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数字信号处理
第17次开课
开课时间: 2025年03月03日 ~ 2025年07月20日
学时安排: 3-5小时每周
进行至第5周,共20周 已有 265 人参加
认证学习
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课程评价(92)
spContent=数字信号处理是电子信息类专业的专业基础课。本课程以信号分解、系统描述为主线,结合计算机、DSP、FPGA等数字系统实现,讲解离散时间信号与系统理论基础、数字滤波器设计与实现、数字频谱分析;制作了图片、知识导图,辅助学习;此外,给出了Matlab/DSP/FPGA等实例,巩固基础理论、提升工程能力。
数字信号处理是电子信息类专业的专业基础课。本课程以信号分解、系统描述为主线,结合计算机、DSP、FPGA等数字系统实现,讲解离散时间信号与系统理论基础、数字滤波器设计与实现、数字频谱分析;制作了图片、知识导图,辅助学习;此外,给出了Matlab/DSP/FPGA等实例,巩固基础理论、提升工程能力。
—— 课程团队
课程概述

本门课程主要讲解数字信号处理的理论、原理与实现方法,是电子信息类专业基础课,学习时需要注意理论联系工程实际。课程以声音信号频谱分析、滤波器设计、性能仿真、硬件实现的工程实例贯穿全程,培养学生系统分析、系统设计、系统实现能力。其先修课程包括:高等数学(数学分析)、线性代数、复变函数、电路分析、信号与系统等。同时是学习后续电子信息类专业课程的基础。

本门课程注重与先修课程“信号与系统”的联系,注重知识点的关联性。对照信号与系统相关内容,分析连续、离散、数字信号的差别与联系,比较数字信号处理和连续信号处理的异同,有助于理解相关知识。从离散时间序列的单位脉冲表示,引出LTI系统的卷积表示。从离散时间序列的复指数表示,引出傅里叶级数、傅里叶变换和z变换。从LTI系统的特征函数,引出LTI系统的频率响应。从傅里叶变换与z变换的关系,引出有理系统函数零极点与频率响应之间的关系。从连续与离散、周期与非周期,引出离散傅里叶变换(DFT)。从z变换与s变换的关系,引出IIR滤波器设计方法。从傅里叶变换性质,引出FIR滤波器设计方法。从差分方程,引出滤波器结构与实现方法。最后给出信号的频谱分析方法等数字信号处理的工程应用。此外,课程梳理了相关知识点之间存在的相关性,可对比课程相关章节。例如:时域采样与频域采样、时域周期与频域周期、DFSDTFTDFT知识点之间存在内在相似性和内在联系,通过对比学习,可提高学习效率。下图给出了课程内容及各章节安排。

课程主要内容及章节安排结构图

本门课程注重实验与实践,以音频信号处理作为实例,采用基于问题导向的实验教学模式,配备信号频谱分析、滤波设计、滤波器实现、课程综合实验等模块化实验例程,包括模拟滤波器、Matlab/FPGA/DSP数字滤波器等。模拟滤波器实例,将电子线路、信号与系统等课程相关内容联系起来,增加知识的连续性。数字滤波器实例,强化“数字信号处理”和“信号与系统”之间的联系与区别。

授课目标
  • 目标1:掌握离散信号的时域、频域特点,信号的脉冲分解、指数分解方法,卷积运算、DTFTDFS,能够将其用于电子工程、通信工程等领域中离散时间信号问题的理解、分析与处理。
  • 目标2:掌握z变换分析、全通系统、最小相位系统IIRFIR滤波器设计方法,能够将其用于电子工程、通信工程等领域中离散时间系统的设计。
  • 目标3:掌握数字系统流图实现方法、FFT、信号分析,能够针对电子工程、通信工程等领域中的部分应用需求,完成实际工程问题分析、系统设计与实现。
  • 目标4:通过本课程教学,为后续电子信息类专业课程(如通信原理、雷达原理、导航原理、图像处理和医学信号处理等)学习打下良好的基础,培养学生能够基于数字信号处理原理与技术对复杂电子信息工程问题进行研究,包括模型建立、系统设计与实现、实验验证、数据分析,并通过信息综合得到合理有效的结论。
课程大纲
第1周 CH1绪论、CH2 离散时间信号与系统
课时目标: 本周学习离散时间信号与系统时域表示方法的基本知识。首先介绍离散时间信号的表示方法、序列的分类、常用序列以及序列的相互关系,接着给出离散时间系统的表示方法、系统的分类、线性时不变(linear time-invariant,LTI)系统的特点、系统的卷积表示、系统的差分方程表示等内容。离散时间信号与系统的时域表示相关知识,可对照《信号与系统》中连续时间信号与系统相关章节内容学习,以提高学习效率。
CH1 绪论
CH2-1 离散时间序列
CH2-2&3 离散系统分类与LTI卷积表示
CH2-4 LTI系统卷积性质
CH2-5 差分方程
CH2 知识导图:课程结构
CH2 知识导图:离散时间信号与系统
CH2 实验:课程实验介绍
CH2 实验:卷积差分实现LTI系统
CH2 习题解析
CH2 离散时间信号与系统 测验
第2周 CH3-1 离散时间傅里叶变换
课时目标: 本周学习离散时间傅里叶变换DTFT,可对照信号与系统中的连续时间傅里叶变换学习。掌握DTFT定义、时间移位、时域卷积等知识点。深刻理解傅立叶变换是不同频率正交信号线性表示这一数学思想。掌握单位脉冲、矩形窗、单位复指数这几种常用信号得DTFT。
CH3-1-1&2 DTFT的定义与存在条件
CH3-1-3 DTFT的性质和定理
CH3-1-4 DTFT的对称性
CH3-1 习题解析
CH3-1 离散时间傅里叶变换 测验
CH3-1 离散时间傅里叶变换 作业
第3周 CH3-2 离散傅里叶级数
课时目标: 本周学习离散时间傅里叶变换DFS,可对照信号与系统中的连续时间傅里叶级数学习。掌握DFS定义,单位周期脉冲串、单位复指数这几种常用信号得DFS。深刻理解DFS是周期序列的线性表示。对比掌握:DTFT连续谱与DFS离散谱,DTFT与DFS之间的联系(可以认为DFS为DTFT的子集)。
CH3-2-1 DFS的定义
CH3-2-2 DFS的性质和定理
CH3-2-3 DFS的对称性
CH3-2 离散傅里叶级数 测验
CH3-2 离散傅里叶级数 作业
第4周 CH3-3 z变换
课时目标: 本周学习离散时间序列z变换,可对照信号与系统中的拉普拉斯变换学习。掌握z变换定义,收敛域,有限长、无限长、因果、反因果、稳定、不稳定这几种典型序列收敛域特点,单位复指数z变换,部分分式求z反变换。学习时对照信号与系统中傅里叶变换、傅里叶级数和拉普拉斯变换,注意DTFT、DFS、z变换之间的关系与异同。
CH3-3-1&2 z变换的定义与收敛域
CH3-3-3 z变换的性质和定理
CH3-3-4 z的反变换
CH3-3 实验:系统函数的零极点图
CH3-3 习题解析
CH3-3 z变换 测验
CH3-3 z变换 作业
第5周 CH4 离散系统变换域分析(1)
课时目标: 本周学习离散时间LTI系统的特征函数、频率响应、幅频响应、相频响应、群延迟。理解线性常系数差分方程表示的LTI系统与有理系统函数之间的关系。掌握单个零极点系统幅频特性,具有分析多个零极点幅频响应的能力。
CH4-1 LTI系统的表征与特征函数
CH4-2 LTI系统的频域表示
CH4-3-1&2 差分方程与z域分析
CH4-3-3 有理系统频率响应
CH4 习题解析
CH4 离散系统变换域分析(1) 测验
CH4 离散系统变换域分析(1) 作业
第6周 CH4 离散系统变换域分析(2)
课时目标: 本周学习频率响应共轭这对特殊的LTI系统、零极点分布规律、以及由此设计因果稳定系统的原理。理解全通系统、最小相位系统幅频特点、零极点分布。掌握对有理系统函数进行全通分解,并设计补偿系统的方法。
CH4-4-1 幅频特性相同的系统
CH4-4-2&3 全通系统与全通分解
CH4-4-4 系统补偿方法
CH4 知识导图:离散系统变换域分析
CH4 习题解析
CH4 离散系统变换域分析(2) 测验
CH4 离散系统变换域分析(2) 作业
第7周 CH4 离散系统变换域分析(3)
课时目标: 本周学习零相位、线性相位系统频域和时域特点,能够利用DTFT对称性、时移性分析零相位、线性相位系统。了解4类因果广义线性相位系统零极点分布,尤其是1、-1处零点分布特点,及各自适合的滤波器种类。至此,离散时间系统的基本理论学习结束,下面将学习离散时间信号与系统的应用。
CH4-5-1 广义线性相位系统特点
CH4-5-2 因果广义线性相位系统的频率响应
CH4-5-3 因果广义线性相位系统零点分布
CH4-5 实验:LTI系统的频域表示
CH4 离散系统的变换域分析(3) 测验
CH4 离散系统的变换域分析(3) 作业
第8周 CH5 信号的采样与重建
课时目标: 本周学习连续时间信号采样、连续时间信号重建过程,理解信号采样得到离散信号,量化后得到数字信号。掌握信号采样和重建的过程中时域和频域的变换关系,因此需清楚掌握第3章学习的DTFT相关知识。
CH5-1&2 数字处理与理想采样
CH5-3&4 理想重建与余弦信号采样
CH5-5 采样和重建的实际问题
CH5 知识导图:信号的采样与重建
CH5 实验:信号的采样与重建
CH5 习题解析
CH5 信号的采样与重建 测验
CH5 信号的采样与重建 作业
第9周 CH6 离散傅里叶变换(DFT)(1)
课时目标: 本周学习DFT定义及本门课各种变换之间的关系,此外,对照上一章时域采样学习频域采样与重建。重点理解和掌握DFS与DTFT之间的频域采样关系,理解DFT为DFS的一个周期(注意DFT的隐周期性)。深刻理解有限长序列的DFT与DTFT之间时域周期延拓。理解计算机等数字系统计算的都是DFT,因此需要掌握由DFT插值得到DTFT、z变换、乃至FT得基本原理和方法。
CH6-1-1&2 DFT的定义与变换的关系
CH6-1-3 频域采样与重建
CH6 知识导图:离散傅里叶变换
CH6 实验:离散傅里叶变换
CH6 习题解析
CH6 离散傅里叶变换(DFT)(1) 测验
CH6 离散傅里叶变换(DFT)(1) 作业
第10周 CH6 离散傅里叶变换(DFT)(2)
课时目标: 本周学习DFT性质和定理、对称性、以及利用DFT完成线性卷积。对比DFT的时移性、时域卷积、对称性与DTFT、DFS对应性质的异同,深刻理解隐周期性。深刻理解线性卷积、周期卷积、圆周卷积的异同。掌握 DFT 实现两个有限长序列的线性卷积的方法。
CH6-2-1 DFT的性质和定理
CH6-2-2 DFT的对称性
CH6-3 DFT完成线性卷积
CH6 实验:快速卷积
CH6 习题解析
CH6 离散傅里叶变换(DFT)(2) 测验
CH6 离散傅里叶变换(DFT)(2) 作业
第11周 CH7 快速傅里叶变换(FFT)
课时目标: 本周学习DFT的快速实现方法FFT。FFT极大地推动了数字信号处理的发展,被认为是数字信号处理学科的开端。掌握基2按时间抽取DIT-FFT、按频率抽取DIF-FFT实现过程,尤其是第一级分解过程。了解蝶形结构。掌握FFT、实序列FFT的实现方法。
CH7-1 按时间抽取FFT
CH7-2 按频率抽取FFT
CH7-3 IFFT、FFT实现及应用
CH7 知识导图:快速傅里叶变换
CH7 习题解析
CH7 快速傅里叶变换(FFT) 测验
CH7 快速傅里叶变换(FFT) 作业
第12周 CH8 信号的频域分析方法
课时目标: 本周学习基于DFT(FFT)的信号频域分析方法。了解利用傅立叶变换分析信号的流程。掌握窗函数主瓣、旁瓣对分辨率和小信号检测的影响,以及提高分辨率和小信号检测性能的方法。掌握DFT(FFT)计算频谱时栅栏效应的原因,影响及其消除方法。
CH8-1 信号截短(时域加窗)
CH8-2 DFT运算(频域采样)
CH8-3 频域分析应用
CH8 知识导图:信号的频域分析方法
CH8 实验:信号频谱分析
CH8 教学案例:基于毫米波雷达的人体行为感知
CH8 教学案例:基于毫米波雷达的手势测量与识别应用
CH8 教学案例:基于毫米波雷达的液面高度高精度测量
CH8 习题解析
CH8 信号的频域分析方法 测验
CH8 信号的频域分析方法 作业
第13周 CH9 数字滤波器设计方法(1)
课时目标: 本周学习模拟滤波器设计方法、以及利用冲激响应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器。掌握模拟低通滤波器设计方法的原理,了解设计过程。理解冲激响应不变法与双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理,掌握两种方法设计滤波器流程,以及保证系统因果稳定性的原理。
CH9-1 模拟滤波器设计
CH9-2 冲激响应不变法
CH9-3 双线性变换法
CH9 知识导图:数字滤波器设计方法
CH9 实验:IIR滤波器设计
CH9 习题解析
CH9 数字滤波器设计方法(1) 测验
CH9 数字滤波器设计方法(1) 作业
第14周 CH9 数字滤波器设计方法(2)
课时目标: 本周学习利用窗函数法和频率采样法设计FIR数字滤波器。掌握窗函数设计法设计 FIR 滤波器流程,了解频率采样法设计 FIR 滤波器流程。掌握窗函数主瓣、旁瓣对滤波器过渡带、纹波的影响机理,以及减小过渡带和纹波的方法。理解两种方法保证线性相位的方法。
CH9-4 窗函数设计滤波器原理
CH9-5 窗函数法设计滤波器
CH9-6 频率采样法设计滤波器
CH9 实验:FIR滤波器设计
CH9 习题解析
CH9 数字滤波器设计方法(2) 测验
CH9 数字滤波器设计方法(2) 作业
第15周 CH10 数字滤波器实现方法
课时目标: 本周学习IIR和FIR数字滤波器的流图实现方法。掌握IIR滤波器直接型、级联型、并联型的流图表示法,掌握上述各流图零极点是否可独立控制,理解流图反馈域IIR之间的关系,了解转置型流图。掌握4类广义线性相位FIR滤波器直接型、频率采样型滤波器的流图表示法。了解不同结构流图对量化误差的敏感原理,了解零极限环。
CH10-1-1 IIR滤波器流图表示(直接型)
CH10-1-2 IIR滤波器流图表示(级联并联转置)
CH10-2 FIR滤波器流图表示
CH10-3 数字滤波器的有限字长效应
CH10 知识导图:数字滤波器实现方法
CH10 实验:IIR滤波器实现
CH10 实验:FIR滤波器实现
CH10 习题解析
CH10 数字滤波器实现方法 测验
CH10 数字滤波器实现方法 作业
第16周 CH11 采样率转换
课时目标: 本周学习多率信号中的采样率转换的原理。掌握整数倍抽取和插值频谱变化以及处理流程。理解整数倍抽取和插值中滤波器的多相分解高效实现。
CH11 采样率转换
CH11 知识导图:《数字信号处理》
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预备知识

先修课程:高等数学(数学分析)、线性代数、复变函数、电路分析、信号与系统等。

参考资料

王俊雷鹏, 高飞孙国良张玉玺牛力丕王彩云编著. 数字信号处理(第2版). 北京: 高等教育出版社, 2023.

[] Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, 黄建国, 刘树棠, 张国梅译. 离散时间信号处理(第3版). 北京: 电子工业出版社, 2015.

常见问题

Q : 这门课是干什么的?

A : 数字信号处理是在《信号与系统》基础上,讲授离散信号与系统的基本理论、数字系统的设计实现方法。本课还安排了音频处理实验。一方面学会基本理论,另一方面学会利用Matlab分析信号、设计滤波器、实现滤波器。

Q : 本门课程难吗?

A : 数字信号处理涉及到大量的积分变换,因此大家感觉到比较难。本门课程从变换的物理意义讲起,由浅入深,讲授三大变换,变换的应用,系统的特点,系统的设计与实现等内容。同时制作了大量的图片、知识导图,安排了系列实验,辅助学习。

Q : 数字信号处理和离散信号处理有什么不同?

A : 数字信号是指信号的自变量(一般是时间)和信号值都是离散的,离散数字是指信号的自变量(一般是时间)是离散的。因此,在进行理论分析时都用离散信号,而数字系统只能实现数字信号处理。离散信号的信号值量化后,即为数字信号。也就是说数字信号是带误差的离散信号,该误差就是量化误差。

Q : 数字信号处理一般由什么处理器实现?

A : DSP是专门设计用来进行数字信号处理的处理器。我们也经常用计算机进行数字信号处理,常用的软件有Matlab。在嵌入式应用场合,大多数使用FPGA、DSP,也有使用ARM处理器进行数字信号处理的。我们在课程实验里,设计了Matlab设计与实现实验,同时也给大家设计了FPGA、DSP实验。

北京航空航天大学
4 位授课老师
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教授 博导

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副教授

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