《数字信号处理》教学大纲
课程英文名 | Digital Signal Processing | ||||
课程编号 | 1G10385 | 课程类别 | 核心课程 | 课程性质 | 必修 |
学分 | 3 | 理论+实验 | 2+1 | 总学时数 | 32+16 |
先修课程 | 高等数学 信号与系统 数字电子技术及实践 | ||||
开课学院 | 信息与智能工程学院 | 开课系部 | 电子与物联网系 | ||
面向专业 | 电子信息工程专业 | 开课学期 | 5 | ||
教学团队 | 数字信号处理课程组 | ||||
团队负责人 | 朱仲杰 | 团队成员 | 谢智波、张瑞华、柯博林 | ||
注：课程类别是指基础课程/核心课程/模块课程/素质拓展课程；
课程性质是指必修/限修/选修
一、课程简介
《数字信号处理》课程是工科本科电子与电气信息类专业的必修专业核心课程，开设于第五学期，3学分。本课程以时域离散信号为研究对象，讲授时域离散信号和时域离散信号的定义、频域分析、离散傅里叶变换、快速离散傅里叶变换、时域离散系统的网络结构、无限脉冲响应数字滤波器设计和有限脉冲响应数字滤波器设计。通过本课程的学习，使学生了解信号处理的一般流程和方法，掌握频域分析方法；理解离散傅里变换的物理意义和实现，掌握快速傅里叶变换的原理和实现；理解网络结构的含义和应用，掌握数字滤波器的设计原理与方法，使学生初步具备信号分析的能力。课程培养目标：培养学生学会应用离散傅里叶变换快速算法解决信号分析问题的方法，掌握数字滤波器的设计原理与实现方法，为后续其它课程、毕业设计，以及将来工作奠定坚实的基础。
本课程将德育内容融入教学体系。通过融入学科前沿信息和社会发展需求动态，培养学生的使命感和爱国主义精神。通过实验训练，培养学生理论联系实践能力、工匠精神和职业道德感。通过思政教育的有机融入，使学生在具备专业能力的基础上，树立正确的人生观和价值观，坚定积极健康的理想信念，不忘初心，为祖国科技发展而努力学习。
二、课程目标
通过理论和实践教学活动，达到以下课程目标：
课程目标1：能够认识常用的典型时域离散信号及其性质，熟练应用Z变换、傅里叶变换等工具进行时域离散信号的频谱分析。
课程目标2：能够熟练应用离散傅里叶变换及其快速算法进行系统的频域分析；能够根据频谱信息，分析及重构时域信号。
课程目标3：能够根据具体信号要求提**能指标，进行无限脉冲响应数字滤波器或有限脉冲响应数字滤波器的设计，并选择合适的软、硬件平台进行仿真设计与硬件实现，并分析实现方案的优缺点及局限性。
《数字信号处理及实践》课程目标支撑的毕业要求指标点对应关系如表所示。
表1 课程目标与毕业要求指标点对应关系表
毕业要求 | 指标点 | 课程目标 | ||
1 | 2 | 3 | ||
毕业要求2： 问题分析 | 2.1 能运用数理和工程知识识别与判断电子信息领域复杂工程问题的关键环节。 | 1.0 | ||
毕业要求 4 ： 研究 | 4.1针对电子信息领域复杂工程问题，应用数学、自然科学、工程基础和专业知识，通过文献研究等研究方法，调研并分析其解决方案。 | 1.0 | ||
毕业要求 5 ： 使用现代工具 | 5.3：能够针对电子信息领域复杂工程问题，开发或选择并合理使用现代工具，模拟和预测专业问题，并能够分析其局限性。 | 1.0 | ||
三、 课程教学内容和方法
本课程共64学时，线上自学16学时，课堂学时48学时。采用任务驱动式项目化教学方式，一共4个项目。每个项目分为3-4个子项目。每个项目的第一个子项目为理论内容，由学生线上观看视频自学完成，通过测验检验学习情况。其余子项目线下课堂进行，每次教学4学时，采用线上线下混合方式开展。课前的预习和课后的复习作业报告等也在线上完成。
表2 课程教学项目及任务分解表
项目 | 任务分解 |
项目一 音效处理 | 任务1 时域离散信号和系统 |
任务2 时域离散信号和系统的频谱分析 | |
任务3 离散时间信号与系统实验 | |
任务4 基于差分方程的音效处理实现 | |
项目二 拨号音识别 | 任务5 离散傅里叶变换 |
任务6 快速傅里叶变换 | |
任务7 FFT实现及仿真 | |
任务8 拨号音识别 | |
项目三 噪声消减 | 任务9 IIR滤波器网络结构 |
任务10 IIR滤波器的设计 | |
任务11 IIR滤波器仿真实现与应用 | |
任务12 基于IIR滤波器的噪声消减实现 | |
项目四 图像增强 | 任务13 FIR滤波器网络结构 |
任务14 FIR滤波器的设计 | |
任务15 FIR滤波器仿真实现与应用 | |
任务16 基于FIR滤波器的图像增强实现 |
本课程采用项目式驱动教学，全程在实验室授课，将理论与软件仿真、实验有机结合，通过完成项目任务，学习理论知识，在教学过程中采用合作性教学和研讨型教学方法。在保证重点内容的情况下，部分内容采用自学，通过仿真，培养学生的自主设计能力。教学内容教学要求与课程目标如表3所示。
表3 教学内容教学要求与课程目标关系表
项目名称 | 理论教学内容 | 实验教学内容 | 教学重难点 | 教学要求 | 学时 | 支撑课程目标 |
项目一 音效处理 | 时域离散信号常用序列及其应用；时域离散系统；线性常系数差分方程；模拟信号数字处理方法； 时域离散傅里叶变换的定义及性质；周期序列的傅时叶级数及傅里叶变换表示式；时域离散信号的傅里叶变换与模拟信号傅里叶变换之间的关系；序列的Z变换；利用Z变换分析信号和系统的频响特性； 思政内容：我国与发达国家信息产业发展现状对比。 | 1.时域离散信号的卷积； 2.时域离散系统的零极点图、幅频特性、相频特性等绘制； 3.时域离散系统的稳定性判定； 4.回声、混响等音效实现。 | 1.卷积的计算与物理意义的理解； 2.各种音效背后的理论基础； | 1.能够对常用时域信号及系统进行熟练计算和特性分析； 2.熟练运用MATLAB软件进行常用典型时域离散信号的编程实现； 3.掌握用MATLAB函数实现语音信号的采集、录入； 4.编写回声、混响等效果的程序。 | 线上自学4学时+课内12学时 | 课程目标1 |
项目二 拨号音识别 | 离散傅里叶变换的定义及物理意义；离散傅里叶变换的基本性质；频域采样定理；DFT的应用举例 基2FFT算法；进一步减少运算量的措施； 拨号音识别实验； 思政内容：中兴事件。 | 1.DFT算法实现； 2.FFT算法实现； 3.典型频谱分析应用：简易频分析仪实现、时域信号恢复； 4.基于MATLAB的拨号音识别实现。 | 1.频域采样定理与时域采样定理的对比与理解；频域分辨率的理解与计算； 2.FFT算法的MATLAB实现；FFT算法在频谱分析领域的应用； 3.FT,ZT和FS三者之间的内在联系及各自的应用场合。 | 1.掌握DFT、FFT算法的MATLAB实现，能熟练编写相关程序； 2.掌握并能熟练应用频域分辨率的概念； 3.理解双音多频的实现原理。 | 线上自学4学时+课内12学时 | 课程目标2 |
项目三 噪声消减 | IIR滤波器的网络结构 用信号流图表示网络结构；IIR系统的基本网络结构； 数字滤波器基本概念；模拟滤波器的设计；用脉冲响应不变法设计IIR数字低通滤波器；用线性法设计IIR数字低通滤波器；数字高通、带通和带阻滤波器的设计； 思政内容：华为事件。 | 1.IIR数字滤波器的技术指标实现； 2.MATLAB常用函数实现； 3.IIR数字滤波器的MATLAB编程实现； 4.IIR数字滤波器的应用与性能分析。 | 1.网络结构物理意义的理解；2.各种设计方法的适用场合；数字滤波器的技术指标含义；3.IIR数字滤波器与模拟滤波器之间的关系；技术指标的转换； | 1.熟练运用MATLAB相关的函数； 2.掌握基于MATLAB的IIR数字滤波器实现程序编写； 3.能够结合实际应用背景，提炼滤波器的相关技术指标； 4.掌握噪声消减的理论基础。 | 线上自学4学时+课内12学时 | 课程目标3 |
项目四 图像增强 | 用信号流图表示网络结构；FIR系统的网络结构；FIR系统的线性相位结构；FIR系统的频率采样结构； 思政内容：图像处理主流产品的技术垄断与封锁。 | 1.FIR数字滤波器的技术指标实现； 2.MATLAB常用函数实现； 3.IIR数字滤波器的MATLAB编程实现； 4.FIR数字滤波器的应用与性能分析。 | 1. 线性相位的物理意义； 2. 各种设计方法的适用场合；数字滤波器的技术指标含义；3. IIR数字滤波器与模拟滤波器之间的关系；技术指标的转换； | 1.熟练运用MATLAB相关的函数； 2.掌握基于MATLAB的FIR数字滤波器实现程序编写； 3.能够结合实际应用背景，提炼滤波器的相关技术指标。 | 线上自学4学时+课内12学时 | 课程目标3 |
四、课程考核方式
（一）课程成绩评定办法
课程综合成绩由作业、实验与报告、期末理论考试成绩等综合组成，具体占比见表4。
表4 课程成绩组成与课程目标关系表
成绩组成 | 分值 | 考核/评价说明 | 对应的 课程目标 |
作业 (20%) | 20 | 相关章节会有4题左右的对应教学内容的作业让学生课后完成，督促学生课后复习，检验学生对知识点的掌握。 | 课程目标1 课程目标2 |
实验与报告 (30%) | 30 | 一共四个实验。学生在实验中完成的速度、实现的功能和达到的性能指标，以及其它发现问题解决问题的等能力综合评定。 | 课程目标2课程目标3 |
期末理论 考试 (50%) | 50 | 主要考核学生对课程全部关键知识点的理解和掌握情况。考试组织方式为闭卷笔试。 | 课程目标1课程目标2 |
综合成绩 | 100 | 作业成绩（20%）+实验成绩（30%）+期末理论考试成绩（50%） | 课程目标1课程目标2课程目标3 |
（二）考核方式与课程目标
课程目标达成度评价方式如表5所示。
表5 课程目标达成度评价方式与评价占比表
课程目标 | 考核方式 | ||
作业 | 实验与报告 | 期末考试 | |
课程目标1：熟知常用的典型时域离散信号及其性质，能够熟练运用Z变换、傅里叶变换等工具进行时域离散信号的频谱分析。 | 0.4 | 0.6 | |
课程目标2：能够熟练运用离散傅里叶变换及其快速算法进行系统的频域分析；能够根据频谱信息，分析及恢复时域信号。 | 0.2 | 0.3 | 0.5 |
课程目标3：能够根据具体信号要求提**能指标，进行无限脉冲响应数字滤波器或有限脉冲响应数字滤波器的设计，并选择合适的软、硬件平台进行仿真设计与硬件实现，并分析实现方案的优缺点及局限性。 | 1 | ||
（三）评分标准
本课程的课后作业、随堂测试和期末卷面考试都有参***和评分标准，实验与报告和综合项目汇报评价标准分别如表6、7、8所示。
表7实验与报告评价标准
序号 | 评价内容 | 权重 | 优秀 | 良好 | 中等 | 及格 | 不及格 |
1 | 实验内容 | 0.7 | 方案选择与设计描述详实；数据分析正确；问题分析与结论理论联系实际。 | 方案选择与设计描述较为详实；数据分析较为正确；问题分析与结论理论联系实际。 | 方案选择与设计描述基本详实；数据分析较为正确；问题分析与结论不够深入。 | 方案选择与设计描述欠详实；数据分析基本正确；问题分析与结论不够深入。 | 方案选择与设计描述简单；数据分析存在较多错误。 |
2 | 报告撰写 | 0.3 | 书写顺畅、叙述清楚、逻辑性强，格式规范。 | 叙述清楚、较有逻辑性，格式较规范。 | 存在很少叙述不清楚的地方，格式较规范。 | 存在一些叙述不清楚的地方，格式不够规范。 | 通篇叙述不清楚，格式不规范。 |
表8 综合项目汇报评价标准
序号 | 评价内容 | 权重 | 优秀 | 良好 | 中等 | 及格 | 不及格 |
1 | 方案设计与实现 | 0.8 | 能按照指标要求，设计性价比较高的方案。程序简洁，效果好。对既定指标进行深入分析，有思考与拓展。实验结果正确且效果明显。 | 能按照指标要求，设计性价比较高的方案。程序简洁，效果好。实验结果正确且效果明显。 | 能按照指标要求，设计能够实现的方案。程序简洁，效果较好。实验结果正确。 | 能够基本实现设计指标，在他人的帮助下完成实验内容，实验结果基本正确。 | 设计方案完全错误，或者没有实验结果。 |
2 | 汇报 | 0.2 | PPT精美，讲解清楚，演示效果好。能正确回答所有问题。 | PPT精美，讲解清楚，演示效果较好。能正确回答一半以上问题。 | 有汇报PPT，能进行讲解和演示。能正确回答个别问题。 | 有汇报PPT，能进行讲解和演示。 | 未制作汇报PPT或者不能进行汇报演示。 |
注：优秀：100≥X≥90；良好：90>X≥80；中等：80>X≥70；及格：70>X≥60；不及格： X<60
五、教材与参考书
1.教材：
高西全主编，数字信号处理（第四版），西安电子科技大学出版社，2018年5月。
2.参考书：
（1）陆光华主编，数字信号处理，西安电子科技大学出版社，2005年10月
（2）程佩青主编，数字信号处理，清华大学出版社，2015年8月
六、说明
本课程大纲仅适用于已修读过先修课《高等数学》、《信号与系统》、《数字电子技术及实践》课程的学生，其他学生需自学MATLAB程序设计基础、数字电子技术基础知识，或者选修相关课程。
运用课程大纲实施教学活动时，理论教学应与实践课程紧密结合，使学生在理解信号处理的相关原理的同时，通过实验与设计，产生更深刻的认识。
执笔人：谢智波
审核人：课程组全体教师