职称：教授
单位：通信学院
职位：院长
数字信号处理
杭州电子科技大学
主讲教师：孙闽红
教师团队：共6位
- 唐向宏
- 赵知劲
- 尚俊娜
- 简志华
- 仇兆炀
- 孙闽红
《数字信号处理》是通信工程专业的一门核心课程，是培养学生应用数字信号处理的基本理论分析和设计数字信号处理系统及其应用能力、开展后续专业课程学习和毕业设计的专业基础课程之一。
通过传授数字信号处理基本理论、数字滤波器和频谱分析等的理论知识，达到本课程的课程目标：
课程目标⑴：能运用离散时间信号与系统时域、变换域分析方法、数字滤波器理论、利用FFT的频谱分析原理和有限字长效应，分析和解决通信工程领域中所涉及的复杂工程问题。
课程目标⑵：能运用数字滤波器理论和频谱分析原理，根据复杂工程对象需求，确定合理的滤波器技术指标、频谱分析技术指标。
课程目标⑶：能运用数字滤波器理论和设计方法，设计数字滤波器；能够利用FFT的频谱分析方法，设计频谱分析系统。
课程目标(4)：富有社会责任感和家国情怀，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。
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| 学校： | 杭州电子科技大学 |
| 课程编号： | A0802040 |
《数字信号处理》课程教学大纲
| 课程英文名 | Digital Signal Processing | |||||
| 课程编号 | A0802040 | 课程类别 | 专业课 | 课程性质 | 必修 | |
| 学 分 | 3 | 总学时数 | 48 | |||
| 开课学院 | 通信工程学院 | 开课基层教学组织 | 信息技术教研室 | |||
| 面向专业 | 通信工程、信息工程、信息对抗技术 | 开课学期 | 5，6 | |||
注：课程类别是指学科基础课/专业课；课程性质是指必修/选修。
一、课程目标
《数字信号处理》是通信工程、信息工程、信息对抗技术等专业的一门核心课程，是培养学生应用数字信号处理的基本理论分析和设计数字信号处理系统及其应用能力、开展后续专业课程学习和毕业设计的专业基础课程之一。
通过传授数字信号处理基本理论、数字滤波器和频谱分析等的理论知识，达到本课程的课程目标：
课程目标⑴：能运用离散时间信号与系统时域、变换域分析方法、数字滤波器理论、利用FFT的频谱分析原理及快速卷积和有限字长效应，分析和解决通信工程、信息工程、信息对抗技术等领域中所涉及的复杂工程问题。
课程目标⑵：能运用数字滤波器理论、快速卷积和频谱分析原理，根据复杂工程对象需求，确定合理的滤波器技术指标、快速卷积参数和频谱分析技术指标。
课程目标⑶：能运用数字滤波器理论和设计方法，以多种方案设计数字滤波器；能够灵活运用FFT的频谱分析方法，设计频谱分析系统。
课程目标(4)：富有社会责任感和家国情怀，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。
二、课程目标与毕业要求对应关系
《数字信号处理》支撑毕业要求（1）的指标点1-2、毕业要求（2）的指标点2-3、毕业要求（3）的指标点3-1和毕业要求（8）的指标点8-2，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 |
| （1）工程知识：掌握本专业所需的数学、自然科学、工程基础和通信工程的专业知识，能够将上述知识用于解决通信工程领域的复杂工程问题。 | 1-2掌握本专业基础知识，能够结合数学模型方法对通信工程领域的专业工程问题进行推演和分析。 | （1）（2） |
| （2）问题分析：能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理，识别、表达，并通过文献研究，分析通信工程领域复杂工程问题，以获得有效结论。 | 2-3能够分析影响解决复杂通信工程问题的过程因素，对不同解决方案进行比较，获得有效结论。 | （1）（2）（3） |
| （3）设计/开发解决方案：能够设计针对通信工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。 | 3-1能够针对特定需求，设计满足指标和要求的通信软、硬件系统、单元或部件。 | (2)（3） |
| （8）职业规范：具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。 | 8-2能解释工程职业道德规范的内涵和工程师的社会责任，并能在工程实践中自觉遵守并履行责任。 | （4） |
三、课程目标与教学内容和方法的对应关系
《数字信号处理》课程目标与教学内容、教学方法的对应关系如表2所示。
表2 课程目标与教学内容、教学方法的对应关系
| 教学内容 | 教学方法 | 课程目标 | |||
| （1） | （2） | （3） | （4） | ||
| 1.绪论 | 讲授、提问 | ● | ● | ||
| 2.离散时间信号与系统 | 讲授、提问 | ● | |||
| 3.离散傅里叶变换 | 讲授、提问 | ● | ● | ||
| 4.快速傅里叶变换 | 讲授、提问、设计讨论 | ● | ● | ● | ● |
| 5.数字滤波器基本结构 | 讲授、提问 | ● | ● | ● | |
| 6. IIR滤波器设计 | 讲授、提问、设计讨论 | ● | ● | ● | ● |
| 7. FIR滤波器设计 | 讲授、提问、设计讨论 | ● | ● | ● | ● |
| 8.有限字长效应 | 讲授、提问 | ● | ● | ● | |
该课程详细教学内容和方法如下所述。
1.绪论
（1）主要内容
信号、系统的基本概念；数字信号处理概念；数字信号处理系统的组成与各部分的作用；数字信号处理与模拟信号处理的优缺点对比。
（2）教学方法与要求
通过讲授与提问的教学方法，使学生能解释信号、系统与数字信号处理等基本概念。
（3）重点、难点
●重点：理解数字信号处理系统的组成与各部分的作用；
●难点：理解数字信号处理与模拟信号处理的优缺点。
2．离散时间信号与系统
（1）主要内容
常用序列；序列的各种运算；线性时不变系统的基本概念和性质、因果稳定系统；常系数线性差分方程的迭代求解法—求单位冲激响应；连续时间信号的理想抽样、连续时间信号的实际抽样；Z变换及Z反变换；傅里叶变换及傅里叶变换反变换；系统函数及系统频率响应。
（2）教学方法与要求
通过讲授与提问的教学方法，使学生能够分析离散时间系统性质，能够分析线性时不变（LTI）系统的输入输出关系和系统频率响应，分析信号时域采样不失真条件。
（3）重点与难点
●重点：①Z变换及Z反变换的三种方法；②线性时不变（LTI）系统的时域和频域分析方法。
●难点：信号时域采样理论。
3．离散傅里叶变换
（1）主要内容
傅里叶变换的几种形式（傅里叶变换、傅里叶级数、序列的傅里叶变换、离散傅里叶变换）；周期序列的离散傅里叶级数正变换和反变换；离散傅里叶级数的基本性质；离散傅里叶变换（DFT）的正变换和反变换；离散傅里叶变换的基本性质；频域抽样理论。
（2）教学方法与要求
通过讲授与提问的教学方法，使学生能够掌握离散傅里叶变换（DFT）基本理论和频域抽样理论；能够运用DFT计算线性卷积。
（3）重点与难点
●重点：①DFT与IDFT的计算；②圆周卷积的计算。
●难点：频域采样理论。
4．快速傅里叶变换算法
（1）主要内容
按时间抽选的基-2 FFT算法；按频率抽选的基-2 FFT算法；利用FFT的连续信号频谱分析；快速卷积。
（2）教学方法与要求
通过讲授、提问与设计讨论等教学方法，使学生能够掌握基2- FFT按时间抽取（DIT-2）的算法原理及流程图和基2- FFT按频率抽取（DIF-2）的算法原理及流程图；能够按照功能要求，运用FFT分析连续信号频谱和计算线性卷积。
（3）重点与难点
●重点：①DIT-2算法；② DIF-2算法。
●难点：FFT应用。
5．数字滤波器基本结构
（1）主要内容
IIR滤波器的基本结构；FIR滤波器的基本结构。
（2）教学方法与要求
通过讲授和提问的教学方法，使学生能够掌握数字滤波器的表示法：差分方程、单位脉冲响应、系统函数、系统结构图；能够运用信号流图表示法表示IIR数字滤波器的直接I型、直接II型、级联型和并联型结构及FIR数字滤波器的直I型和级联型结构。
（3）重点与难点
●重点：①IIR滤波器的直接I型、直接II型、级联型和并联型结构；② FIR滤波器的直接型和级联型结构。
6．IIR数字滤波器设计
（1）主要内容
利用模拟低通滤波器设计数字滤波器的基本原理；IIR 数字滤波器的冲激响应不变法和双线变换法设计；频率变换法设计高通、带通、带阻滤波器。
（2）教学方法与要求
通过讲授、提问和设计讨论等教学方法，使学生能够掌握IIR 数字滤波器的定义及基本特点，掌握模拟滤波器（巴特沃思和切贝雪夫低通滤波器）的设计，能够运用冲激响应不变设计法和双线变换设计法设计IIR 数字低通滤波器，了解频率变换法设计高通、带通、带阻数字滤波器。
（3）重点与难点
●重点：①IIR 数字滤波器的冲激响应不变设计法；②IIR 数字滤波器的双线变换设计法。
7．FIR数字滤波器设计
（1）主要内容
线性相位FIR滤波器特性；FIR 数字滤波器的窗函数设计法；FIR 数字滤波器的频率采样设计法；FIR数字滤波器与IIR数字滤波器的比较。
（2）教学方法与要求
通过讲授、提问和设计讨论等教学方法，使学生能够掌握线性相位FIR滤波器特性，能够运用窗函数设计法和频率采样设计法设计FIR 数字滤波器。
（3）重点与难点
●重点：①线性相位FIR滤波器特性；②FIR 数字滤波器的窗函数设计法；③FIR 数字滤波器的频率采样设计法。
8．有限字长效应
（1）主要内容
数值表示的有限字长效应，A/D的有限字长效应，数字滤波器系数量化的有限字长效应，定点运算对数字滤波器的影响。
（2）教学方法与要求
通过讲授和提问的教学方法，使学生能够掌握A/D变换量化误差、系数量化对数字滤波器性能影响等基本概念，能够分析定点运算对数字滤波器的影响。
（3）重点与难点
●重点：①A/D的有限字长效应；②数字滤波器系数量化的有限字长效应。
●难点：定点运算对数字滤波器的影响。
四、实践环节及要求
详见《数字信号处理实验》课程教学大纲。
五、与其它课程的联系
先修课程：信号与系统。
后续课程：DSP芯片原理与应用
六、学时分配
总学时为48学时，其中讲授45学时，讨论3学时。如表3所示。
表3 《数字信号处理》学时分配
| 教 学 内 容 | 讲课时数 | 实验时数 | 实践学时 | 上机时数 | 自学时数 | 习题课 | 讨论时数 |
| 绪论 | 1 | ||||||
| 第1章 离散时间信号与系统 | 12 | ||||||
| 第2章 离散傅里叶变换 | 9 | ||||||
| 第3章 快速傅里叶变换算法 | 5 | ||||||
| 第4章 数字滤波器基本结构 | 3 | ||||||
| 第5章 IIR数字滤波器设计 | 6 | ||||||
| 第6章 FIR数字滤波器设计 | 6 | ||||||
| 第7章 有限字长效应 | 3 | ||||||
| 讨论课与习题课 | 3 | ||||||
| 合 计 | 45 | | 3 | ||||
| 总 计 | 48 | ||||||
七、课程目标达成途径及学生成绩评定方法
1.课程目标达成途径
课程目标的达成途径如表4所示。
表4 课程目标与达成途径
| 课程目标 | 达成途径 |
| ⑴ | 以引导式、启发式和总结式教学方法为主，通过重点/难点内容讲解、课后/课堂作业、结合实际应用布置学生查阅文献并撰写报告、进行随堂提问、课堂讨论等模式，帮助学生能够运用离散时间信号与系统时域、变换域分析方法、数字滤波器理论、利用FFT的频谱分析原理及快速卷积和有限字长效应，分析和解决通信工程、信息工程、信息对抗技术等领域中所涉及的复杂工程问题。 |
| ⑵ | 以启发式和分析式教学方法为主，针对相关重点/难点内容，通过课后/课堂作业、随堂提问、课堂讨论等模式，帮助学生能够运用数字滤波器理论和频谱分析原理，根据复杂工程对象需求，确定合理的滤波器技术指标、频谱分析技术指标。 |
| ⑶ | 以启发式和分析式教学方法为主，针对相关重点/难点内容，通过课后/课堂作业、结合实际应用布置学生查阅文献并撰写报告、随堂提问、课堂讨论等模式，帮助学生能够运用数字滤波器理论和设计方法，设计数字滤波器；能够利用FFT的频谱分析方法，设计频谱分析系统。 |
| ⑷ | 以案例法为主。针对各章课程思政融入点，结合具体案例，实现对学生“润物细无声”的育人效果。 |
2.学生成绩评定方法
该课程为考试课程，考试方式为闭卷。该课程采用形成性评价与终结性评价相结合的评价方法，学期总评成绩由二部分构成：平时成绩，占比30%；期末考试成绩，占比70%。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。
表5 课程考核与成绩评定方法
| 考核项目 | 评价环节 | 关联课程目标 | 评价依据与方法 | 占比 |
| 平时考核 | 作业及课堂表现/小测验/综合项目设计 | (1)(2)⑶（4） | 作业及课堂表现满分100。 l 作业：根据各章所占学时比重进行分数分配。以是否提交、提交是否及时和正确程度与完成质量做评价依据，每章作业统计1次。共50分。 l 课堂表现：课堂提问或课堂讨论表现的最高分，共计5分。 l 思政表现：计5分。 l 小测验：共25分。 l 综合项目设计：15分（其中课程目标4占5分）。 注：如未进行小测验或综合项目设计，则相应分数归入作业中。 | 30% |
| 期末考试 | 闭卷考试 | (1)(2)⑶ | 考试成绩满分100。 | 70% |
| 总评成绩 | 100% | |||
八、教学资源
表6 课程的基本教学资源
| 资源类型 | 资源 |
| 教 材 | [1] 唐向宏,孙闽红.数字信号处理----原理、实现与仿真(第2版). 北京：高等教育出版社,2012. [2] 刘顺兰,吴杰. 数字信号处理(第3版).西安：西安电子科技大学出版社，2015. [3] A. V. 奥本海姆[美]等著. 离散时间信号处理(第3版).北京：机械工业出版社,2017. |
| 参考书籍或文献 | [1] 程佩青.数字信号处理教程(第5版).北京：清华大学出版社，2017. [2] 高西全,丁玉美.数字信号处理(第3版).西安：西安电子科技大学出版社. 2011 [3] 丁玉美著，数字信号处理，西安电子科技大学，2004 [4] 李素芝等编，时域离散信号处理， 国防科技大学出版社，1994。 [5] Alan V. Oppenheim, etc. Discrete-time Signal Processing(Second Edition), 清华大学出版社，2005 |
| 教学文档 | 课程课件PPT、网络教学平台数字资源 |
九、课程目标、毕业要求指标点达成度定量评价
1.课程目标达成度评价
⑴课程目标达成度的评价环节及支撑课程目标的权重分配
本课程共4个课程目标，表示为课程目标(i)，i = 1, 2, 3, 4。为便于表示和计算，本课程定义了以下符号。
CG(i)：课程目标(i)达成度，其中i = 1, 2, 3, 4。
A：作业及课堂表现/小测验/综合项目设计。
B：期末考试。
WA(i)：评价环节A支撑课程目标(i)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
WB(i)：评价环节B支撑课程目标(i)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
注：WA(i) + WB(i) = 1，其中i = 1, 2,3, 4。详见表7。
VA：评价环节A的学生平均得分。
VB：评价环节B的学生平均得分。
表7 《数字信号处理》课程目标达成度的评价环节及支撑课程目标的权重分配表
| 课程目标 | 评价环节支撑课程目标的权重及符号表示 | |
| 作业及课堂表现/小测验/综合项目设计 | 期末考试 | |
| ⑴ | WA(1)，0.3 | WB(1)，0.7 |
| ⑵ | WA(2)，0.3 | WB(2)，0.7 |
| ⑶ | WA(3)，0.3 | WB(3)，0.7 |
| (4) | WA(4), 1 | WA(4), 0 |
⑵课程目标达成度计算
根据上述的符号定义及表7的权重分配，课程目标(i)的达成度CG(i)可计算如下：
CG(i) = VA * WA(i) + VB * WB(i) ，
即，CG(i)= VA * 0.3 + VB * 0.7，
其中：i = 1, 2, 3, 4。
2.毕业要求指标点达成度评价
⑴课程目标支撑毕业要求指标点的权重分配
本课程的4个课程目标共同支撑了4个毕业要求指标点，为便于表示和计算，本课程还定义了以下符号。
GS(m-n)：毕业要求m的第n个指标点的达成度。即本课程所支撑的3个毕业要求指标点的达成度分别为GS(1-3)、GS(2-3)、GS(3-1)、GS(8-2)。
W(i)(m-n)：课程目标(i)支撑毕业要求(m-n)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
注：W(1)(m-n) + W(2)(m-n) + W(3)(m-n) = 1
其中，(m-n)= (1-3), (2-3), (3-1), (8-2)。
详见表8。
表8 《数字信号处理》课程目标支撑毕业要求指标点的权重分配表
| 毕业要求 | 课程目标支撑毕业要求指标点的权重及符号表示 | |||||
| ⑶ | ⑵ | ⑶ | （4） | |||
| 1-3 | W(1)(1-3)，0.7 | W(2)(1-3)，0.3 | W(3)(1-3)，0 | W(4)(1-3)，0 | ||
| 2-3 | W(1)(2-3)，0.5 | W(2)(2-3)，0.2 | W(3)(2-3)，0.3 | W(4)(2-3)，0 | ||
| 3-1 | W(1)(3-1)，0.5 | W(2)(3-1)，0.1 | W(3)(3-1)，0.4 | W(4)(3-1)，0 | ||
| 8-2 | W(4)(8-2)，0 | W(4)(8-2)，0 | W(4)(8-2)，0 | W(4)(8-2)，1 | ||
⑵毕业要求指标点达成度计算
根据上述的符号定义及表8的权重分配，毕业要求(m-n)的达成度GS(m-n)可计算如下：
GS(m-n) =CG(1) * W(1)(m-n) + CG(2) * W(2)(m-n) + CG(3) * W(3)(m-n) + CG(4) * W(4)(m-n)
其中：(m-n) = (1-3), (2-3), (3-1) , (8-2)。
即得：
毕业要求(1-3)的达成度：GS(1-3)= CG(1) * 0.7 + CG(2) * 0.3 + CG(3) * 0 + CG(4) * 0
毕业要求(2-3)的达成度：GS(2-3)= CG(1) * 0.5 + CG(2) * 0.2+ CG(3) * 0.3 + CG(4) * 0
毕业要求(3-1)的达成度：GS(3-1)= CG(1) * 0.5 + CG(2) * 0.1 + CG(3) * 0.4 + CG(4) * 0
毕业要求(8-2)的达成度：GS(8-2)= CG(1) * 0 + CG(2) * 0 + CG(3) * 0 + CG(4) * 1
十、说明
本大纲规定了杭州电子科技大学通信工程、信息工程和信息对抗技术等本科专业的《数字信号处理》课程的教学要求和教学规范，承担《数字信号处理》课程的教师须遵照本大纲安排授课计划、实施教学过程，完成学生学习成果评价、课程目标达成度评价和毕业要求指标点达成度评价。
十一、编制与审核
表9 大纲编制与审核信息
| 工作内容 | 责任部门或机构 | 人员 | 完成时间 |
| 编制 | 信息技术教研室 | 赵知劲、孙闽红 | 2019年9月 |
| 审核 | 信息技术教研室 | 郭春生 | 2019年9月 |