北京交通大学

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课程概述

信号与系统课程是电子信息类专业本科生必选的学科基础课程。本课程主要讨论确定性信号的时域分析和变换域分析,线性时不变系统的描述与特性,以及信号通过线性时不变系统的时域分析与变换域分析,重点建立信号表示与系统描述的基本概念。简要介绍信号与系统的基本理论在轨道交通、通信系统和生物系统中的应用。

北京交通大学信号与系统MOOC由国家级电工电子教学团队信号处理课程组全体教师精心打造,国家级教学名师陈后金教授主讲。课程包括信号与系统分析导论、信号的时域分析、系统的时域分析、信号的频域分析、系统的频域分析、连续信号与系统的复频域分析、离散信号与系统的复频域分析、系统的状态变量分析八章内容及课程总结,共计93个视频,每个视频约10分钟左右,视频累计约20小时。

北京交通大学信号与系统课程2003被评为首批国家精品课程,2007被评为首批国家双语教学示范课程,2010被评为国家精品网络课程,2012年被评为国家精品资源共享课程。在课程建设中,面向电气信息大类学科规划学科基础课群,体现了“厚理博术、知行相成的教学理念。新的电气信息类学科基础课程体系由“电子电路、电磁场、信号处理”三大课群构成,如图1所示。

1 电气信息类学科基础课程体系

 

根据信号处理课群的特点进行整体优化,重新规划其理论与实验课程的教学体系,如图2所示,其体现了原理、技术和应用的有机结合。

 

2 信号处理课群的体系结构

 

“信号与系统”课程已经开设50多年,一直沿袭最初的“信号变换、系统响应”的教学体系,其难以适应当今信息技术的发展。扬弃了传统的信号与系统课程教学体系,建立了“信号表示、系统描述”的教学体系,其教学内涵更加清晰,如图3所示。

3 信号与系统课程的教学体系


在教学内容更新上,提出知识没有“有用与无用”之分,但有“有用与更加有用”之别。根据课程教学内涵,剖析课程的教学重点与难点:为何介绍基本信号与基本运算?如何诠释信号的卷积与卷积和?如何介绍经典方法时域求解系统响应?为何要引入信号与系统的频域分析?如何介绍三大变换及其性质? 抽样定理的本质内容是什么?为何引入系统的复频域分析?等等。结合学科应用开展案例教学,将信号与系统课程的基本理论应用于生物神经网络、数字集群信道机、主体机车信号识别、音频轨道电路抗干扰、电机励磁系统等分析,拓展学生的视野,激发学生的学习兴趣。


证书要求


课程成绩满分100分,由模块测验成绩、作业成绩和网上讨论成绩三部分组成,各部分比例如下图。完成全部的课程学习,其中60≤成绩<80者获得合格证书,成绩≥80者将获得优秀证书。证书由任课教师签发。


预备知识

微积分、线性代数、电路分析

授课大纲

教学目标:

本课程教学目标是使学生掌握信号与系统的基本原理和基本分析方法,重点掌握信号的表示与系统的描述,理解傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换的基本内容、性质与应用。特别要建立信号与系统的频域分析的概念以及系统函数的概念,为学生进一步学习数字信号处理、通信原理、自控原理等后续课程打下坚实的基础。通过本课程的学习,使学生在分析问题和解决问题的能力上有所提高,并能够自主性学习,具有一定的创造性工作能力

 

教学内容:

第1章 信号与系统分析导论(69分钟)

绪论、信号的定义、信号的分类、系统的定义、系统的分类、信号与系统的应用

第2章 信号的时域分析(111分钟)

信号的时域分析概述、连续时间基本信号、连续时间信号的基本运算、离散时间基本信号、离散时间信号的基本运算、信号的基本分解、信号时域分析的MATLAB实现

第3章 系统的时域分析(181分钟)

线性非时变系统的时域描述、连续时间LTI系统响应的时域分析、连续时间LTI系统的零输入响应、连续时间LTI系统的冲激响应、连续时间LTI系统零状态响应、冲激响应表示的系统特性、离散时间LTI系统响应的时域分析、离散时间LTI系统的零输入响应、离散时间LTI系统的单位脉冲响应、离散时间LTI系统零状态响应、单位脉冲响应表示的系统特性、利用MATLAB分析系统的响应

第4章 信号的频域分析(225分钟)

为何引入信号的频域分析、连续周期信号的频域表示、连续周期信号的频谱、连续傅里叶级数的性质;连续非周期信号的频域表示、典型连续非周期信号的频谱、连续时间傅里叶变换的性质、离散周期信号的频域表示、离散傅里叶级数的性质、离散非周期信号的频域表示、离散时间傅里叶变换的性质、四种信号的时域频域对应关系、连续时间信号时域抽样、信号的频域分析举例、利用MATLAB分析信号频谱

第5章 系统的频域分析(136分钟)

连续时间LTI系统的频域描述、连续LTI系统频率响应的计算方法、连续时间LTI系统响应的频域分析、无失真传输系统、理想模拟滤波器、离散时间LTI系统的频域描述、离散时间LTI系统响应的频域分析、理想数字滤波器、连续时间信号的幅度调制与解调、系统频域分析举例、利用MATLAB进行系统频域分析

第6章连续信号与系统的复频域分析(166分钟)

连续时间信号的复频域表示、常见信号单边拉普拉斯变换、单边拉普拉斯变换的性质、单边拉普拉斯反变换、双边拉普拉斯变换及反变换、连续时间LTI系统的复频域描述、连续时间LTI系统的系统函数与系统特性、连续时间LTI系统的模拟、连续时间LTI系统响应的复频域分析、利用MATLAB进行连续系统的复频域分析

第7章 离散信号与系统的复频域分析(180分钟)

离散信号的z域表示、常见序列单边z变换、单边z变换的性质、单边z反变换、双边z变换及反变换、离散系统的z域描述、系统函数与系统特性、系统响应的z域分析、离散系统的基本联接、离散系统的模拟、回声消除的z域分析、利用MATLAB进行离散系统的z域分析

第8章 系统的状态变量分析(69分钟)

系统状态变量分析法的概念及其普遍形式、连续时间系统状态方程和输出方程的建立、离散时间系统状态方程和输出方程的建立、连续时间系统状态方程和输出方程的求解、离散时间系统状态方程和输出方程的求解

课程总结(34分

 

教学日历:


教学时间教学安排
教学内容视频时长视频总时长
1   9.1-9.71ssch1_1绪论12:301:08:42
ssch1_2信号的定义6:40
ssch1_3信号的分类13:30
ssch1_4系统的定义8:37
ssch1_5_1系统的分类110:13
ssch1_5_2系统的分类29:33
ssch1_6信号与系统的应用7:39
2   9.8-9.142ssch2_0信号的时域分析4:121:50:55
ssch2_1连续时间基本信号(普通信号)6:49
ssch2_2连续时间基本信号(奇异信号)15:41
ssch2_3连续时间信号的基本运算I8:02
ssch2_4连续时间信号的基本运算II9:18
ssch2_5离散时间基本信号9:36
ssch2_6离散时间信号的基本运算9:21
ssch2_7信号的基本分解10:27
ssch2_8信号的时域分析举例14:34
ssch2_9 信号时域分析的MATLAB实现22:55
3   9.15-9.213ssch3_1   线性非时变系统的时域描述12:311:34:10
ssch3_2连续时间LTI系统响应的时域分析14:06
ssch3_3连续时间LTI系统的零输入响应7:02
ssch3_4连续时间LTI系统的冲激响应9:05
ssch3_5 连续时间LTI系统零状态响应22:06
ssch3_6冲激响应表示的系统特性16:12
ssch3_7连续时间LTI系统响应求解举例13:08
4   9.22-9.28ssch3_8离散时间LTI系统响应的时域分析12:491:26:31
ssch3_9离散时间LTI系统的零输入响应4:52
ssch3_10离散时间LTI系统的单位脉冲响应7:04
ssch3_11离散时间LTI系统零状态响应16:46
ssch3_12单位脉冲响应表示的系统特性14:07
ssch3_13离散时间LTI系统响应求解举例12:33
ssch3_14利用MATLAB分析系统的响应18:20
5   9.29-10.5第一模块测验(1-3)  
6  10.6-10.124ssch4_1为何引入信号的频域分析6:291:03:14
ssch4_2连续周期信号的频域表示10:17
ssch4_3连续周期信号的频谱11:23
ssch4_4 连续傅里叶级数的性质14:05
ssch4_5 连续非周期信号的频域表示10:04
ssch4_6 典型连续非周期信号的频谱10:56
7  10.13-10.19ssch4_7 连续时间傅里叶变换的性质(I)10:251:22:06
ssch4_8 连续时间傅里叶变换的性质(II)8:40
ssch4_9 连续时间傅里叶变换的性质(III)6:51
ssch4_10 连续信号频域分析的应用举例6:00
ssch4_11 离散周期信号的频域表示9:20
ssch4_12 离散傅里叶级数的性质12:56
ssch4_13 离散非周期信号的频域表示8:34
ssch4_14 离散时间傅里叶变换的性质12:00
ssch4_15 四种信号的时域频域对应关系7:20
8 10.20-10.26ssch4_16 连续时间信号时域抽样引入14:581:19:47
ssch4_17 连续时间信号时域抽样定理14:34
ssch4_18 连续时间信号抽样工程应用17:19
ssch4_19信号的频域分析举例17:21
ssch4_20利用MATLAB分析信号频谱15:35
9 10.27-11.25ssch5_1连续时间LTI系统的频域描述14:011:23:23
ssch5_2连续LTI系统频率响应的计算方法9:54
ssch5_3连续时间LTI系统响应的频域分析23:43
ssch5_4无失真传输系统8:57
ssch5_5理想模拟滤波器11:48
ssch5_9连续时间信号的幅度调制与解调15:00
10 11.3-11.9ssch5_6离散时间LTI系统的频域描述10:490:52:35
ssch5_7离散时间LTI系统响应的频域分析12:36
ssch5_8理想数字滤波器7:42
ssch5_10系统频域分析举例13:09
ssch5_11利用MATLAB进行系统频域分析8:19
11 11.10-11.16第二模块测验(45)  
12 11.17-11.236ssch6_1连续时间信号的复频域表示10:441:17:22
ssch6_2常见信号单边拉普拉斯变换6:43
ssch6_3单边拉普拉斯变换的性质(I)12:45
ssch6_4单边拉普拉斯变换的性质(II)17:59
ssch6_5单边拉普拉斯反变换14:01
ssch6_6双边拉普拉斯变换及反变换15:10
13 11.24-11.30ssch6_7连续时间LTI系统的复频域描述11:221:28:42
ssch6_8连续时间LTI系统的系统函数与系统特性0:16
ssch6_9连续时间LTI系统的模拟19:51
ssch6_10连续时间LTI系统响应的复频域分析13:34
ssch6_11利用MATLAB进行连续系统的分析19:39
14 12.1-12.77ssch7_1离散信号的z域表示13:201:32:52
ssch7_2常见序列单边z变换10:34
ssch7_3单边z变换的性质(I11:31
ssch7_4单边z变换的性质(II12:17
ssch7_5单边z反变换14:01
ssch7_6双边z变换及反变换20:18
ssch7_7离散系统的z域描述10:51
15 12.8-12.14ssch7_8系统函数与系统特性19:221:26:54
ssch7_9系统响应的z域分析5:48
ssch7_10离散系统的基本联接8:45
ssch7_11离散系统的模拟20:08
ssch7_12 z域分析综合举例9:26
ssch7_13回声消除的z域分析12:45
ssch7_14利用MATLAB进行离散系统的z域分析10:40
16 12.15-12.218ssch8_1系统状态变量分析法的概念及其普遍形式17:212:06:42
ssch8_2连续时间系统状态方程和输出方程的建立  15:30
ssch8_3离散时间系统状态方程和输出方程的建立9:43
ssch8_4连续时间系统状态方程和输出方程的求解13:28
ssch8_5离散时间系统状态方程和输出方程的求解12:33
课程总结34:07
17 12.22-12.28第三模块测验(6-8) 
参考资料


[1] 陈后金,胡健,薛健信号与系统.  高等教育出版社,2007.

[2] 陈后金,胡健等.信号与系统学习指导与习题解答.  高等教育出版社,2008.

[3] 陈后金,郝晓莉等.信号分析与处理实验.  高等教育出版社,2006.

[4] 国家精品课程北京交通大学“信号与系统”网址:http://202.112.146.131/xhyxt/

[5] 国家精品资源共享课程北京交通大学“信号与系统”网址:

http://www.icourses.cn/coursestatic/course_3343.html

[6] 国家精品视频公开课北京交通大学“走近数字技术”网址:

http://www.icourses.cn/viewVCourse.action?courseCode=10004V005

[7] E.W. Kamen, B.S. Heck, Fundamentals of  Signals and Systems Using the Web and MATLAB.Prentice-Hall International, Inc. 2007.

[8] S. Haykin,B. V. Ven. Signals and Systems (2版). John Wiley & Sons,Inc.2003.

[9] A.V.Oppenheim. Signals and Systems 或中译本 (第2版). 西安交通大学出版社.

 


常见问题
  1. 课程是否有先修课要求?
    “信号与系统”课程一般需要微积分、线性代数和电路分析做为先修课的要求,其中微积分的知识要求的比较多一些,包括常系数微分方程的求解,常系数差分方程的概念和求解,函数的微分和积分运算,等等。线性代数和电路分析则需要有一些基本的知识,包括基本的矩阵表示和运算,分立元器件的性质和基本电路知识。但是这些先修课的要求也不是绝对的,象线性代数和电路分析,也可以在课程进行当中遇到相应的知识点时进行补充,当然这就需要花费更多的时间进行学习和消化。

  2. 课程结束后还可以观看教学视频吗?

    为了方便更多的同学能够更加方便地参与到“信号与系统”课程的学习,我们特意将教学视频在课程结束后仍旧开放给已经注册过的学生观看。