性相位数字滤波器的基本概念和特点，掌握有限长单位冲激响应数字滤波器的窗函数设计法，理解不同形状的窗函数对滤波器性能的影响。理解有限长单位冲激响应数字滤波器的频率抽样设计法，了解FIR滤波器的优化设计，理解无限长单位冲激响应数字滤波器和有限长单位冲激响应数字滤波器各自的特点和区别。第10章z变换五、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务对应课程目标第1章离散时间信号与系统的分析基础61.完成课后习题作业ILO-1、3第2章Z变换与离散时间序列傅里叶变换6完成课后习题作业完成上机作业ILO-1、2第3章离散傅里叶变换6完成课后习题作业完成上机作业ILO-1、2、3第4章傅里叶变换快速算法81.完成课后习题作业ILO-1、2第5章数字系统的结构8完成课后习题作业完成随堂测试ILO-1、2第6章IIR数字滤波器的设计41.完成课后习题作业2.完成上机作业、小组讨论ILO-1、2第7章FIR数字滤波器的设计61.完成课后习题作业2.完成上机作业、小组讨论ILO-1、2六、实践环节及基本要求无七、考核方式及成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例支撑课程目标过程考核含到课率、课堂讨论发言、平时作业等点名记录回答问题记录课堂测试成绩40%ILO-1ILO-2ILO-3期末考核闭卷卷面成绩60%ILO-1ILO-2考核类别考查成绩登记方式百分制八、推荐教材与主要参考书（一）推荐教材：《数字信号处理教程》（第五版），程佩