《数字信号处理》课程教学大纲.doc

课程编号15102308《数字信号处理》教学大纲
Digital Signal Processing
一、课程基本信息
课程编号
15102308
适用专业
信息工程
总学时数
54
实验学时
0
课程类别
专业核心课
教 研 室
电子技术教研室
课程学分
3
上机学时
0
课程性质
必修课
编 写 人
梅斌
讲授学时
50
课外学时
0
开课学期
5
编写时间
2006.3
周学时数
3
习题课学时
4
二、本课程的性质、目的和任务
《数字信号处理》课程是信息工程本科专业必修课，它是在学生学完了高等数学、概率论、线性代数、复变函数、信号与系统等课程后，进一步为学习专业知识打基础的课程。本课程将通过讲课、练习使学生建立“数字信号处理”的基本概念，掌握数字信号处理基本分析方法和分析工具，为从事通信、信息或信号处理等方面的研究工作打下基础。
三、教学基本要求
1、通过对本课程的教学，使学生系统地掌握数字信号处理的基本原理和基本分析方法，能建立基本的数字信号处理模型。
2、要求学生学会运用数字信号处理的两个主要工具：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。
3、学生应具有初步的算法分析和运用MATLAB编程的能力。
四、本课程与其他课程的联系与分工
本课程的基础课程为《高等数学》、《概率论》、《线性代数》、《复变函数》、《信号与系统》等课程，同时又为《图像处理与模式识别》等课程的学习打下基础。
五、教学方法与手段
教师讲授和学生自学相结合，讲练结合，采用多媒体教学手段为主，重点难点辅以板书。
六、考核方式与成绩评定办法
本课程采用平时作业、期末考试综合评定的方法。其中平时作业成绩占40%，期末考试成绩占60%。
七、使用教材及参考书目
【使用教材】吴镇扬 编，《数字信号处理》，高等教育出版社，2004年9月第一版。
【参考书目】1、姚天任,江太辉 编，《数字信号处理》（第二版），华中科技大学出版社，2000年版。
2、程佩青 著，《数字信号处理教程》（第二版），清华大学出版社出版，2001年版。
3、丁玉美,高西全编著，《数字信号处理》，西安电子科技大学出版社，2001年版。
4、胡广书 编，《数字信号处理——理论、算法与实现》，清华大学出版社，2004年版。
5、Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer，《Digital Signal Processing》， Prentice-Hall Inc, 1975.
八、课程结构和学时分配
章节
章节名称
讲授学时
习题课学时
课外学时
作业(数量）
备注

绪论
1

0
0
各章作业数量可以视具体情况增减，习题课视作业中存在的问题而各章学时分布可能不同
第一章
离散时间信号与系统
7

0
10
第二章
离散傅里叶变换及其快速算法
12

0
5
第三章
无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器的设计方法
8

0
5
第四章
有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器的设计方法
8

0
5
第五章
数字信号处理系统的实现
12

0
5
第六章
多采样率信号处理
2

0
0

共计
50
4
0
30
九、教学内容
绪论（1学时）
【教学目标】
1. 了解：什么是数字信号处理，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。它的发展概况和发展趋势。
【重点难点】
无
【教学内容】
一、信号与数字信号处理定义. 二、数字信号处理的特点. 三、数字信号处理的应用领域.
第一章 离散时间信号与系统（7学时）
【教学目标】
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，会计算周期性序列的周期、实序列的奇偶部分。
2. 掌握采样及内插，理解频谱混叠现象及其产生原因、奈奎斯特采样频率。
3. 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。
4. 掌握离散时间系统的线性时不变性、因果性和稳定性。
5. 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
典型离散时间信号及其运算，采样及内插，频谱混叠现象，奈奎斯特采样定理，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，离散时间系统的线性、时不变性、因果性和稳定性，离散时间系统的频率响应和系统函数。
2. 难点
采样及内插。
【教学内容】
第一节 离散时间信号
一、几种常用的典型序列. 二、序列的运算.
第二节 采样
第三节 离散时间信号的傅里叶变换（DTFT）与z变换
一、离散时间信号的傅里叶变换（DTFT）. 二、z变换. 三、逆z变换. 四、z变换的性质.
第四节 离散时间系统
一、线性系统. 二、时不变系统. 三、线性时不变系统. 四、系统的稳定性与因果性
第五节 系统的频率响应与系统函数
第二章 离散傅里叶变换及其快速算法（12学时）
【教学目标】
1. 了解离散傅里叶级数及其基本性质，掌握周期卷积，理解离散傅里叶变换的物理意义及特性，掌握离散傅里叶变换、循环卷积。
2. 理解利用DFT做连续信号的频谱分析过程中可能出现的混叠、泄漏、栅栏效应、分辨率等问题及解决方法。
3. 掌握快速傅里叶变换的基本算法，熟练掌握基2FFT。了解Chirp－Z变换的物理意义及算法实现，FFT在二维DFT的应用。
4. 了解FFT应用中的几个问题，掌握互相关函数的定义。
【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，快速傅里叶变换。
2. 难点
离散傅里叶变换的物理意义，快速傅里叶变换。
【教学内容】
第一节 离散傅里叶变换(DFT)
一、离散傅里叶级数(DFS). 二、离散傅里叶变换(DFT).
第二节 利用DFT做连续信号的频谱分析
第三节 快速傅里叶变换(FFT)
一、按时间抽取的FFT. 二、按频率抽取的FFT. 三、N为组合数的FFT和基四FFT.
第四节 关于FFT应用中的几个问题
一、用FFT计算IDFT. 二、实数序列的FFT. 三、线性卷积的FFT算法.
第三章 无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器的设计方法（8学时）
【教学目标】
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。了解脉冲响应不变法，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 根据模拟滤波器来设计IIR滤波器
一、脉冲响应不变法. 二、双线性变换法.
*第二节 常用模拟低通滤波器特性
第三节 从模拟滤波器低通原型到各种数字滤波器的频率变换
一、低通变换. 二、高通变换. 三、带通变换. 四、带阻变换.
第四节 从低通数字滤波器到各种数字滤波器的频率变换
一、数字低通—数字低通. 二、数字低通—数字高通. 三、数字低通—数字带通.
第四章 有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器的设计方法（8学时）
【教学目标】
1. 理解FIR滤波器线性相位的条件及几种情况下的幅度特性，掌握四种线性相位FIR滤波器及它们各适合设计何哪些选频滤波器。
2. 掌握窗口设计法的步骤及各种窗口的性能。
3. 掌握频率采样设计法。
4. 理解两种最优准则，了解FIR滤波器的最优化设计方法。
5. 理解IIR及FIR滤波器的优缺点。
【重点难点】
1. 重点
FIR滤波器线性相位的条件及几种情况下的幅度特性，四种线性相位FIR滤波器，窗口设计法、频率采样设计法，最优准则，IIR及FIR滤波器的优缺点。
2. 难点
窗口设计法、频率采样设计法。
【教学内容】
第一节 线性相位FIR滤波器的特点
一、线性相位的条件. 二、幅度特性. 三、零点特性.
第二节 窗口设计法
第三节 频率采样设计法
第四节 FIR滤波器的最优化设计
一、非线形最优法. 二、插值解法. 三、雷米兹(Remez)交替算法.
第五节 IIR与FIR数字滤波器的比较
第五章 数字信号处理系统的实现（12学时）
【教学目标】
1. 掌握数字系统的信号流图表示法、Mason公式，掌握IIR、FIR数字滤波器的主要结构及其优缺点。
2. 了解数字信号处理系统中二进制数的表示方法，理解量化与量化误差，掌握A/D转换的量化效应及量化噪声通过线性系统。
3. 了解有限字长运算对数字信号处理系统的影响，极限环振荡，数字信号处理硬件。
【重点难点】
1. 重点
数字系统的信号流图表示法、Mason公式，IIR、FIR数字滤波器的主要结构及其优缺点，量化与量化误差，A/D转换的量化效应及量化噪声通过线性系统。
2. 难点
数字系统的信号流图表示法、Mason公式，A/D转换的量化效应及量化噪声通过线性系统。
【教学内容】
第一节 数字滤波器的结构
一、数字网络的信号流图. 二、IIR滤波器的结构. 三、FIR滤波器的结构.
第二节 量化和量化误差

一、二进制数的表示. 二、定点制的量化误差. 三、A/D变化的量化效应.
第三节 有限字长运算对数字信号处理系统的影响
一、IIR滤波器的有限字长效应. 二、FIR滤波器的有限字长效应.
第四节 极限环振荡
一、零输入极限环振荡. 二、大信号极限环振荡.
第五节 系数量化对数字滤波器的影响
一、极点位置灵敏度. 二、利用MATLAB分析系数量化对数字滤波器性能的影响.
第六节 数字信号处理硬件
一、数字信号处理器的发展概况. 二、DSP的特点. 三、TMS320系列数字信号处理器.
第六章 多采样率信号处理（2学时）
【教学目标】
1. 了解采样率转换的基本原理和抽取与内插的FIR结构及过采样技术。
【重点难点】
无
【教学内容】
第一节 采样率降低——整数Ｍ倍抽取
第二节 采样率提高——整数Ｌ倍内插
第三节 抽取与内插的FIR结构
一、抽取的FIR结构. 二、内插的FIR结构.
第四节 过采样（Oversampling）技术
一、过采样A/D转换器和D/A转换器. 二、噪声整形技术.
6