数字信号处理
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课程评价
spContent=数字信号处理是电子信息类专业的专业基础课。本课程以信号分解、系统描述为主线,结合计算机、DSP、FPGA等数字系统实现,讲解离散时间信号与系统理论基础、数字滤波器设计与实现、数字频谱分析;制作了图片、知识导图,辅助学习;此外,给出了Matlab/DSP/FPGA等实例,巩固基础理论、提升工程能力。
—— 课程团队
课程概述

本门课程主要讲解数字信号处理的理论、原理与实现方法,是电子信息类专业基础课,学习时需要注意理论联系工程实际。课程以声音信号频谱分析、滤波器设计、性能仿真、硬件实现的工程实例贯穿全程,培养学生系统分析、系统设计、系统实现能力。其先修课程包括:高等数学(数学分析)、线性代数、复变函数、电路分析、信号与系统等。同时是学习后续电子信息类专业课程的基础。

本门课程注重与先修课程“信号与系统”的联系,注重知识点的关联性。对照信号与系统相关内容,分析连续、离散、数字信号的差别与联系,比较数字信号处理和连续信号处理的异同,有助于理解相关知识。从离散时间序列的单位脉冲表示,引出LTI系统的卷积表示。从离散时间序列的复指数表示,引出傅里叶级数、傅里叶变换和Z变换。从LTI系统的特征函数,引出LTI系统的频率响应。从傅里叶变换与Z变换的关系,引出有理系统函数零极点与频率响应之间的关系。从连续与离散、周期与非周期,引出离散傅里叶变换(DFT)。从Z变换与S变换的关系,引出IIR滤波器设计方法。从傅里叶变换性质,引出FIR滤波器设计方法。从差分方程,引出滤波器结构与实现方法。最后给出信号的频谱分析方法等数字信号处理的工程应用。此外,课程梳理了相关知识点之间存在的相关性,可对比课程相关章节。例如:时域采样与频域采样、时域周期与频域周期、DFSDTFTDFT知识点之间存在内在相似性和内在联系,通过对比学习,可提高学习效率。下图给出了课程内容及各章节安排。

课程主要内容及章节安排结构图

本门课程注重实验与实践,以音频信号处理作为实例,采用基于问题导向的实验教学模式,配备信号频谱分析、滤波设计、滤波器实现、课程综合实验等模块化实验例程,包括模拟滤波器、Matlab/FPGA/DSP数字滤波器等。模拟滤波器实例,将电子线路、信号与系统等课程相关内容联系起来,增加知识的连续性。数字滤波器实例,强化“数字信号处理”和“信号与系统”之间的联系与区别。

授课目标
  • 目标1:掌握离散信号的时域、频域特点,信号的脉冲分解、指数分解方法,卷积运算、DTFTDFS,能够将其用于电子工程、通信工程等领域中离散时间信号问题的理解、分析与处理。

  • 目标2:掌握Z变换分析、全通系统、最小相位系统IIRFIR滤波器设计方法,能够将其用于电子工程、通信工程等领域中离散时间系统的设计。

  • 目标3:掌握数字系统流图实现方法、FFT、信号分析,能够针对电子工程、通信工程等领域中的部分应用需求,完成实际工程问题分析、系统设计与实现。

  • 目标4:通过本课程教学,为后续电子信息类专业课程(如通信原理、雷达原理、导航原理、图像处理和医学信号处理等)学习打下良好的基础,培养学生能够基于数字信号处理原理与技术对复杂电子信息工程问题进行研究,包括模型建立、系统设计与实现、实验验证、数据分析,并通过信息综合得到合理有效的结论

课程大纲
预备知识

先修课程:高等数学(数学分析)、线性代数、复变函数、电路分析、信号与系统等。

证书要求
  • 单元测验占10%:客观题型:选择、判断及填空。

  • 单元作业占30%:主观题目以及Matlab的设计题目。

  • 课堂讨论占10%:课堂讨论题目。

  • 期末考试占50%:期末书面考试。

  • 按百分制计分,60分至84分为合格,85分至100分为优秀。

参考资料

王俊, 王祖林, 高飞, 万国龙编著. 数字信号处理. 北京: 高等教育出版社, 2019.

陈后金, 薛健, 胡健, 李艳凤编著数字信号处理(第3版). 北京: 高等教育出版社, 2018.

高西全, 丁玉美编著. 数字信号处理(第4版). 西安: 西安电子科技大学出版社, 2016.

吴镇扬编著. 数字信号处理(第2版). 北京: 高等教育出版社, 2010.

彭启琮, 林静然, 杨鍊, 潘晔编著. 数字信号处理. 北京: 高等教育出版社, 2017.

[] Newbold Richard, 李玉柏, 杨鍊, 武畅译. Practical Applications in Digital Signal Processing. 北京: 机械工业出版社, 2015.

程佩清编著. 数字信号处理教程(第4版). 北京: 清华大学出版社, 2013.

胡广书编著. 数字信号处理——理论、算法与实现(第3版). 北京: 清华大学出版社, 2012.

[] Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, 黄建国, 刘树棠, 张国梅译. 离散时间信号处理(第3版). 北京: 电子工业出版社, 2015.

常见问题

Q :  这门课是干什么的?

A :  数字信号处理是在《信号与系统》基础上,讲授离散信号与系统的基本理论、数字系统的设计实现方法。本课还安排了音频处理实验。一方面学会基本理论,另一方面学会利用Matlab分析信号、设计滤波器、实现滤波器。

Q :  本门课程难吗?

A :  数字信号处理涉及到大量的积分变换,因此大家感觉到比较难。本门课程从变换的物理意义讲起,由浅入深,讲授3大变换,变换的应用,系统的特点,系统的设计与实现等内容。同时制作了大量的图片、知识导图,安排了系列实验,辅助学习。

Q :  数字信号处理和离散信号处理有什么不同?

A :  数字信号是指信号的自变量(一般是时间)和信号值都是离散的,离散数字是指信号的自变量(一般是时间)是离散的。因此,在进行理论分析时都用离散信号,而数字系统只能实现数字信号处理。离散信号的信号值量化后,即为数字信号。也就是说数字信号是带误差的离散信号,该误差就是量化误差。

Q :  数字信号处理一般由什么处理器实现?

A :  DSP是专门设计用来进行数字信号处理的处理器。我们也经常用计算机进行数字信号处理,常用的软件有Matlab。在嵌入式应用场合,大多数使用FPGA、DSP,也有使用ARM处理器进行数字信号处理的。我们在课程实验里,设计了Matlab设计与实现实验,同时也给大家设计了FPGA、DSP实验。