一、课程简介

当今人类正进入信息时代，而数字化是信息时代发展的方向。因此，数字信号处理技术已成为每一个信息科学工作者必须掌握的重要知识。数字信号处理课程已成为国内外大学通信、航天、地震、天文、声学、生物医学工程、影像技术、机械工程等专业本科生与研究生的必修专业课程。它采用计算机和专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、估计与识别等加工处理，以达到提取信息便于使用的目的。

数字信号处理的处理对象是数字信号，数字信号是幅度和时间都离散的信号。它是在离散时间信号的基础上处理信息。它的常用数学工具是Z变换，其内容包括离散付里叶变换及其快速算法、数字滤波器的原理和设计方法、功率谱估计的经典方法。

本课程的目的是：通过学习，要求掌握数字信号处理的基础理论（包括离散信号和系统的描述方法、差分方程、时域分析、频域分析等），熟练掌握数字滤波器的基本理论和设计方法（包括IIR数字滤波器、FIR滤波器的基本理论和设计方法），初步掌握数字信号处理的技术实现（包括软、硬件实现方法）。

通过本课程的教学，应使学生掌握数字信号处理的基本概念、基本方法和发展趋势，并培养学生能够从数学概念、物理概念及工程概念去分析问题和解决问题。

本课程性质是专业基础课，在第四学期开设。总学时数66学时，其中理论48学时，实验18学时，学分3.0。

二、课程目标

（一）基本理论知识

1.离散时间信号和系统的基本概念，以及分析信号和系统的基本数学工具。

2.信号的离散叶变换（DFT）和DFT的快速算法（FFT），以及FFT在实现快速线性卷积的应用和FFT的实现方法。

3.无限长单位冲激响应（IIR）数字滤波器和有限长单位冲激响应（FIR）数字滤波器的设计方法。

4.设计滤波器需考虑的量化误差和所带来的有限字效应。

5.数字信号处理的应用实例。

（二）基本技能

初步掌握本课程的基本理论和基本方法：掌握离散时间信号和离散时间系统的分析方法、离散傅立叶变换及其快速算法、熟练掌握数字滤波器的原理和设计方法、了解离散时间随机信号和功率谱估计的经典方法。

（三）基本素质

在教学过程中，促成学生思想品德、良好心理素质的形成。在宏观上，引导学生对课程内容的总体把握，使学生能够触类旁通；在微观上，应启发学生能够从数学概念、物理概念及工程概念去分析问题，解决问题。

三、学时分配

四、理论教学目标与内容

第一单元 绪论

目标

1.掌握 数字信号处理的特点。

2.熟悉 与传统的模拟技术相比存在哪些特点以及数字信号处理的应用领域。

3.了解 数字信号处理的发展概况和发展趋势。

内容

1.重点阐述 数字信号处理学科概貌。

2.详细了解 数字信号处理的主要应用。

第二单元 离散时间信号与离散时间系统

目标

1.掌握 离散时间信号的运算、时域抽样定理、卷积和运算。

2.熟悉 频谱的周期延拓、离散时间LTI系统的性质。

3.了解 信号的内插恢复、欠抽样与频谱抽样定理。

内容

1.重点阐述 ①离散时间信号的数字序列；②离散时间系统。

2.详细了解 ①离散时间信号和系统的频域描述；②信号取样；③离散时间LTI系统的性质和时域分析。

第三单元 离散傅立叶变换及其快速算法

目标

1.掌握 离散傅立叶级数、按时间和频率抽取得FFT算法。

2.熟悉 傅立叶级数系数、DFT的主要性质和运算特性、系统的频率响应。

3.了解 DFT与频域抽样的关系。

内容

1.重点阐述 离散傅立叶级数及性质。

2.详细了解 ①利用循环卷积计算线性卷积；②频率取样；③圆周卷积。

3.一般介绍快速傅立叶变换及其应用。

第四单元 滤波器的基本结构

目标

1.掌握 ①无限单位冲激响应（IIR）滤波器的基本结构；②有限单位冲激响应（FIR）滤波器的基本结构。

2.熟悉 几种特殊滤波器及简单一、二阶数字滤波器的设计。

3.了解 不同结构之间的转换。

内容

1.重点阐述 无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器以及有限单位冲激响应（FIR）滤波器的基本网络结构。

2.详细了解 ①数字滤波器的基本概念；②几种特殊滤波器的设计方法。

3.一般介绍 数字滤波器的格型结构。

第五单元 无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器的设计方法

目标

1.掌握 ①利用模拟滤波器的理论来设计数字滤波器；②脉冲响应不变法、双线形变换法。

2.熟悉 原型变换。

3.了解 用最优化技术设计参数、Z平面变换法。

内容

1.重点阐述 无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器的基本网络结构。

2.详细了解 ①IIR数字滤波器的设计方法；②IIR数字滤波器的频率变换。

第六单元 有限长单位脉冲(FIR)滤波器的设计方法

目标

1.掌握 线性相位FIR滤波器的特点。

2.熟悉 频率采样法。

3.了解 窗口法、过渡带采样的计算机辅助最优设计法。

内容

1.重点阐述 有限单位冲激响应（FIR）数字滤波器的基本网络结构。

2.详细了解 ①FIR数字滤波器的设计方法；②FIR数字滤波器的特点。

3.一般介绍FIR数字滤波器与IIR数字滤波器的比较。

五、实验教学目标与内容

实验一 离散信号和系统分析的MATLAB实现

目标

1.熟悉应用MATLAB产生离散信号的方法和MATLAB求解离散系统响应的方法。

3.了解滑动平均系统处理噪声干扰的方法。

4.掌握MATLAB中产生随机序列以及差分方程的零状态响应的函数。

内容

1.利用MATLAB产生正弦信号，画出波形。

2.应用MATLAB求解离散系统响应的方法。

实验二  离散傅里叶变换及谱分析

目标

1．了解补零序列的离散傅立叶变换。

2．了解高密度谱和高分辨率谱之间的区别。

内容

1．实现补零序列的离散傅立叶变换；

2．编程实现高密度谱和高分辨率谱，了解两者之间的区别；

3．实现语音信号简单处理。

实验三 IIR数字滤波器的设计（冲激响应不变法）

目标

1．熟悉 由模拟滤波器转换为IIR数字滤波器的原理与方法。

2．掌握IIR数字滤波器的计算机仿真方法。

内容

1．用冲激响应不变法设计巴特沃斯数字滤波器。

2．比较并分析变换前的模拟滤波器与变换后的数字滤波器的频率特性的区别。

实验四 IIR滤波器设计（双线性变换法）

目标

1. 掌握用双线性变换法设计原型低通为切比雪夫I型的数字IIR低通滤波器的原

理和设计方法。

2．掌握求解滤波器的Z变换的方法。

3．掌握利用MATLAB画出幅频特性图的方法。

4．掌握验证滤波器的方法。

内容

1. 用双线性变换法设计原型低通为切比雪夫I型的数字IIR低通滤波器。

2. 对设计的滤波器进行频谱分析。

实验五 FIR线性相位数字滤波器的四种类型

目标

1. 掌握FIR数字滤波器四种类型的线性相位特性、幅度函数的特点、零点分布。

2. 利用Matlab编写程序求解四种类型FIR滤波器的振幅响应、系数、频率响应、零点分布。

内容

利用Matlab编写程序求解四种类型FIR滤波器的振幅响应、系数、频率响应、零点分布。

实验六 窗函数法设计FIR数字滤波器

目标

1. 掌握用窗函数法和频率抽样法设计FIR数字滤波器的原理和方法。

2. 熟悉线性相位FIR滤波器特性。

内容

编写利用窗函数法设计FIR数字低通滤波器的程序。利用Matlab显示理想滤波器的脉冲响应、窗函数、实际滤波器的脉冲响应和数字滤波器幅度响应。

六、措施与评价

（一）措施

1.以教学目标的要求和教学大纲来指导教学的各个环节（包括备课、授课、实验、考试等）,教师应根据教学目标的要求进行教学活动。

2.适当组织课堂讨论,逐步开展专题讲座,充分应用投影仪、幻灯机、计算机辅助教学(CAI)等电化教学手段,以利于开拓学生的视野，激发学生的学习兴趣。

3.加强课外辅导,指定参考资料,注意培养同学的自学能力、独立思考和独立解决问题的能力及科学思维能力。

4.定期召开学生座谈会,师生交流教学信息,根据反馈情况,进一步改进教学工作,努力提高教学质量。

（二）评价

1.授课质量评价按“教师教学质量评价表”，由督导组、同行、学生和教研室予以评定。

2.学生成绩评价依据教学大纲和理论课考试权值分配进行期末理论考试。本课程考试用百分制计算，成绩达到60分以上者为合格。注重考察学生的综合能力和素质，根据做作业、上课提问、课堂讨论、实验（特别是综合性创新设计实验）等情况和期末考试相结合，综合确定。具体考试及计分方法如下：

能力和素质（40%）：根据作业、实验（特别是综合性创新设计实验）、考勤、上课提问、课堂讨论、期中考试等形成性评价内容而定。

期末考试（60%）：闭卷或笔试。以教师讲授的内容为主要考试内容范围，辅之以教材和主要参考书中的内容。

编写 张业宏

审校 李明彩