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《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)大綱 課程類型：專業(yè)課 總 學(xué) 時(shí)：通信工程專業(yè)70；信息工程專業(yè) 64 講課學(xué)時(shí)：通信工程專業(yè)60；信息工程專業(yè) 54 實(shí)踐學(xué)時(shí)：通信工程專業(yè)10；信息工程專業(yè) 10 一、課程的目的與任務(wù) 本課程講授數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和基本分析方法，并且進(jìn)行理論與算法的實(shí)踐。要求學(xué)生掌握離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論，掌握離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析與 Z變換及離散傅立葉變換和快速傅里葉變換的理論計(jì)算法；掌握IIR和FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、理論和設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生畢業(yè)后從事數(shù)字技術(shù)及其工程應(yīng)用提供必要的訓(xùn)練。 二、課程有關(guān)說明 《數(shù)字信號(hào)處理》是通信工程專業(yè)和信息工程專業(yè)的專業(yè)課，課程的內(nèi)容包括：線性時(shí)不變離散時(shí)間系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)學(xué)模型（差分方程）及其求解，Z變換，離散傅立葉變換（DFT）理論及應(yīng)用，快速傅立葉變換（FFT），無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等內(nèi)容。除了理論教學(xué)外，還配有一定數(shù)量的上機(jī)實(shí)驗(yàn)。 數(shù)字信號(hào)處理在理論上所涉及的范圍及其廣泛。高等數(shù)學(xué)、隨機(jī)過程、復(fù)變函數(shù)等都是其數(shù)學(xué)基本工具。電路理論、信號(hào)與系統(tǒng)等是其理論基礎(chǔ)。其算法及實(shí)現(xiàn)（硬件和軟件）與計(jì)算機(jī)學(xué)科和微電子技術(shù)密不可分。學(xué)生應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)以上的知識(shí)，更好地掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本理論、算法和實(shí)現(xiàn)技能。 主要教學(xué)方式：教師主講，答疑、課堂討論為輔，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 考核評(píng)分方式： 閉卷考試 三、教學(xué)內(nèi)容 緒論 （2學(xué)時(shí)） 本章應(yīng)掌握：數(shù)字信號(hào)處理的基本概念。 熟悉：數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成。 了解：數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌、學(xué)科特點(diǎn)、實(shí)際應(yīng)用、發(fā)展方向和實(shí)現(xiàn)方法。 第一章 時(shí)域離散信號(hào)和時(shí)域離散系統(tǒng) （4學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 時(shí)域離散信號(hào) 本節(jié)應(yīng)掌握：序列的運(yùn)算，即移位、翻褶、和、積、累加、差分、時(shí)間尺度變換、卷積和等； 序列的周期性。 熟悉：幾種常用序列，即單位抽樣序列、單位階躍序列、矩形序列、實(shí)指數(shù)序列、復(fù)指數(shù)序列、正弦序列。 了解：用單位抽樣序列來表示任意序列。 第二節(jié) 時(shí)域離散系統(tǒng) 本節(jié)應(yīng)掌握： 線性系統(tǒng)、移不變系統(tǒng)、因果系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)的判斷方法；線性移不變系統(tǒng)的時(shí)域表征；線性移不變系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性的表征。 熟悉：線性系統(tǒng)、移不變系統(tǒng)、因果系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)的基本概念。 了解：線性系統(tǒng)、移不變系統(tǒng)、因果系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)的性質(zhì)；線性卷積的交換律、結(jié)合律和分配律。 第三節(jié) 時(shí)域離散系統(tǒng)的輸入輸出描述法——線性常系數(shù)差分方程 本節(jié)應(yīng)掌握：N階線性常系數(shù)差分方程的表征。 熟悉：線性常系數(shù)差分方程的描述。 了解：線性常系數(shù)差分方程的遞推求解法。 第四節(jié) 模擬信號(hào)數(shù)字處理方法 本節(jié)應(yīng)掌握：采樣定理；采樣信號(hào)的頻譜特點(diǎn)；采樣恢復(fù)；無失真恢復(fù)的條件。 熟悉：連續(xù)時(shí)間信號(hào)的理想抽樣；采樣信號(hào)的頻譜表述。 了解：連續(xù)時(shí)間信號(hào)的實(shí)際抽樣；A/D變換器和D/A變換器；將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。 第二章 離散信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析 （6學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 序列的傅立葉變換的定義及性質(zhì) 本節(jié)應(yīng)掌握：序列的傅立葉變換的定義表達(dá)式；通過傅立葉變換的定義計(jì)算序列的FT。 熟悉：序列的傅立葉變換的定義；序列傅立葉變換的主要性質(zhì)。 了解：序列傅立葉變換的對(duì)稱性。 第二節(jié) 周期序列的離散傅立葉級(jí)數(shù)及傅立葉變換表示式 本節(jié)應(yīng)掌握：周期序列的離散傅立葉級(jí)數(shù)的特點(diǎn)。 熟悉：周期序列的離散傅立葉級(jí)數(shù)的定義；周期序列的傅立葉變換的定義。 了解：周期序列的離散傅立葉級(jí)數(shù)的幅度特性；基本序列的離散傅立葉變換；基本序列的離散傅立葉變換的計(jì)算。 第三節(jié) 時(shí)域離散信號(hào)的傅立葉變換與模擬信號(hào)傅立葉變換之間的關(guān)系 本節(jié)應(yīng)掌握：模擬角頻率和數(shù)字角頻率之間的關(guān)系；時(shí)域離散信號(hào)的傅立葉變換與模擬信號(hào)傅立葉變換之間的關(guān)系。 熟悉：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的傅立葉變換公式。 了解：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的傅立葉變換之間的關(guān)系式。 第四節(jié) 序列的Z變換 本節(jié)應(yīng)掌握：通過Z變換的定義計(jì)算序列的Z變換及收斂域；部分分式展開法的逆z變換；利用Z變換解差分方程的零輸入解和零狀態(tài)解。 熟悉：Z變換的定義；Z變換的收斂域；Z變換的性質(zhì)及定理。 了解：用留數(shù)定理求逆z變換；冪級(jí)數(shù)法的逆z變換；利用Z變換解差分方程的穩(wěn)態(tài)解和瞬態(tài)解。 第五節(jié) 利用Z變換分析信號(hào)和系統(tǒng)的頻域特性 本節(jié)應(yīng)掌握：傳輸函數(shù)與傳遞函數(shù)的表達(dá)式及相互關(guān)系；用系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)分布分析系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性；因果穩(wěn)定系統(tǒng)的極點(diǎn)分布。 熟悉：因果系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)的極點(diǎn)分布。 了解：頻響的幾何表示法。 第三章 離散傅立葉變換（DFT） （12學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 離散傅立葉變換的定義 本節(jié)應(yīng)掌握：利用離散傅立葉變換的定義計(jì)算序列的DFT。 熟悉：離散傅立葉變換的定義；DFT和z變換的關(guān)系。 了解：DFT的隱含周期性。 第二節(jié) 離散傅立葉變換的基本性質(zhì) 本節(jié)應(yīng)掌握：序列的循環(huán)移位；循環(huán)卷積的運(yùn)算。 熟悉：離散傅立葉變換的性質(zhì)。 了解：DFT的共軛對(duì)稱性；復(fù)共軛序列的DFT。 第三節(jié) 頻率域采樣 本節(jié)應(yīng)掌握：頻域采樣定理中無混迭的條件。 熟悉：頻域采樣定理。 了解：頻率域采樣的內(nèi)插公式和內(nèi)插函數(shù)。 第四節(jié) DFT的應(yīng)用舉例 本節(jié)應(yīng)掌握：用DFT計(jì)算線性卷積；利用線性卷積計(jì)算循環(huán)卷積；對(duì)實(shí)信號(hào)進(jìn)行譜分析的計(jì)算。 熟悉：線性卷積與序列長(zhǎng)度的關(guān)系；譜分辨率的概念。 了解：利用DFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析；譜泄漏和譜間干擾。 第四章 快速傅立葉變換（FFT） （6學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 基2FFT算法 本節(jié)應(yīng)掌握：時(shí)域抽取法基2FFT基本原理；時(shí)域抽取法基2FFT的蝶形運(yùn)算符號(hào)；8點(diǎn)時(shí)域抽取法基2FFT的運(yùn)算流圖；序列的倒序計(jì)算；頻域抽取法基2FFT基本原理；頻域抽取法基2FFT的蝶形運(yùn)算符號(hào)；8點(diǎn)頻域抽取法基2FFT的運(yùn)算流圖。 熟悉：直接計(jì)算DFT的計(jì)算量及減少運(yùn)算量的根本途徑；時(shí)域抽取法基2FFT的推導(dǎo)過程；時(shí)域抽取法基2FFT與直接計(jì)算DFT運(yùn)算量比較；原位計(jì)算的概念；序列的倒序；頻域抽取法基2FFT的推導(dǎo)過程。 了解：旋轉(zhuǎn)因子的變化規(guī)律；IDFT的高效算法；IDFT的運(yùn)算流圖。 第五章 時(shí)域離散系統(tǒng)的基本網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與狀態(tài)變量分析法 （6學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 用信號(hào)流圖表示網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 本節(jié)應(yīng)掌握：三種基本運(yùn)算的流圖表示。 熟悉：基本信號(hào)流圖。 了解：由信號(hào)流圖求系統(tǒng)函數(shù)。 第二節(jié) 無限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 本節(jié)應(yīng)掌握：IIR網(wǎng)絡(luò)的直接型結(jié)構(gòu)畫法；IIR網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)畫法；IIR網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)畫法。 熟悉：IIR網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)函數(shù)和差分方程；IIR網(wǎng)絡(luò)的單位脈沖響應(yīng)的特點(diǎn)；IIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 了解：IIR網(wǎng)絡(luò)的直接型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)（優(yōu)、缺點(diǎn)）。 第三節(jié) 有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 本節(jié)應(yīng)掌握：FIR網(wǎng)絡(luò)的直接型結(jié)構(gòu)畫法；FIR網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)畫法。 熟悉：FIR網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)函數(shù)和差分方程；FIR網(wǎng)絡(luò)的單位脈沖響應(yīng)的特點(diǎn)；FIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 了解：FIR網(wǎng)絡(luò)的頻率采樣結(jié)構(gòu)；FIR網(wǎng)絡(luò)的直接型、級(jí)聯(lián)型和頻率采樣結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)（優(yōu)、缺點(diǎn)）。 第六章 無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) （10學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 數(shù)字濾波器的基本概念 本節(jié)應(yīng)掌握：理想低通、高通、帶通、帶阻濾波器幅度特性曲線。 熟悉：數(shù)字濾波器的分類；理想低通、高通、帶通、帶阻濾波器幅度特性；3dB截止頻率的概念；邊界頻率的概念。 了解：數(shù)字濾波器的技術(shù)要求。 第二節(jié) 模擬濾波器的設(shè)計(jì) 本節(jié)應(yīng)掌握：模擬低通濾波器的幅度特性圖。 熟悉：理想低通、高通、帶通、帶阻濾波器幅度特性；模擬低通濾波器的幅度特性。 了解：模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)；低通巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)步驟；模擬濾波器的頻率轉(zhuǎn)換。 第三節(jié) 用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器 本節(jié)應(yīng)掌握：從模擬濾波器轉(zhuǎn)換到數(shù)字濾波器時(shí)，s平面和z平面之間的映射關(guān)系；用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器的步驟。 熟悉：脈沖響應(yīng)不變法的基本原理；從模擬濾波器轉(zhuǎn)換到數(shù)字濾波器時(shí)，s平面和z平面之間的映射關(guān)系；脈沖響應(yīng)不變法的頻率混迭現(xiàn)象。 了解：該方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。 第四節(jié) 用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器 本節(jié)應(yīng)掌握：雙線性變換法的映射關(guān)系；用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器的步驟。 熟悉：雙線性變換法的基本原理；雙線性變換法的映射關(guān)系；雙線性變換法的頻率變換關(guān)系。 了解：該方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。 第五節(jié) 數(shù)字高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì) 本節(jié)應(yīng)了解：設(shè)計(jì)步驟。 第七章 有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) （12學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點(diǎn) 本節(jié)應(yīng)掌握：線性相位的條件；奇、偶對(duì)稱的單位脈沖響應(yīng)的對(duì)稱中心；線性相位FIR濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 熟悉：線性相位的條件；線性相位FIR濾波器零點(diǎn)分布特點(diǎn)。 了解：線性相位條件的證明；線性相位FIR濾波器的幅度特性。 第二節(jié) 利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器 本節(jié)應(yīng)掌握：窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。 熟悉：窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理；吉布斯效應(yīng)；各種窗的特點(diǎn)。 了解：矩形窗對(duì)理想低通幅度特性的影響。 第三節(jié) 利用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器 本節(jié)應(yīng)掌握：頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。 熟悉：頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理；頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器的條件。 了解：頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器的優(yōu)點(diǎn)；頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器的改進(jìn)措施。 第五節(jié) IIR和FIR數(shù)字濾波器的比較 本節(jié)應(yīng)掌握：IIR和FIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)位置。 熟悉：IIR和FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的各自特點(diǎn)。 了解：IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)差別。 第八章 其他類型的數(shù)字濾波器 （2學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 幾種特殊的濾波器 本節(jié)應(yīng)掌握：全通濾波器、梳狀濾波器的幅度特性。 熟悉：全通濾波器、梳狀濾波器、最小相位系統(tǒng)的概念。 了解：全通濾波器、梳狀濾波器、最小相位系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)及零極點(diǎn)的特點(diǎn)。 以上是通信工程專業(yè)的60課時(shí)的安排，對(duì)于信息工程專業(yè)，第四章為5學(xué)時(shí)，第五章為5學(xué)時(shí)，第六章為9學(xué)時(shí)，共56課時(shí)。 四、實(shí)踐教學(xué)要求 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置及學(xué)時(shí)分配 實(shí)驗(yàn)（上機(jī)）學(xué)時(shí) 10 應(yīng)開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù) 5 序號(hào) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 實(shí)驗(yàn)要求 學(xué)時(shí)分配 實(shí)驗(yàn)類型 備注 1 低通采樣定理實(shí)驗(yàn) 必做 2 驗(yàn)證性 2 FFT頻譜分析實(shí)驗(yàn) 必做 2 驗(yàn)證性 3 IIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 必做 2 設(shè)計(jì)性 4 窗函數(shù)法FIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 必做 2 設(shè)計(jì)性 5 頻率采樣法FIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 必做 2 設(shè)計(jì)性 五、建議使用教材及參考書目 教 材：《數(shù)字信號(hào)處理》（第二版），丁玉美 高西全 編著，西安電子科技大學(xué)出版社，2001年。 參考書：1、《數(shù)字信號(hào)處理教程》（第二版），程佩青 編著，清華大學(xué)出版社，2001年。 2、《離散時(shí)間信號(hào)處理》（第二版），A.V.奧本海姆等 編著，劉樹棠等譯，西安交通大學(xué)出版社，2001年。 六、其他說明 在結(jié)束課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)期末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能考核。其主要目的是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握及自己動(dòng)手實(shí)踐的能力，具體考核包括實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)考核和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)考核，考核為單人單桌，采取現(xiàn)場(chǎng)抽題方式。學(xué)生必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成基本知識(shí)的測(cè)試，按要求完成所抽題目的實(shí)驗(yàn)操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論（數(shù)據(jù)），并填寫在試卷上。 制定人： 錢穎 2006 年12 月 23 日 審核人： 年 月 日 批準(zhǔn)人： 年 月 日