信号处理系列课程建设 陈后金 hjchen@bjtu 2009 年 11 月

1. 信号处理系列课程建设 陈后金 hjchen@bjtu.edu.cn 2009年11月

2. 主要内容 课程建设简介 课程建设思路 课程体系优化 教学方法改革 教学资源建设 教学团队建设

3. 课程教学目标 掌握信号处理的基本理论 时域与变换域分析理论，抽样定理，谱估计理论 掌握信号处理的基本方法 数字化分析方法，滤波器设计方法，快速算法 掌握信号处理的基本技术 软件仿真分析技术，DSP系统开发应用技术 提高解决问题的实践能力 学科领域应用，工程实际应用，综合交叉应用

4. 国家精品课程评价指标 课程建设理念 课程体系与内容 教材建设与应用 教学效果与成果 师资队伍建设 教学方法与手段 教学平台与资源 课程教学网站

5. 主要内容 课程建设简介 课程建设思路 课程体系优化 教学方法改革 教学资源建设 教学团队建设

6. 课程建设思路 改革思路： 以教学观念更新为先导 以国家重点学科为依托 以国家教学平台为支撑 以质量工程建设为契机 以课程体系改革为核心 以优秀人才培养为目标

7. 教学团队建设 课程体系与教学方法 教学平台与资源 课程建设思路 建设精品课程 更新教学观念 人才 培养 (知识 能力 素质) 实施的主体 支撑的平台

8. 课程体系优化 信号处理课群具有理论性和技术性都很强的特点，其对促进学生在知识、能力和素质方面的协调发展具有重要作用。 适应时代发展，提出了新的教学理念，明确了教学内涵。 “厚理博术，践实笃行”

9. 课程体系优化 厚理博术的内涵是学生既要掌握深厚的理论，又要掌握先进的技术。 践实笃行的内涵是学生要不断践行所学知识，提高实践能力和创新能力，形成知识、能力和素质的协调发展。

10. 课程体系优化 厚理博术，践实笃行 经典理论、近代理论、现代理论有机结合 仿真技术、硬件技术、集成技术有机结合 理论教学、实践教学、自主探究有机结合 知识传授、能力提高、素质培养有机结合 ……

11. 课程体系优化 根据“厚理博术、践实笃行”的教学理念，以及电气信息学科发展对基础课程的要求，面向电气信息大类学科专业，按照课群重构了电工电子课程体系，保证了课程体系的系统性和教学内容的先进性。

12. 课程体系优化 • 新的电工电子课程体系由“电子电路、电磁场、信号处理”三大课群构成，体现了“三个并重”。 • 电子电路、电磁场、信号处理并重 • 理论教学、实验教学、自主学习并重 • 基础理论、分析方法、综合技术并重

13. 课程体系优化

14. 自主探究性实验 培养分析和解决实际问题的能力，以及自主研究能力。 提高电路级的综合设计能力，以及系统级的开发应用能力 综合设计性实验 掌握基本实验技能、基本实验方法、基本分析处理能力。 基础性实验 课程体系优化 构建了以实验目标为导向、实验内容为载体、创新能力为核心的实验教学体系。

15. 课程体系优化

16. 课程体系优化 根据信号处理系列课程的特点进行整体优化，实现原理、方法、技术、应用的有机结合 DSP技术及应用 （技术） DSP系统课程设计 （应用） 信号分析与处理实验 （基于MATLAB仿真） 信号与系统 （原理） 数字信号处理 （方法）

17. 时域：信号表达为冲激信号的线性组合 连续信号 频域：信号表达为正弦信号的线性组合（CFS，CTFT） 信号分析 复频域：信号表达为复指数的线性组合（单边、双边） 时域：信号表达为脉冲序列的线性组合 离散信号 频域：信号表达为正弦序列的线性组合（DFS，DTFT） 信号与系统 Z域：信号表达为复指数的线性组合（单边、双边） 输入输出描述法： N阶微分方程 系统的描述 状态空间描述： N 个一阶微分方程组 连续系统 y(t)=x(t)*h(t) 时域： Y(jw)=X(jw)H(jw) 系统响应求解 频域： 系统分析 Y(s)=X(s) H(s) 复频域： 输入输出描述法： N 阶差分方程 系统的描述 状态空间描述： N 个一阶差分方程组 离散系统 y[k]=x[k]*h[k] 时域： Y(ejW )=X(ejW )H(ejW ) 系统响应求解 频域： Y(z)=X(z)H(z) Z域： 课程体系优化

18. 课程体系优化 “数字信号处理”课程内容的架构关系 FFT 滤波器组概念 数字化的技术 DFT 滤波器设计 信号分析 信号处理

19. 课程体系优化

20. 课程体系优化 “信号处理实验”课程内容的架构关系 数字信号处理 硬件实验 理论和技术的综合应用 综合应用实验 基本原理实验 信号与系统 软件仿真

21. 回声估计与消除 课程体系优化

22. 主要内容 课程规范简介 课程建设思路 课程体系优化 教学方法改革 教学资源建设 教学团队建设

23. 教学方法改革 “欲善其事，必利其器”

24. 教学方法改革 在教学方法改革中，突出学生的自主学习和自主研究能力，积极推行“基于问题驱动”的研究性教学，将理论教学与实验教学紧密结合，通过问题提出、问题分析、问题解决、问题延伸等环节，实现融知识传授、能力培养、素质教育于一体。 教学过程注重知识点之间承上启下的描述，内容之间由此及彼的归纳。从数学概念来抽象原理，从物理概念来阐述性质，从工程概念来拓展应用。

25. 知识讲解 知识传授、能力提高、素质培养。 定义、性质、举例 问题提出、问题分析、 问题解决、问题延伸。 公式推导、计算技巧 数学概念、物理概念、 工程概念。 教学方法改革

26. 教学方法改革 • 如何讲解信号的三大变换？ • 整体介绍四种信号的频谱有何利弊? • 抽样定理如何引入与论证？ • 如何看待DFT的作用? • 如何分析FFT算法? • 如何介绍数字滤波器设计？ • 如何引入某些新内容？ • 如何开展信号处理实验教学？

27. 如何讲解信号的三大变换？ 只是将信号从时域变换到频域 或复频域的数学工具， 应突出时域分析与变换域分析的特点， 淡化其计算技巧… • Fourier变换（频域分析） • Laplace变换（复频域分析） • Z变换（复频域分析）

28. 整体介绍四种信号的频谱有何利弊? 1. 连续时间信号(周期为T0) 从信号表示的角度引入Fourier变换 （数学概念），其性质揭示了信号时域与频域 之间的内在联系（物理概念）。 2. 连续时间非周期信号 3. 离散非周期信号 4. 离散周期信号(周期为N)

29. 抽样定理如何引入与论证？ 体现信号的时域与频域之间 的对应关系，从信号频域分析应用 的角度展开… • 什么是信号抽样? • 为什么进行抽样? • 抽样定理的理论推导 • 抽样定理内容及其应用

30. 如何看待DFT的作用? DFT分析信号频谱的基本思想 利用信号Fourier变换具有的信号时域与频域之间的内在关系，建立信号的DFT与四种信号频谱之间的关系。 时域抽样定理 时域的离散化 频域周期化 频域抽样定理 时域的周期化 频域离散化 时域抽样定理和频域抽样定理为DFT奠定了理论基础

31. 如何介绍FFT算法? • DFT解决了利用数字化方法实现 • 信号的频谱分析。 • 但DFT计算效率极其低， • 无法满足实时性的要求。 • FFT解决了DFT计算的有效性， 为DFT的实际应用铺平了道路。 • 介绍FFT算法的重要作用 • 介绍FFT算法的基本思想

32. 在由短序列的DFT表示长序列的DFT过程中, • 利用旋转因子 的周期性、对称性、可约性。 如何介绍FFT算法? FFT算法的基本思想 1. 将长序列DFT分解为短序列的DFT

33. 如何开展信号处理实验教学？ DSP系统课程设计 CCS的应用 定时器的开发 D/A的开发利用 A/D、D/A的利用 A/D、D/A、DMA、内部函数的利用 A/D、D/A、DMA、内部函数、内存管理的综合利用

34. MEM A/D DMA CPU D/A DMA Timer 如何开展信号处理实验教学？ DSP系统的资源应用

35. 如何开展信号处理实验教学？ 编写《信号分析与处理实验》教材，软件实验基于MATLAB仿真环境，硬件实验基于TI-DSP环境。 每个实验包含实验要求、实验原理、实验思考题，但没有实验步骤，其目的是为了实现自主性实验，实验思考题大多是实验内容的延伸和综合。 学生在学习“信号与系统”课程时即将实验教材发给学生，要求学生结合信号处理理论课程学习，利用仿真软件进行信号分析与处理，鼓励小组实现以培养学生团队精神。

36. 如何开展信号处理实验教学？ • 转变实验辅导解答为实验引导启发：在实验项目选择和方案设计过程中期待学生遇到问题，学生正是在分析与解决问题的过程中提高实践能力。 • 转变面向实验结果为面向实验过程：实验的目的不仅是获得实验结果，更要引导学生观察实验过程中的现象，思索实验过程中的原理，培养学生科学探索精神。 • 转变单一实验模式为多元实验模式：实行开放式实验教学，实验教学模式灵活多样，独立设课与联合设课相结合、课上实验与课下实验相结合、必修实验与自主实验相结合，鼓励团队协作与自主创新。

37. 如何开展信号处理实验教学？ 在实验教学考核中，鼓励探索和创新，综合评价学生的实验过程和实验结果。根据学生的实验过程、实验报告、实验结果、面试等综合评价学生知识、能力和素质。 • 实验结果正确、实验过程分析全面：成绩为优 • 实验结果不全、实验过程分析全面：成绩为良 • 实验结果正确、实验过程分析不全：成绩为中 • 实验结果不全、实验过程分析不全：成绩为差

38. 教学方法改革 为了提高课程教学效果，促进学生在知识、能力和素质上的协调发展，开展了双语教学和研究性教学的探索。“信号与系统”课程已成为首批“国家双语教学示范课程”。 双语教学主要在“信号与系统”和“DSP技术课程设计”课程中开展，研究性教学主要在“信号与系统”和“数字信号处理”课程中开展。

39. x(t) x1(t) x1(kT) 抗混低通 A/D 教学方法改革 • 时域抽样问题的探究 (1) 若连续时间信号 x(t) 的最高频率未知，如何确定 信号的抽样间隔T？ (2) 非带限信号抽样不失真条件是否也必须满足fs≥2fm ？ (3) 比较非带限信号抽样过程中的混叠误差与截断误差？

40. 教学方法改革 • 利用DFT分析模拟信号频谱的探究： x(t) -------> x[k] -------> x[k] w[k] -------> X[m] 抽样 加窗 DFT (1) x(t)可由Fourier 变换的定义直接求X( jw) , 为何利用DFT来分析？ (2) 利用DFT分析模拟信号x(t) 的频谱的过程中会 出现哪些主要误差，如何改善？

41. 教学方法改革 • 信号滤波问题的探究： • 在语音信号中混有噪声，信噪比为3db。试滤除该语音信号中的噪声。 涉及信号谱分析、滤波器类型和参数选择、滤波器设计与应用，FIR， IIR，基于DWT…？

42. 教学方法改革 • 工程实际应用问题的探究： • 如何将男生的语音信号转换为女生的语音信号？ • 如何将年轻人语音信号转换为老年人语音信号？ 信号谱的物理概念、信号特征提取、算法设计及实现等

43. 教学资源的建设 物化研究成果，编著了高水平优质教材 教材是课程体系与教学内容的重要载体，及时物化教学研究和学科研究成果，丰富完善教材内容，按照课群建设了系列化的教材，取得了丰硕成果。 在教材建设中，积极开展教学与教材协同性研究，提出了“三个体现”的教材建设思想。

44. 教学资源的建设 提出“三个体现”的教材建设思想 • 在教材观念上，体现教材不仅是人类知识的载体，更是认知过程和思维方法的载体。 • 在教材体系上，体现课群之间相互联系、以及课程内知识点之间的内在联系。 • 在教材内容上，体现经典与现代、理论与技术、解析与仿真的有机结合。

45. 教学资源的建设 物化研究成果，编著了高水平优质教材 在教材的体系结构上，注重知识的呈现方式，体现人类探索知识的轨迹、凝练知识的智慧、应用知识的过程。突出理论和方法中所蕴涵的数学概念、物理概念和工程概念。 学生通过学习教材，不仅能够获得知识，也能够提高认知能力，培养探索精神。

46. 教学资源的建设 物化研究成果，编著了高水平优质教材 电气信息学科发展迅速，电工电子作为该学科基础课程，需要及时物化学科相关领域的研究成果，反映当前理论和技术的发展趋势。 如编者提炼自己的研究成果，首次在国内信号与系统教材中介绍了利用信号处理的理论来分析生物神经系统的特性，通过科研实例拓展了信号处理的理论和方法，其不仅可以分析线性非时变系统，也可以分析非线性时变系统，从而开阔了学生的视野。

47. 教学资源的建设 物化研究成果，编著了高水平优质教材 注重知识的组织形式与呈现方式，丰富了某些理论的内涵，使教材内容更加符合认知规律。 如在阐述信号的时域抽样定理时，从信号时域分析和频域分析的角度，以全新的角度揭示了信号时域抽样定理的内涵，其不仅可以适用于分析带限信号的抽样，而且可以适用于非带限信号的抽样。

48. 教学资源的建设 编著出版了10多本信号处理系列教材 • 高等教育“十一五”国家规划教材6本 • 高等教育“十五”国家规划教材1本 • 北京市高等教育精品教材2本 • 铁道部优秀教材一等奖1本 • 高等教育百门精品课程教材精品立项1项

49. 教学资源的建设 高等教育百门精品课程教材建设计划精品立项 理论教材《数字信号处理》“十五”国家规划教材,2004 理论教材《数字信号处理》(2)“十一五”国家规划教材,2008 实验教材《DSP技术与应用》 “十一五”国家规划教材,2009 实验教材《信号分析与处理实验》北京市精品教材, 2006 辅助教材《数字信号处理学习指导与习题精解》, 2005 电子教案：《数字信号处理电子教案》, 2006 电子教案：《信号分析与处理实验电子教案》, 2009

50. 学科实验平台 专业实验平台 基础实验平台 教学资源建设 集成学科资源，构筑了开放性实验平台 在实验平台的建设上，为了促进基础与学科专业的渗透，提出将电工电子实验室与学科专业实验室有机结合，构筑了开放性的实验教学平台。