数字信号处理课程设计

数字信号处理课程设计杭州电子科技大学

主讲教师：赵巨峰

教师团队：共9位

刘顺兰
崔光茫
周前
代喜望
张钰
张辉朝
石振
梁尚清
王琳

《数字信号处理课程设计》是电子信息工程、电子信息科学与技术等专业的必修课程，学生根据课程设计要求，能够利用专业知识，根据设计指标，确定数字信号系统的设计方案；能够基于专业理论，针对不同系统，选择研究路线，设计可行的研究方案；通过MATLAB语言编程，完成实验，并能对实验数据进行分析，整理实验结果并对实验结果进行分析和解释，得到合理有效地结论。从而培养学生在确知信号方面的分析方法与处理技能，让学生能够应用FFT计算线性卷积和频谱分析，具有设计和实现FIR和IIR滤波器的基本能力，为日后分析数字系统和探索解决实际数字系统中存在的问题打下基础。

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学时：1<br/>学分：16<br/>

课程章节教学资源教学大纲授课计划

《数字信号处理课程设计》教学大纲

课程英文名	Course Design for Digital Signal Processing
课程代码	S0400940	课程类别	课程设计类实践环节	课程性质	必修
学分	1		总学时数	16
开课学院	电子信息学院		开课基层教学组织	信号系统与信号处理课程组
面向专业	电子信息工程、电子信息科学与技术		开课学期	4

注：课程类别是指独立设置实验课程实践环节/课程设计类实践环节/实习类课程实践环节；课程性质是指必修/选修。

一、课程目标

课程目标⑴：能够运用离散时间信号与系统、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换等专业知识模拟复杂工程问题中，能够设计实验方案，开展实验，能够根据实验方案建立仿真实验系统，采集获取实验数据。

课程目标⑵：通过MATLAB语言编程，上机调试程序，掌握仿真信号处理、各类滤波器设计、信号过滤，通过仿真实验结果分析、验证数字信号处理相关问题，实现对电子信息工程复杂工程问题进行分析、计算与设计。

二、课程思政

通过对我国数字信号处理相关发展的现状的分析和解读，帮助学生树立正确的科学技术发展观念；结合MATLAB仿真实现数字信号处理，培养学生为建设中国特色社会主义科技强国而奋斗的信心，以及学以致用的进取心。

三、课程目标与毕业要求对应关系

《数字信号处理课程设计》支撑毕业要求（4）的指标点4-3，毕业要求（5）的指标点5-2，课程目标与相关毕业要求及其指标点的对应关系如表1所示。

表1 课程目标与毕业要求对应关系 

毕业要求	指标点	课程目标
（4）能够基于科学原理并采用科学方法对电子信息领域复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论（研究）	4-3 能够根据实验方案建立实验系统，安全地进行实验，科学地采集实验数据；	（1）
（4）使用现代工具：能够针对电子信息领域复杂工程问题，选择与使用恰当的PCB加工工艺或芯片流片工艺，开发与使用各种电子测试相关仪器设备，包括信号发生器、示波器、数字万用表、电源、频谱分析仪等，选择与使用各种仿真软件，如pspice、multisim等，包括对电子信息领域复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性（使用现代工具）	5-2能够选择与使用恰当的电子信息工程专业领域相关测试仪器，以及仿真软件和仿真平台等现代工具，对电子信息工程复杂工程问题进行分析、计算与设计；	（2）

四、项目及学时分配

《数字信号处理课程设计》通过开展验证性实验、设计性实验和综合性实验，要求学生能够运用MATLAB程序设计语言的编程方法，实现信号的频谱分析、滤波器的设计和实现、卷积的计算等。

课程项目及学时分配如表2所示。课程目标与教学内容、教学方法的对应关系如表4所示。

表2项目及学时分配

序号	项目名称	学时数			项目类别	项目类型	要求	每组人数
序号	项目名称	理论学时	实践学时	课外学时	项目类别	项目类型	要求	每组人数
1	线性卷积与圆周卷积的计算		3		专业	验证性	必做	1
2	利用快速离散傅里叶变换分析信号的频谱		2		专业	设计研究	必做	1
3	利用FFT实现线性卷积		1		专业	设计研究	必做	1
4	用双线性变换法设计IIR滤波器		3		专业	设计研究	必做	1
5	用窗口法设计FIR滤波器		3		专业	设计研究	必做	1
6	用频率采样法设计FIR数字滤波器			3	专业	设计研究	选做	1
7	IIR和FIR滤波器过滤信号的实现及比较：以心电信号为例		4		专业	综合性	必做	1

填表说明：

（1）“项目类别”项请填写：①基础；②专业；③专业基础；

（2）“项目类型”项请填写：① 验证性；② 综合性；③ 设计研究；④其他；

（3）“要求”项请填写：①必做；②选做；

五、教学内容与教学方法

《数字信号处理课程设计》课程教学内容、教学方法的对应关系如表3所示。

表3 课程目标与教学内容、教学方法的对应关系

序号	项目名称	教学内容	教学方法
序号	项目名称	教学内容	教学方法
1	线性卷积与圆周卷积的计算	介绍我国数字信号处理与实验、相关研究的发展现状。已知两个有限长序列x(n)和h(n), 编制一个计算两个序列线性卷积和圆周卷积的通用程序，上机调试并打印或记录实验结果。	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。
2	利用快速离散傅里叶变换分析信号的频谱	用软件实现FFT及应用FFT进行各种复杂信号的频谱分析，通过实验对离散傅里叶变换的主要性质及FFT在数字信号处理中的重要作用有进一步的了解。思考：利用DFT对连续信号进行傅里叶分析可能造成哪些误差？	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。
3	利用FFT实现线性卷积	给定一个FIR数字滤波器的单位脉冲响应，对任意一个有限长输入序列，编制一个应用FFT实现数字滤波器的通用程序，上机独立调试，并打印或记录实验结果。	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。
4	用双线性变换法设计IIR滤波器	根据滤波器的通带和阻带频率及通带和阻带的衰减，用双线性变换法设计Batterworth低通（或高通、带通、带阻）IIR数字滤波器H(z)，画出频率响应幅度特性曲线。	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。
5	用窗口法设计FIR滤波器	根据滤波器的通带和阻带频率及通带和阻带的衰减（或根据滤波器的截止频率和滤波器长度），用窗函数法设计一个FIR线性相应相位低通（或高通、带通、带阻）数字滤波器。编写调试程序，要求在幕幕上显示出单位脉冲响应h(n)的数值，画出其频率响应幅度曲线。思考与介绍：窗函数对滤波器性能的影响，介绍涉及的具体应用层面。	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。
6	用频率采样法设计FIR数字滤波器	根据滤波器的通带和阻带频率及通带和阻带的衰减（或根据滤波器的截止频率和滤波器长度），用频率采样法设计一个FIR滤波器。编写调试程序，要求在幕幕上显示出单位脉冲响应h(n)的数值，画出其频率响应幅度曲线。实验时，设置0个过渡点，一个过渡点和二个过渡点，比较设计所得的频率响应幅度曲线。实验后，对结果作出解释，写好实验报告。	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。
7	IIR和FIR滤波器设计及过滤信号的实现及比较：以心电信号为例	主要探究心电信号的初步分析及滤波器的应用。心电信号（频率一般在0.05Hz ～100Hz范围）是一种基本的人体生理信号，体表检测人体心电信号中常带有工频干扰（50HZ）、基线漂移（频率低于0.5Hz）和肌电干扰等各种噪声，为了得到不失真的原始心电信号，需要滤波预处理。用MATLAB软件对含噪心电信号进行采样、高通、带阻和低通滤波等的处理。将心电信号中的低频基线漂移、50Hz工频高频和高频杂波进行滤除。 1、设计一个高通滤波器滤除心电信号中的基线低频干扰，对滤波前后的心电信号的频谱进行分析比较。 2、设计一个带阻滤波器（50Hz陷波器）滤除心电信号中的电源线干扰，对滤波前后的心电信号的频谱进行分析比较。 3、设计一个低通滤波器滤除心电信号中的高频信号干扰，对滤波前后的心电信号的频谱进行分析比较。在通用计算机上编写调试程序，完成实验。	实验前的实验内容预习及程序预编写；实验中的教师指导、提问、讲解、成果验收等。实验后撰写实验报告。

六、与其它课程的联系

先修课程：信号与系统、数字逻辑电路，数字信号处理。

后续课程：信号检测与处理（5）、数字图像处理（5）、通信原理（5）、数字通信技术（6）

七、课程目标达成途径

课程目标达成途径如表4所示。

表4 课程目标与达成途径

课程目标

达成途径

（1）

以引导式、启发式和研讨式教学方法为主，分组组织学生开展程序设计语言的自主学习和实验1的预习和预编程，实验时学生编程调试，教师对疑难问题的指导、重点/难点内容讲解、学生运行程序，回答关键问题的提问、直至完成成果验收。使得学生能够设计实验方案，开展实验，能够根据实验方案建立仿真实验系统，采集获取实验数据。

（2）

以引导式、启发式、研讨式、批判式与总结式教学方法为主，模拟复杂工程中的数字信号处理问题，面向具体任务分组组织学生开展自主学习，通过学生上机调试程序，掌握仿真信号处理、各类滤波器设计、信号过滤，通过仿真实验结果分析、验证数字信号处理相关问题，实现对电子信息工程复杂工程问题进行分析、计算与设计。

八、考核与评价方式及标准

1.考核与评价方式及成绩评定

该课程为考查课程，考查方式为实验结果演示与报告及验收答辩。该课程采用形成性评价与终结性评价相结合的评价方法，学期总评成绩由三部分构成：平时成绩占40%；实验验收成绩占40%，实验考试成绩占20%。各部分的具体评价环节、关联课程目标、评价依据及方法和在总成绩中的占比，如表5所示。若有教改班，成绩评定及教学大纲另行制定。

表5 课程目标达成考核与评价方式及成绩评定

课程目标	支撑毕业要求	考核与评价方式及成绩比例（%）			成绩比例(%)
课程目标	支撑毕业要求	平时成绩（实验1；2,3；4；5；7）	实验验收成绩（实验1；2,3；4；5；7）	实验考试成绩	成绩比例(%)
课程目标1	支撑毕业要求4-3	20	20	10	50
课程目标2	支撑毕业要求5-2	20	20	10	50
合计		40	40	20	100

注：该表格中比例为课程整体成绩比例。

平时成绩包含5次实验（实验1；2,3；4；5；7），每次分数均为8分。主要观察实践进度与规范、交互情况，根据学生课前预习及准备情况、上机过程中的表现，抽查，实验报告规范性、质量评分，共计40分。

实验验收成绩包含5次实验（实验1；2,3；4；5；7），每次分数均为8分。根据实验结果演示及验收答辩情况，根据实验设计方案、程序运行结果正确与否，回答问题情况等，验收评分，共计40分。

实验考试成绩基于考试验收与考试报告质量，根据考试情况，考试总结报告的规范性、各部分内容质量等评分，共计20分。

总评成绩 = 平时成绩（40%）+实验验收成绩（40%）+实验考试成绩（20%）。

2. 考核与评价标准

表6 课程平时成绩与实验验收成绩评价标准

实验项目	基本要求	评价标准				成绩比例（%）
实验项目	基本要求	90-100	70-89	60-69	0-59	平时成绩	实验验收成绩
实验1	编制一个计算两个序列线性卷积和圆周卷积的通用程序并实现	能够正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够正确通过MATLAB语言编程与程序调试，正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，正确实现进行分析、计算与设计。	能够较正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够较正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够较正确通过MATLAB语言编程与程序调试，较正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，较正确实现进行分析、计算与设计。	能够基本正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够基本正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够基本正确通过MATLAB语言编程与程序调试，基本正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，基本正确实现进行分析、计算与设计。	不能正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，不能正确设计实验与仿真、采集获取数据；不能正确通过MATLAB语言编程与程序调试，不能正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，不能正确实现进行分析、计算与设计。	8	8
实验2、3	利用快速离散傅里叶变换分析信号的频谱，利用FFT实现线性卷积。	能够正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够正确通过MATLAB语言编程与程序调试，正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，正确实现进行分析、计算与设计。	能够较正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够较正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够较正确通过MATLAB语言编程与程序调试，较正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，较正确实现进行分析、计算与设计。	能够基本正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够基本正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够基本正确通过MATLAB语言编程与程序调试，基本正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，基本正确实现进行分析、计算与设计。	不能正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，不能正确设计实验与仿真、采集获取数据；不能正确通过MATLAB语言编程与程序调试，不能正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，不能正确实现进行分析、计算与设计。	8	8
实验4	用双线性变换法设计IIR滤波器	能够正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够正确通过MATLAB语言编程与程序调试，正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，正确实现进行分析、计算与设计。	能够较正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够较正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够较正确通过MATLAB语言编程与程序调试，较正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，较正确实现进行分析、计算与设计。	能够基本正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够基本正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够基本正确通过MATLAB语言编程与程序调试，基本正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，基本正确实现进行分析、计算与设计。	不能正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，不能正确设计实验与仿真、采集获取数据；不能正确通过MATLAB语言编程与程序调试，不能正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，不能正确实现进行分析、计算与设计。	8	8
实验5	用窗口法设计FIR滤波器	能够正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够正确通过MATLAB语言编程与程序调试，正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，正确实现进行分析、计算与设计。	能够较正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够较正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够较正确通过MATLAB语言编程与程序调试，较正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，较正确实现进行分析、计算与设计。	能够基本正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够基本正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够基本正确通过MATLAB语言编程与程序调试，基本正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，基本正确实现进行分析、计算与设计。	不能正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，不能正确设计实验与仿真、采集获取数据；不能正确通过MATLAB语言编程与程序调试，不能正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，不能正确实现进行分析、计算与设计。	8	8
实验7	IIR和FIR滤波器设计及过滤信号的实现及比较：以心电信号为例	能够正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够正确通过MATLAB语言编程与程序调试，正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，正确实现进行分析、计算与设计。	能够较正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够较正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够较正确通过MATLAB语言编程与程序调试，较正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，较正确实现进行分析、计算与设计。	能够基本正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够基本正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够基本正确通过MATLAB语言编程与程序调试，基本正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，基本正确实现进行分析、计算与设计。	不能正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，不能正确设计实验与仿真、采集获取数据；不能正确通过MATLAB语言编程与程序调试，不能正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，不能正确实现进行分析、计算与设计。	8	8

表7 课程实验考试成绩评价标准

实验项目	基本要求	评价标准				成绩比例（%）
实验项目	基本要求	90-100	70-89	60-69	0-59	平时成绩	实验验收成绩
实验1	能够运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够设计实验与仿真、采集获取数据；能够通过MATLAB语言编程与程序调试，掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，实现进行分析、计算与设计	能够正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够正确通过MATLAB语言编程与程序调试，正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，正确实现进行分析、计算与设计。	能够较正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够较正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够较正确通过MATLAB语言编程与程序调试，较正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，较正确实现进行分析、计算与设计。	能够基本正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，能够基本正确设计实验与仿真、采集获取数据；能够基本正确通过MATLAB语言编程与程序调试，基本正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，基本正确实现进行分析、计算与设计。	不能正确运用离散时间信号与系统等专业知识模拟问题，不能正确设计实验与仿真、采集获取数据；不能正确通过MATLAB语言编程与程序调试，不能正确掌握仿真信号处理获得结果并分析、验证相关问题，不能正确实现进行分析、计算与设计。	20	20

九、教学资源

表7 课程的基本教学资源

资源类型	资源
教材	1. 刘顺兰、赵治栋、赵知劲，数字信号处理课程设计，自编讲义； 2. 赵知劲、刘顺兰等编著，数字信号处理实验，浙江大学出版社，2007.(中文教材)
参考书籍或文献	1．刘顺兰、吴杰. 数字信号处理（第三版）. 西安电子科技大学出版社，2015.(中文教材) 2．米特拉.数字信号处理:基于计算机的方法(第3版英文改编版). 电子工业出版社，2006。 3. Vinay K.Ingle & John G. Proakis . Digital Signal Processing: Using MATLAB. Thomson Learning,2000. ［美］维纳．K．恩格尔，约翰．G．普罗克斯著，刘树棠译．数字信号处理：使用MATLAB．西安：西安交通大学出版社，2002. (外文教材) 4．Oppenheim A.V．，Schafer R．W．Discrete-Time Signal Processing．Second Edition．Prentice Hall,Inc.1999.刘树棠黄建国译，离散时间信号处理（第2版）西安：西安交通大学出版社，2001.(外文教材) 5. （美）Sanjit K.Mitra著；孙洪，余翔宇等译,数字信号处理实验指导书 MATLAB版, 电子工业出版社, 2005.(外文教材) 6．程佩青．数字信号处理教程．第二版．北京：清华大学出版社，2001
教学文档	提供给学生的其他教学文档，如：课程总结报告、课程设计、大作业等模板