2019年《数字信号处理》课程教学大纲

《数字信号处理》课程教学大纲

（10级）

编号：40023600

英文名称：Digital Signal Processing

适用专业：通信工程；电子信息工程

责任教学单位：电子工程系通信工程教研室

总学时：56

学分：3.5

考核形式：考试

课程类别：专业基础课

修读方式：必修

教学目的：数字信号处理是通信工程、电子信息工程专业的一门专业基础课，通过本课程的学习使学生建立数字信号处理的基本概念、掌握数字信号处理的基本理论、基本分析方法和数字滤波器的基本设计方法，具有初步的算法分析和运用MATLAB编程的能力，了解数字信号处理的新方法和新技术。为学习后续专业课程和从事数字信号处理方面的研究工作打下基础。

主要教学内容及要求：

1．绪论

了解数字信号处理的特点，应用领域，发展概况和发展局势。

2．时域离散信号和时域离散系统

了解连续信号、时域离散信号和数字信号的定义和相互关系；掌握序列的表示、典型序列、序列的基本运算；掌握时域离散系统及其性质，掌握时域离散系统的时域分析,掌握采样定理、连续信号与离散信号的频谱关系。

3. 时域离散信号和系统的频域分析

掌握序列的傅里叶变换(FT)及其性质；掌握序列的Z变换(ZT) 、Z变换的主要性质；掌握离散系统的频域分析；了解梳状滤波器，最小相位系统。

4.离散傅里叶变换（DFT）

掌握离散傅里叶变换(DFT)的定义，掌握DFT、ZT、FT、DFS之间的关系；掌握DFT的性质；掌握频域采样；掌握DFT的应用、用DFT计算线性卷积、用DFT分析信号频谱。

5.快速傅里叶变换（FFT）

熟悉DFT的计算问题及改进途经；掌握DIT-FFT算法及其编程思想；掌握IDFT的高效算法。

6.数字滤波网络

了解滤波器结构的基本概念与分类；掌握IIR-DF网络结构（直接型，级联型，并联型）；掌握FIR-DF网络结构（直接型，线性相位型，级联型，频率采样型，快速卷积型）。

7.无限冲激响应（IIR）数字滤波器设计

熟悉滤波的概念、滤波器的分类及模拟和数字滤波器的技术指标；熟悉模拟滤波器的设计；掌握用冲激响应不变法设计IIR数字滤波器；掌握用双线性变换法设计IIR数字滤波器。

8.有限冲激响应（FIR）数字滤波器设计

熟悉线性相位FIR数字滤波器的特点；掌握FIR数字滤波器的窗函数设计法；掌握FIR 数字滤波器的频率抽样设计法；了解FIR数字滤波器的切比雪夫最佳一致逼近设计法。

本课程与其他课程的联系与分工：先修课程：信号与系统，复变函数与积分变换，数字电路；后续课程有：DSP原理及应用，语音信号处理，数字图像处理等。

学时分配表：

序号章节及名称

学时分配

学时备注讲课实验上机

1 绪论

2 2

2 第1章时域离散信号和时域离散系统 4 4

3 第2章时域离散信号和系统的频域分析8 2 10

4 第3章离散傅立叶变换（DFT）及其应用8 8

5 第4章快速傅立叶变换４ 4 8

6 第5章数字滤波网络 4 4

7 第6章 IIR数字滤波器设计8 ２10

8 第7章FIR数字滤波器设计 6 2 8

9 习题及复习 2 2

合计46 10 56

实验和上机要求：

第１次实验（2学时）

实验的名称：系统响应及系统稳定性

实验的目的：

1.掌握求系统响应的方法。

2.掌握时域离散系统的时域特性。

3.分析、观察及检验系统的稳定性。

实验的内容和要求：

1．给定系统差分方程及输入信号，求系统响应及单位脉冲响应。

2．给定系统单位脉冲响应及输入信号，求系统响应。

3．给定一谐振器的差分方程，用实验方法检查系统是否稳定。

要求画出相应输出波形，对各实验所得结果进行分析和解释。

使用的设备和仪器：计算机、Matlab软件

第2次实验（2学时）

实验的名称：时域采样与频域采样

实验的目的：时域采样理论与频域采样理论是数字信号处理中的重要理论。要求掌握模拟信号采样前后频谱的变化，以及如何选择采样频率才能使采样后的信号不丢失信息；要求掌握频率域采样会引起时域周期化的概念，以及频率域采样定理及其对频域采样点数选择的指导作用。

实验的内容和要求：

1．时域采样理论的验证。

2．频域采样理论的验证。

要求打印显示相关的图形，分析比较实验结果，简述由实验得到的主要结论。

使用的设备和仪器：计算机、Matlab软件

第3次实验（2学时）

实验的名称：用FFT对信号作频谱分析

实验的目的：学习用FFT对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便正确应用FFT。

实验的内容和要求：

1．产生典型序列供谱分析用。

2．对周期序列进行谱分析。

要求选择FFT的变换区间N为8和16 两种情况进行频谱分析，分别打印其幅频特性曲线，并进行对比、分析和讨论。

3．对模拟周期信号进行谱分析。要求选定采样频率，变换区间N=16,32,64 三种情况进行谱分析，分别打印其幅频特性，并进行分析和讨论。

使用的设备和仪器：计算机、Matlab软件

第4次实验（2学时）

实验的名称：IIR数字滤波器设计及软件实现

实验的目的：

1．熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法。

2．学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数设计各种IIR数字滤波器，学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。

3．掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。

4．通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。

实验的内容和要求：

1．产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号，要求绘图显示信号的时域波形和幅频特性曲线。

2．分别确定可以分离三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率。要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为60dB。分别设计这三个滤波器，并绘图显示其幅频响应特性曲线。

3．用三个滤波器分别对复号信号进行滤波，分离出三路不同载波频率的调幅信号，并绘图显示三路调幅信号的时域波形，观察分离效果。

使用的设备和仪器：计算机、Matlab软件

第5次实验（2学时）

实验的名称：FIR数字滤波器设计与软件实现

实验的目的：

1．掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法。

2．掌握FIR滤波器的快速卷积实现原理。

3．学会调用MATLAB函数设计与实现FIR滤波器。

实验的内容和要求：

1．产生具有加性噪声的调幅信号，并显示其时域波形及其频谱。

2．请设计低通滤波器，从高频噪声中提取单频调幅信号，要求信号幅频失真小于0.1dB，将噪声频谱衰减60dB。先观察具有加性噪声的调幅信号的频谱，确定滤波器指标参数。

3．根据滤波器指标选择合适的窗函数，计算窗函数的长度N，设计一个FIR低通滤波器。实现滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形