《数字信号处理》课程教学大纲（本科）.docx

数字信号处理(Digital Signal Processing)课程编号：05410044学分：2.0学 时：32 （其中：课堂教学学时：32实验学时：0上机学时：0课程实 践学时0）先修课程：高等数学、复变函数与积分变换、信号与系统适用专业：生物医学工程教 材：数字信号处理原理及实现，王艳芬，清华大学出版社，第3版，2017.1一、课程性质与课程目标（一）课程性质“数字信号处理”生物医学工程专业基础课，它以高等数学、复变函数与积分变换、 信号与系统为基础。通过本课程的学习，使学生掌握数字信号处理基本概念、基本理论 和基本分析方法，能够实现对信号进行频谱分析与数字滤波器设计。为学生毕业后从事 生物医学信号处理相关领域工作打下理论及实践基础。本课程既培养学生分析问题、解 决问题的能力，又能够使学生具备一定的实践能力。本课程通过理论推导与上机编程实 现数字信号的分析与处理，培养学生独立分析问题、解决问题的能力。（二）课程目标“数字信号处理”课程主要介绍离散时间信号与系统的时域分析，离散时间信号与 系统的频域分析、z域分析，重点介绍离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、无限冲激响 应数字滤波器、有限冲激响应数字滤波器的设计，数字滤波器的结构等内容。课程目标 包括知识目标和能力目标，具体如下：课程目标1：掌握数字信号处理基本概念和处理的实质；掌握离散时间信号与系统 的时域分析方法，线性卷积计算；掌握序列傅里叶变换（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；掌握离散傅里叶 变换（DFT）定义、基本性质；掌握按时间抽取与按频率抽取基2-FFT算法思路及特点;课程目标2：掌握数字滤波器概念及设计思想，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；掌握线性相位滤波器设计原理，掌握窗函数法设计FIR数 字滤波器方法与原理；掌握HR数字滤波器网络结构，FIR数字滤波器线性相位结构；课程目标3：能够对信号进行频谱分析，做出信号幅度谱与相位谱；课程目标4：能够根据给定技术指标，设计HR或FIR数字滤波器；课程目标5：能够采集信号、分析信号、合成信号、对信号进行传输处理，对含有 噪声的信号进行频谱分析，设计数字滤波，实现噪声去除。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支持的专业培养计划中的毕业要求1、2、3、4、5、7、8和9。1 .毕业要求1.具备从事生物医学工程专业工作所需的数理科学、自然科学与经济 管理知识，具有应用这些知识进行思维、感知、分析和推理的能力。2 .毕业要求2.通过对生命科学基本原理和基础医学知识的学习，结合自然科学与 工程科学知识，具有分析与解决生物医学工程领域复杂工程问题的能力。3 .毕业要求3.具备较强的创新意识，能够综合考虑社会、法律、平安、健康、文 化及环境等因素，进行专业相关设计与开发。4 .毕业要求4.掌握电子、计算机和信息处理等专业基本知识，通过生物医学信号 的获取，具备对其进行分析、处理、模拟和识别的能力。5 .毕业要求5.能够熟练掌握并应用各种电子仪器与设备，具备对医学电子设备进 行分析、研发和使用维护的能力。6 .毕业要求7.具有人文社会科学素养和社会责任感，能够严守职业道德，具有较 强的团队合作能力和责任心。7 .毕业要求8.具备一定的国际视野和国际交流能力，能够就专业领域问题与同行 及公众进行合理的沟通与交流。8 .毕业要求9.具有自主学习的意识，树立终身学习的决心，可以通过各种现代化的工具与手段，不断学习，以提高自身适应社会的能力。课程目标 毕业要求指标课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4课程目标5毕业要求1MMMMM毕业要求2MMMMM毕业要求3MMMM毕业要求4MMMMM毕业要求5HHHHH毕业要求7LLLLL毕业要求8M毕业要求9H注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入“'，也可标注“H、M、L”。二、课程内容及教学要求绪论（一）教学内容1 .信号、系统与信号处理的基本概念。2 .数字信号处理系统的基本组成、特点。3 .数字信号处理的基本学科分支、应用领域。（二）教学要求. 了解本课程的性质、研究对象与基本任务。1 .理解数字信号处理的基本概念和处理的实质；.掌握数字信号处理系统基本组成。2 . 了解数字信号处理特点、学科分支及应用领域。（三）重点与难点.重点数字信号处理系统的基本组成。1 .难点前置预滤波器与后置滤波器的作用。第1章 离散时间信号与系统的时域分析（一）教学内容1 .序列定义及基本运算、单位脉冲序列、离散时间序列的分解。2 .线性时不变系统的判定、因果、稳定性的判定；线性卷积的计算。3 .离散时间系统的时域求解。4 .模拟信号处理方法，时域采样与恢复。（二）教学要求.掌握序列的基本运算、单位脉冲序列、离散时间序列分解。1 .掌握线性时不变系统的判定、因果、稳定性的判定。2 .理解离散时间系统的时域求解、掌握线性卷积的计算。3 .理解模拟信号的处理方法，时域采样与恢复。（三）重点与难点.重点单位脉冲序列定义、任意序列的单位脉冲序列表示；线性卷积和的计算。1 .难点线性卷积和的计算。第2章 离散时间信号与系统的频域分析（一）教学内容1 .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。2 .序列z变换定义、性质、z反变换。3 .系统函数定义、频率响应、IIR系统和FIR系统。（二）教学要求.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。1 .掌握序列z变换定义、性质、z反变换。2 .掌握系统函数求解。3 .掌握系统频率响应求解，并作出幅频响应与相频响应图。4 . 了解HR系统和FIR系统。（三）重点与难点.重点傅里叶变换性质；序列z变换性质、系统函数；系统频率响应求解并作图。1 .难点系统频率响应求解并作图。第3章离散傅里叶变换（一）教学内容1 .傅里叶变换的几种形式。2 .离散傅里叶级数（DFS）定义及性质。3 .离散傅里叶变换（DFT）的定义及性质。4 .频率采样理论。5 .用DFT计算线性卷积。6 .用DFT进行频谱分析。（二）教学要求. 了解傅里叶变换的几种形式。1 .理解离散傅里叶级数（DFS）定义及性质。2 .掌握离散傅里叶变换（DFT）的定义及性质。3 . 了解频率采样理论，了解频域采样与频域恢复，频域内插公式。4 .掌握用DFT计算线性卷积。5 .掌握用DFT进行频谱分析，用DFT进行谱分析时参数选取。（三）重点与难点.重点离散傅里叶变换（DFT）的定义及性质，用DFT进行信号的频谱分析。1 .难点DFT变换求解，参数确定。第4章快速傅里叶变换（-）教学内容1 .直接计算DFT的问题及改进的途径。2 .按时间抽取（DIT）的基2-FFT算法。3 .按频率抽取（DIF）的基2-FFT算法。4 .实序列的FFT算法。5 .序列快速傅里叶变换的Matlab实现。（二）教学要求. 了解直接计算DFT的问题及改进的途径。1 .掌握按时间抽取（DIT）的基2-FFT算法。2 .掌握按频率抽取（DIF）的基2-FFT算法。3 . 了解实序列的FFT算法。4 .掌握序列快速傅里叶变换的Matlab实现。（三）重点与难点.重点按时间抽取（DIT）的基2-FFT算法原理与实现；按频率抽取（DIF）的基2-FFT 算法原理与实现。1 .难点蝶型运算、FFT算法流图、FFT的编程实现。第5章IIR数字滤波器的设计（一）教学内容1 .数字滤波器的基本概念。2 .模拟滤波器的设计。3 .脉冲响应不变法设计HR数字滤波器。4 .双线性变换法设计IIR数字滤波器。5 . IIR数字滤波器的频率变换及Matlab实现。（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。1. 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。2. 掌握脉冲响应不变法设计HR数字滤波器原理及方法。3. 掌握双线性变换法设计IIR数字滤波器原理及方法。4. 了解HR数字滤波器的频率变换，掌握数字滤波器的Matlab实现。（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。1 .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。第6章FIR数字滤波器的设计（一）教学内容1 .线性相位FIR数字滤波器的特点。2 .窗函数法设计FIR数字滤波器。3 .频率采样法设计FIR数字滤波器。4 . FIR和IIR数字滤波器的比拟。（二）教学要求了解线性相位FIR数字滤波器特点。1. 掌握线性相位FIR滤波器时域约束条件，线性相位推导。2. 掌握窗函数法设计FIR数字滤波器。3. 了解频率采样法设计FIR数字滤波器，过渡带采样的最优设计。4. 了解FIR和HR数字滤波器的比拟，各自优缺点及适应场合。 （三）重点与难点.重点线性相位FIR滤波器线性相位推导；窗函数法设计FIR数字滤波器。1 .难点FIR滤波器线性相位的推导。第7章数字滤波器结构（一）教学内容1. 基本结构单元。2. IIR滤波器的基本网络结构：直接型、级联型、并联型。3. 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.掌握基本结构单元。1 .掌握IIR滤波器的基本网络结构：直接型、级联型、并联型。2 . 了解FIR滤波器的基本网络结构：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。1 .难点线性相位FIR滤波器结构。三、学时分配及教学方法章教学形式及学时分配主要教学方 法支撑的课 程目标课堂 教学实验上 机课程 实践小 计绪论11讲授、案例、 自学课程目标1、5第1章离散时间信号与 系统的时域分析33讲授、案例、 自学课程目标1、5第2章离散时间信号与 系统的频域分析55讲授、案例、 自学课程目标1、3、5第3章离散傅里叶变换66讲授、案例、 自学课程目标1、3、5第4章快速傅里叶变换44讲授、案例、 自学课程目标1、3、5第5章HR数字滤波器 的设计66讲授、案例、 自学课程目标1、4、5第6章FIR数字滤波器 的设计55讲授、案例、 比照自学课程目标1、4、5第7章数字滤波器结构22讲授、案例、 自学课程目标1、4、5合计3232四、课程考核（-）考核方式课程考核方式包括期末考试、平时及作业情况考核。考核形式考核要求考核权 重备注平时作业和阶 段测试1 .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。2 .以随机的形式，在每章内容进行中或20%根据平时作业得 分取平均值或结 合平时测试情况结束后，随堂测试13题，主要考核学 生课堂的听课效果和课后及时复习消 化本章知识的能力。3.学生查阅资料，了解本课程相关技术 开展情况。计算三类成绩平均成绩，再按20% 计入总成绩。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80%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90%；考核数字信号 处理综合分析应用的题目占10%。80%期末考试采用闭 卷笔试。五、参考书目及学习资料.数字信号处理教程程佩青，北京：清华大学出版社，2007,第3版。1 .数字信号处理陈后金，北京：高等教育出版社，2008,第2版。2 .数字信号处理门爱东，北京：科学出版社，2009,第2版。3 .数字信号处理原理及实现学习指导王艳芬，北京：清华大学出版社，2014 第2版。六、大纲说明.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。1 .课后共需完成大约15道习题作业，以加深学生对所学内容的理解和掌握，建议 利用网络教学平台。2017年9月1日