數字信號處理課程的發(fā)展歷程及展望課件

1、 數字信號處理起源于十八世紀的數學，隨著信息科學和計算技術的迅速發(fā)展，數字信號處理的理論與應用得到迅速發(fā)展，形成一門極其重要的學科。當今數字信號處理的理論和方法已得到長足的發(fā)展，成為數字化時代的重要支撐，其在各個科學和技術領域中的應用具有悠久的歷史，已經滲透到我們生活和工作的各個方面。歷史沿革第1頁/共26頁 信號處理在生物醫(yī)學工程、地震學、聲納、雷達、通信、控制等領域都日益顯示其重要作用。例如在醫(yī)學信號或地震信號分析中，我們需要提取某些重要的特征參數，在雷達和通信信號處理中，我們希望剔除信號中的噪聲或干擾。 歷史沿革第2頁/共26頁 20世紀80年代中后期，我國開設數字信號處理課程的高校不斷

2、增加，一些重點大學為某些專業(yè)本科生開設此課，課程教學內容主要以原理闡述與算法推導為主。國內出版的教材也相應增加。西安交通大學，鄒理和數字信號處理,1985北京交通大學，吳湘淇數字信號處理技術及應用,1986北京理工大學，王世一數字信號處理,1987 歷史沿革第3頁/共26頁 20世紀90年代初期，開設本科生數字信號處理課程的高校數量大增，已成為許多高校本科生的必修課，大量面向本科教學的數字信號處理教材問世。西電丁玉美編著的數字信號處理,1994清華大學程佩清編著的數字信號處理教程,1994北交大吳湘淇編著的信號、系統(tǒng)和信號處理,1996 課程內容中增加了利用Fortran、C等高級語言進行算法

3、仿真與實現等內容。歷史沿革第4頁/共26頁 從20世紀90年代末以來，數字信號處理課程幾乎在國內所有大學的電氣信息類等學科專業(yè)的本科生和研究生中開設，且是本科生的必修課和研究生的學位課。面向本科教學的數字信號處理教材大幅增加。吳鎮(zhèn)楊編著的數字信號處理(十五規(guī)劃)，高等教育出版社，2003陳后金編著的數字信號處理(十五規(guī)劃)，高等教育出版社，2004 增加了近代信號處理的理論和方法，并將Matlab與數字信號處理有機結合，作為信號處理的仿真分析手段，從而將理論分析與計算機仿真融為一體。 歷史沿革第5頁/共26頁 某些院校雖然沒有單獨開設數字信號處理課程，但在信號與系統(tǒng)課程中增加離散傅里葉變換DF

4、T，快速傅里葉變換FFT，IIR數字濾波器設計，FIR數字濾波器設計等內容。相應的教材也相繼出版，如清華大學鄭君里教授編著的信號與系統(tǒng)(第2版)（上下冊），高等教育出版社，2000。東南大學管致中教授編著的信號與系統(tǒng)(第4版)（上下冊），高等教育出版社，2004。歷史沿革第6頁/共26頁 在DSP實驗平臺建設方面，90年代后期，美國德州儀器公司先后與我國100多所高校聯合建立DSP系統(tǒng)實驗室，用于本科生和研究生的DSP實踐教學。 近年來，由于各級電氣信息類實驗教學示范中心建設的推動，大批高校紛紛擴建DSP實驗室，為本科生開設DSP方面軟件分析與硬件實現實驗。目前DSP技術已成為學生就業(yè)和開展科

5、研工作的基本技能。 歷史沿革第7頁/共26頁 掌握數字信號處理的基本理論 時域與變換域分析理論，抽樣定理，譜估計理論 掌握數字信號處理的基本方法 數字化分析方法，濾波器設計方法，快速算法 掌握數字信號處理的基本技術 DSP軟件仿真分析技術，DSP系統(tǒng)開發(fā)應用技術 提高應用DSP理論和技術解決問題的實踐能力 學科領域應用，工程實際應用，綜合交叉應用學習目標第8頁/共26頁課程體系第9頁/共26頁 信號處理課群主要包含“信號與系統(tǒng)、數字信號處理、DSP技術及應用、信號分析與處理實驗、 DSP系統(tǒng)課程設計”等相關課程。 數字信號處理課程體系經歷了不斷豐富發(fā)展的過程，并日臻完善。課程體系主要由信號分析

6、與處理，以及離散系統(tǒng)設計構成。通過對近年來我國數字信號處理教材的分析，可將該課程教學內容歸結為經典內容和近代內容。課程體系第10頁/共26頁經典內容：課程體系第11頁/共26頁 在介紹數字信號處理的理論和方法的基礎上，進行MATLAB仿真實驗，再進行基于DSP系統(tǒng)的開發(fā)應用實驗。部分院校開設了DSP技術課程，側重介紹DSP系統(tǒng)的內部結構和指令系統(tǒng)等。 目前，信號處理課群體系正逐步成熟，并得到國內高校的認可，其體現了理論與實踐的有機結合，體現了原理、方法和技術的有機結合。課程體系第12頁/共26頁課程體系第13頁/共26頁1. 連續(xù)時間信號(周期為T0)2. 連續(xù)時間非周期信號3. 離散非周期信

7、號4. 離散周期信號(周期為N)四種信號的頻譜從信號表示的角度引入Fourier變換（數學概念），其性質揭示了信號時域與頻域之間的內在聯系（物理概念）。第14頁/共26頁抽樣定理如何引入與論證？ 什么是信號抽樣? 為什么進行抽樣? 抽樣定理的理論推導 抽樣定理內容及其應用體現信號的時域與頻域之間的對應關系，從信號頻域分析應用的角度展開第15頁/共26頁若連續(xù)信號x(t)與離散序列xk 時域關系為其中： T 為抽樣間隔，wsam=2p /T為抽樣角頻率則兩者在頻域存在以下關系 抽樣定理的內涵核心：信號時域的離散化導致其頻域的周期化第16頁/共26頁帶限信號抽樣定理的描述對于帶限信號x(t) ，信

8、號時域抽樣定理可描述為fsam= 2fm 為最小抽樣頻率，稱為Nyquist Rate.若抽樣間隔T滿足下列約束條件，則可由抽樣序列表示原連續(xù)信號。fsam 2fm （或sam 2 m） fm為信號最高頻率第17頁/共26頁如何看待DFT的作用?信號的Fourier變換從理論上解決了如何從時域映射到頻域。而DFT解決了利用數字化方法實現信號的頻譜分析！第18頁/共26頁DFT分析信號頻譜的基本思想 利用信號Fourier變換具有的信號時域與頻域之間的內在關系，建立信號的DFT與四種信號頻譜之間的關系。時域的離散化時域的周期化頻域周期化頻域離散化時域抽樣定理頻域抽樣定理時域抽樣定理和頻域抽樣定理

9、為DFT奠定了理論基礎如何看待DFT的作用?第19頁/共26頁如何學習FFT算法? 介紹FFT算法的重要作用 介紹FFT算法的基本思想DFT解決了利用數字化方法實現 信號的頻譜分析。但DFT計算效率極其低， 無法滿足實時性的要求。FFT解決了DFT計算的有效性， 為DFT的實際應用鋪平了道路。第20頁/共26頁 FFT算法的基本思想1. 將長序列DFT分解為短序列的DFT在由短序列的DFT表示長序列的DFT過程中, 利用旋轉因子 的周期性、對稱性、可約性。如何學習FFT算法?第21頁/共26頁基2時間抽取FFT算法的基本關系基3時間抽取FFT算法的基本關系基4時間抽取FFT算法的基本關系利用F

10、FT算法的思想，從具體到一般，為學習其他快速算法如何學習FFT算法?第22頁/共26頁如何學習數字濾波器的設計？ 利用系統(tǒng)的頻域分析和系統(tǒng)函數的基本理論，根據IIR和FIR數字濾波器的特性和系統(tǒng)函數的特點，介紹IIR和FIR數字濾波器設計的基本方法，以及它們的適用范圍?；谀M濾波器設計IIR數字濾波器（BW，CB，C型AF的引入）基于線性相位約束條件設計FIR數字濾波器（窗口法和優(yōu)化設計方法）第23頁/共26頁IIR數字濾波器設計的基本方法Wp,Wswp,wsH(s)H(z)頻率變換設計模擬濾波器脈沖響應不變法雙線性變換法wp,wsH(s)頻率變換設計原型低通濾波器復頻率變換BW，CB，C三個低通模板如何學習數字濾波器的設計？第