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《数字信号处理》教学大纲

  发布日期:2015-03-11  浏览量:503


                       前言

《数字信号处理》是信息与计算科学专业的一门专业选修课程,本课程先容数字信号处理的基本概念、原理与方法讲述利用数值计算方法对信号进行分析变换综合赋值与识别,完成对信号的处理及其数学原理的分析.

设置本课程的目的是使学生对数字信号处理的基本概念、基本分析方法和数学原理进行了解与掌握.对信号频谱与傅立叶变换、离散信号与抽样定理、滤波与褶积、Z变换、有限离散傅立叶变换、线性时不变系统、冲击函数以及希尔伯特变换与实信号的复数表示进行深入了解掌握,并进而为进一步了解数字滤波器的设计原理和实现方法奠定基础.

学习本课程的要求是:通过本课程的学习,掌握数字信号处理的数学原理,培养学生能够从数学角度去分析解决数字信号处理方面的问题,使学生掌握数字信号处理的基本理论和方法,为以后进一步学习和研究奠定良好的基础.

《数字信号处理》是信息与计算科学专业的一门重要的专业选修课程,其先修课程为《复变函数》、 Matlab程序设计》、《概率论与数理统计》.

先修课程要求:数学分析、高等代数、概率论、数值计算

本课程计划总学时72学时,3学分.

选用教材:数字信号处理    程乾生   北京大学出版社2003.11

教学手段:课堂讲授为主,习题课、课外辅导为辅

考核方法:考试

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

教学进程安排表

周次

学时数

 教学主要内容

教学环节

   备注

1

2

第一章  信号频谱和傅氏变换

1.0 什么是信号处理及其发展历史

1.1有限区间上信号的傅氏级数和离散频谱

1.2傅氏变换,信号与频谱

 

讲课

 

1

2

1.2傅氏变换,信号与频谱

1.3傅氏级数与傅氏积分,离散频谱与连续频谱

讲课

 

2

2

第二章  离散信号和抽样定理

2.1 连续信号的离散化,带限信号与奈奎斯特频率

2.2离散信号的频谱和抽样定理

讲课

 

2

2

2.3由离散信号恢复连续信号的问题

2.4抽样与假频,抽样或重抽样的注意事项

 

讲课

 

3

2

第三章 滤波与褶积, 变换

3.1 连续信号的滤波与褶积

3.2 离散信号的滤波与褶积

 

讲课

 

3

2

3.2 离散信号的滤波与褶积

3.3 信号的能谱与能量等式,功率谱与平均功率等式

讲课

 

4

2

3.4 离散信号与频谱的简化表示

3.5离散信号的 变换

讲课

 

4

2

3.5离散信号的 变换

习题选讲

讲课+习题课

 

5

2

第四章  线性时不变滤波器与系统

4.1 线性时不变系统及其时间响应函数

4.2 线性时不变系统的因果性和稳定性

4.3 系统的组合-串联,并联及反馈

讲课

 

5

2

4.4 有理系统及其时间响应函数

4.5 差分方程的单向序列解法

讲课

 

6

2

第五章  冲激函数- 函数

5.1 冲激函数- 函数的定义和频谱

5.2 函数的微商

讲课

 

6

2

5.2 函数的微商

5.3 函数求函数的微商和频谱

讲课

 

7

2

第六章 希尔伯特变换与实信号的复数表示

6.1 实连续信号的复信号表示和希尔伯特变换

6.2 希尔伯特变换的例子

讲课

 

7

2

6.3 连续和离散实信号的包络,瞬时相位和瞬时频率

6.4物理可实现信号的希尔伯特变换

讲课

 

8

2

第七章  有限离散傅氏变换

7.1有限离散傅氏变换,有限离散频谱所引起的假信号

讲课

 

8

2

7.2快速傅氏变换(FFT

讲课

 

9

2

7.3有限离散傅氏变换的循环褶积

讲课

 

9

2

7.4应用快速傅氏变换进行频谱分析

7.5有限离散哈特利变换,余弦变换和广义中值函数

讲课

 

10

2

7.5有限离散哈特利变换,余弦变换和广义中值函数

讲课

 

10

2

第八章  相关分析

8.1相关的基本概念,相关与褶积的关系

8.2相关函数的性质

讲课

 

11

2

期中考查

期中测验

 

11

2

试卷分析

课堂讨论

 

12

2

8.2相关函数的性质

8.3循环相关和普通相关

讲课

 

12

2

8.3循环相关和普通相关

8.4多道相关

讲课

 

13

2

第九章  物理可实现信号,最小相位信号和最小能量延迟信号

9.1物理可实现信号

9.2能量有限的物理可实现信号,纯相位物理可实现信号和全通滤波器

讲课

 

13

2

9.3相位延迟和群延迟的概念,最小相位信号

9.4全通滤波器的能量延迟性质,最小延迟信号

讲课

 

14

2

9.4全通滤波器的能量延迟性质,最小延迟信号

9.5 变换为多项式和有理分式时的最小相位性质

讲课

 

14

2

9.5 变换为多项式和有理分式时的最小相位性质

9.6 最小相位信号和柯氏谱

讲课

 

15

2

第十章  有限长脉冲响应滤波器窗函数

10.1理想滤波器及其存在的问题

10.2时窗函数

讲课

 

15

2

10.2时窗函数

讲课

 

16

2

10.3广义线性相位滤波器,有限长脉冲响应滤波器设计的其他方法

讲课+课堂讨论

 

16

2

第十一章  递归滤波器的设计

11.1递归滤波及其稳定性

讲课

 

17

2

11.2模拟滤波器的设计

11.3数字递归滤波器的设计

讲课

 

17

2

11.3数字递归滤波器的设计                          

讲课

 

18

2

课后习题选讲

习题课

 

18

2

总复习

课堂讨论

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章 信号频谱和傅氏变换

一、学习目的

了解频谱分析是信号分析处理的最基本与重要工具,了解傅里叶级数与傅立叶变换的基本思想及其在频谱分析中的作用,掌握信号分析处理的两个角度:时间域研究信号的特征与频率域研究信号特征.本章计划4学时.

二、课程内容

1.1有限区间上信号的傅氏级数和离散频谱

1问题的提出

2把有限区间上的复杂波分解为简谐波的叠加

3复数形式的傅氏级数和离散频谱

4几点说明

1.2傅氏变换,信号与频谱

1傅里叶变换,信号与频谱

2几类基本信号的频谱

3频谱的基本性质(共轭性质,时移定理,对称定理,频移定理,翻转定理)

1.3 傅氏级数与傅氏积分,离散频谱与连续频谱

1傅氏级数与傅氏积分的关系

2离散频谱与连续频谱(连续谱抽样定理)

三、重点、难点提示和教学手段

频谱分析的数学本质与傅立叶级数及傅立叶变换的关系

四、思考与练习

1.证明时域微分定理:设 的频谱为 ,则 的频谱为

2.证明频域微分定理:设 的频谱为 ,则 所对应的信号为

 

第二章离散信号和抽样定理

一、学习目的

掌握连续信号的离散化与带限信号的抽样定理;了解离散信号的频谱和抽样定理;掌握由离散信号恢复连续信号的方法.本章计划4学时.

二、课程内容

2.1连续信号的离散化,带限信号与奈奎斯特频率

1连续信号的离散化

2带限信号的抽样定理

3实信号的奈奎斯特频率和抽样定理

2.2 离散信号的频谱和抽样定理

1离散信号的频谱

2抽样定理

3重抽样定理

2.3 由离散信号恢复连续信号的问题

由离散信号恢复连续信号的方法(连续化定理)

2.4 抽样与假频,抽样或重抽样的注意事项

三、重点、难点提示和教学手段

重点:连续信号的离散化方法,不同情形下的抽样定理

难点:由离散信号恢复连续信号的方法,重抽样定理

四、思考与练习

1.对某种时间信号,取样间隔分别为 ,按照抽样定理1,则分别要求这种信号的截频 在多少 以外?

2.什么是假频?在抽样中应注意什么问题?

 

 

第三章  滤波与褶积, 变换

一、学习目的

了解滤波目的;

掌握连续信号的滤波与褶积的原理和方法;

掌握离散信号的滤波与褶积的原理和方法,信号的能谱与能量等式,功率谱与平均功率等式;掌握离散信号的 变换.本章计划8学时.

二、课程内容

3.1 连续信号的滤波与褶积

1滤波问题的提出

2连续信号的滤波与褶积

3.2 离散信号的滤波与褶积

1离散信号的滤波与褶积

2褶积的直观意义

3.3 信号的能谱与能量等式,功率谱与平均功率等式

1连续信号的能谱与能量等式

2连续信号的功率谱与平均功率等式

3离散信号的能谱与能量等式

4离散信号的功率谱与平均功率等式

3.4 离散信号与频谱的简化表示

1离散信号与频谱的简化表示

2离散信号褶积的简化表示

3.5 离散信号的 变换

1离散序列的频谱与 变换

2频谱与 变换展开式的唯一性

3离散序列的时移与滤波(时移定理)

三、重点、难点提示和教学手段

滤波与褶积的概念及关系,连续信号与离散信号的滤波与褶积公式,离散序列的频谱与 变换表示.

四、思考与练习

    1.线性滤波与时不变滤波的定义及物理意义

2. 利用能量公式,求

    3.利用本章频谱与 变换展开式的唯一性,求 所对应的时间序列4褶积实验

实验目的:

1)利用褶积的方法观察、分析系统响应的时域特性.

2)验证褶积公式.

实验内容:

1)在用Matlab程序设计前,认真复习褶积内容,阅读本实验原理和方法.

2)进行信号时域卷积 .

 

 

第四章  线性时不变滤波器与系统

一、学习目的

了解线性时不变系统与离散 函数;了解有理系统及其时间响应函数表示方法;了解系统的稳定性以及有理系统和差分方程的表示关系.本章计划4学时.

二、课程内容

4.1 线性时不变系统及其时间响应函数

1系统的一般定义

2线性时不变系统

3离散 函数

4线性时不变系统的时间响应函数

5线性时不变系统的输出信号

4.2 线性时不变系统的因果性和稳定性

1因果性

2稳定性

4.3 系统的组合-串联,并联及反馈

4.4 有理系统及其时间响应函数

     大家研究一类重要的反馈系统或反馈滤波器,它被称之为有理系统或有理滤波器,即系统或滤波器的 变换为有理函数.

1有理系统

2稳定有理系统的时间响应函数

4.5 差分方程的单向序列解法

1有理系统和差分方程

2单向序列和单向序列 变换

3差分方程的单向序列解法

三、重点、难点提示和教学手段

重点:线性时不变系统,有理系统及其时间响应函数表示

难点:线性时不变系统的稳定性条件,差分方程的单向序列解法

四、思考与练习

1.设稳定线性系统的输入 和输出 有如下关系: ,求系统的时间响应函数

2. 差分方程为 ,已知 ,求

 

 

        第五章  冲激函数- 函数

一、学习目的

了解 函数的定义和频谱;了解 函数微商定义;了解 函数微商的频谱;掌握用 函数求函数的微商和频谱方法.本章计划4学时.

二、课程内容

5.1 冲激函数- 函数的定义和频谱

1 函数的定义

2 函数的频谱

3符号信号与单位阶跃信号的频谱

4广义函数

5.2 函数的微商

1 函数微商的定义

2 函数微商的频谱

3 函数微商与普通函数的乘积

5.3 函数求函数的微商和频谱

1单位阶跃函数的微商

2 函数表示间断函数的微商

3 函数求信号的频谱

三、重点、难点提示和教学手段

    函数求信号的频谱方法与表示

 

四、思考与练习

1.计算积分

2.证明:

 

 

第六章  希尔伯特变换与实信号的复数表示

一、学习目的

了解实连续信号的复信号表示,希尔伯特变换的内容与表示;掌握物理可实现信号的希尔伯特变换表示.本章计划4学时.

二、课程内容

6.1 实连续信号的复信号表示和希尔伯特变换

1实连续信号的复信号

2希尔伯特变换

6.2 希尔伯特变换的例子

6.3 连续和离散实信号的包络,瞬时相位和瞬时频率

1一种窄带信号

2实连续信号的包络,瞬时相位,瞬时频率

3实离散信号的希尔伯特变换和实离散信号的包络,瞬时相位,瞬时频率

6.4 物理可实现信号的希尔伯特变换

1物理可实现信号的希尔伯特变换

2物理可实现实信号的希尔伯特变换

3频道实部与虚部的希尔伯特变换

4单位阶跃信号的频谱公式

三、重点、难点提示和教学手段

    频谱为单边时信号的实部与虚部之间的希尔伯特变换问题,信号为单边时频谱的实部与虚部之间的希尔伯特变换问题

四、思考与练习

1.证明:

2.求信号 的希尔伯特变换

 

 

第七章  有限离散傅氏变换

一、学习目的

掌握有限离散傅氏变换的概念与性质;掌握FFT的原理和算法及其应用.章计划10学时.

二、课程内容

7.1有限离散傅氏变换,有限离散频谱所引起的假信号

1有限离散信号及其频谱

2有限离散傅氏变换

3实信号的有限离散傅氏变换性质

4有限离散频谱所引起的假信号问题

7.2快速傅氏变换(FFT

1FFT的原理和算法之一-时域分解FFT算法

2FFT的原理和算法之二-频域分解FFT算法

7.3有限离散傅氏变换的循环褶积

1有限离散傅氏变换的循环褶积-循环褶积定理1

2循环褶积域普通褶积的关系-循环褶积定理2

3利用快速傅氏变换(FFT)计算褶积

7.4应用快速傅氏变换进行频谱分析

1频谱分析的步骤

   1)数据准备

   2)FFT计算频谱

   3)由频谱求振幅谱,相位谱,功率谱

   4)对振幅谱和功率谱进行平滑处理

   5)求振幅谱和功率谱的最大值频率点 和中间值频率点

2频谱分析中参数的选取

7.5有限离散哈特利变换,余弦变换和广义中值函数

1有限离散哈特利变换

2有限离散余弦变换

3广义中值函数

三、重点、难点提示和教学手段

重点:1. 实信号的有限离散傅氏变换性质

2FFT的原理和算法之一-时域分解FFT算法

3FFT的原理和算法之二-频域分解FFT算法

难点:快速傅氏变换(FFT)及其应用

四、思考与练习

1.证明等式:

2.设 是长度为 的复数有限离散信号, 的有限离散频谱. 的有限离散频谱,则

3.周期函数的抽样定理

4.利用FFT进行信号数据加密的方法

5FFT作谱分析实验

实验目的:

  1. 加深对DFT算法原理及基本性质的理解;
  2. 熟悉FFT算法原理及子程序的应用;
  3. 学习FFT对连续信号和时域离散信号作谱分析的方法.了解可能出现的分析误差和原因,以便在实际中正确应用FFT.

实验内容:

  1. 编制基于Matlab语言的信号产生子程序, 产生典型信号供谱分析用
  2. 对给出信号逐个进行谱分析,绘出序列和幅频特性曲线
  3. 进行两个信号和的8点和16点离散傅立叶变换
  4. 对两个实信号组成的复信号进行8点和16点离散傅立叶变换
  5. 设计利用快速傅里叶变换FFT计算线性卷积的程序

实验结果及分析:

a)      实验源程序清单:要求可读性好,必要时须加注释(如变量注释等).

b)      实验结果.

c)      结果分析:结合实验中获得的序列幅频特性曲线,分析所得的图形,说明用FFT作谱分析时有关参数的选择方法.程序未调试出来要分析原因;结果若不正确要分析原因;若结果误差很大要分析误差原因.

 

第八章  相关分析

一 学习目的

了解相关的基本概念,相关与褶积的关系;掌握相关函数的性质;了解FFT在相关函数计算中的应用.本章计划6学时

二 课程内容

8.1相关的基本概念,相关与褶积的关系

1相关系数

2相关函数

3相关与褶积的关系

8.2相关函数的性质

1自相关函数的性质

2互相关函数的性质

3自相关函数性质的进一步讨论

8.3循环相关和普通相关

1循环相关与普通相关

2利用FFT计算相关函数

8.4多道相关

1问题的提出

2多道信号相似性的误差能量

3衡量多道信号相似性的几个标准

   1能量比标准

   2叠加标准

   3未标准化相关系数

   4标准化相关系数

4关于衡量多道相关的各种标准的相互关系及变化范围

5关于对多道信号预先进行规格化问题

三、重点、难点提示和教学手段

    相关与褶积的关系,FFT在相关函数计算中的应用

四、思考与练习

证明施瓦兹不等式(求和型,积分型)

 

第九章  物理可实现信号、最小相位信号

和最小能量延迟信号

一、学习目的

了解物理可实现信号一般概念与性质;了解物理可实现信号的结构与纯相位物理可实现信号 变换和频谱的特点;掌握相位延迟和群延迟的重要概念以及最小相位信号的性质;理解全通滤波器的能量延迟性质与最小延迟信号性质;掌握 变换为多项式和有理分式时的最小相位性质.本章计划8学时

二、课程内容

9.1物理可实现信号

1物理可实现信号及其简单性质

2 变换为有理分式时的物理可实现条件

9.2能量有限的物理可实现信号,纯相位物理可实现信号和全通滤波器

1能量有限的物理可实现信号

2纯相位物理可实现信号 变换和频谱的特点

9.3相位延迟和群延迟的概念,最小相位信号

1相位延迟和群延迟的概念

2全通滤波器的群延迟

3最小相位信号

9.4全通滤波器的能量延迟性质,最小延迟信号

1全通滤波器的能量延迟性质

2最小延迟信号

9.5 变换为多项式和有理分式时的最小相位性质

1 变换为多项式时的最小相位性质

2 变换为有理分式时的最小相位性质

3 变换为多项式时的信号分类

9.6 最小相位信号和柯氏谱

1最小相位信号和柯氏谱

2柯氏谱和最小相位信号的递推关系

3由振幅谱确定最小相位信号

三、重点,难点提示和教学手段

   物理可实现信号的结构与纯相位物理可实现信号 变换和频谱,相位延迟和群延迟的概念, 变换为多项式和有理分式时的最小相位性质

四、思考与练习

1. 用求根的方法指出信号 是最小相位,混合相位还是最大相位:

1)  ;  2) ;   3)

2. 为实最大相位信号 ,则 为最小相位信号,且 的振幅谱 的振幅谱 相等

 

 

第十章  有限长脉冲响应滤波器窗函数

 一、学习目的

了解理想滤波器概念;掌握几种重要的时窗函数;了解广义线性相位滤波器,有限长脉冲响应滤波器设计的其他方法.本章计划6学时

二、课程内容

10.1理想滤波器及其存在的问题

1理想滤波器

2理想滤波器存在的问题

10.2时窗函数

1由截尾所引起的时窗-矩形时窗

2几种时窗函数

  1) 矩形时窗

  2) 三角形时窗

  3) 钟形时窗

  4) 哈宁时窗

  5) 汉明时窗

  6) 帕曾时窗

  7) 截尾丹尼尔时窗

  8) 布拉克曼时窗

  9) 凯苏时窗

3最佳时窗函数

10.3广义线性相位滤波器,有限长脉冲响应滤波器设计的其他方法

1广义线性相位有限长脉冲响应滤波器

2频率抽样法

3误差最大最小优化法

三、重点,难点提示和教学手段

   理想滤波器的意义及其存在的问题,广义线性相位有限长脉冲响应滤波器设计与时窗函数

四、思考与练习

1.什么是吉布斯现象?产生吉布斯现象的原因是什么?

2.利用等式 ,证明: 可以表示为 次多项式

 

第十一章  递归滤波器的设计

一、学习目的

了解递归滤波的定义与其稳定性含义;了解模拟滤波器的设计方法;掌握数字递归滤波器的设计方法.第十一章计划6学时

二、课程内容

11.1递归滤波及其稳定性

1递归滤波

2递归滤波的稳定性

3反向递归滤波

11.2模拟滤波器的设计

1低通模拟滤波器的设计

2高通模拟滤波器的设计

3带通模拟滤波器的设计

4带阻模拟滤波器的设计

5巴特沃斯低通模拟滤波器

11.3数字递归滤波器的设计

1双线性变换

2数字递归滤波器

3简单巴特沃斯数字递归滤波器

4关于递归滤波器设计的说明

三、重点,难点提示和教学手段

    递归滤波稳定性含义,模拟滤波器的频谱转换为数字递归滤波器的Z变换

四、思考与练习

1.已知模拟滤波器的振幅谱平方 ,求出相应的模拟滤波器的频谱

2.模拟滤波器的频谱转换为数字递归滤波器的Z变换表达式

 

 

参考书目

[1]丁玉美等.《数字信号处理》(第二版). 西安电子科技大学出版社,20011

[2]高西全等.《数字信号处理(第二版)学习引导》.西安电子科技大学出版社,200111

[3][]A.V.奥本海姆,R.W.谢弗,J.R.巴克著,刘树棠,黄建国译. 离散时间信号处理(第二版),西安交通大学出版社,20019

[4]  辅助教学工具  MATLAB 6.5

 

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