信号处理系列课程建设陈后金

hjchen@bjtu.edu.cn

2009 年 11 月

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

主要内容

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

课程教学目标

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

国家精品课程评价指标

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

主要内容

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

改革思路：课程建设思路

更新教学观念课程体系与教学方法

教学团队建设

教学平台与资源

建设精品课程

人才培养( 知识 能力 素质 )

课程建设思路

支撑的平台实施的主体

课程体系优化

“ 厚理博术，践实笃行”

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。

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。

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……

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。

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

课程体系优化

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。

课程体系优化

基础性实验 掌握基本实验技能、基本实验方法、基本分析处理能力。

综合设计性实验 提高电路级的综合设计能力，以及系统级的开发应用能力

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。

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

信号与系统 （原理）

数字信号处理 （方法）

信号分析与处理实验（基于 MATLAB 仿真）

DSP 系统课程设计（应用）

DSP 技术及应用 （技术）

课程体系优化

连续系统

离散系统

系统的描述 输入输出描述法：N 阶微分方程

系统响应求解状态空间描述： N 个一阶微分方程组

时域：频域：复频域：

系统的描述 输入输出描述法：N 阶差分方程

系统响应求解状态空间描述： N 个一阶差分方程组

时域：频域：Z 域：

y(t)=x(t)*h(t)

连续信号

离散信号

时域：信号表达为冲激信号的线性组合频域：信号表达为正弦信号的线性组合（ CFS ， CTFT ）

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频域：信号表达为正弦序列的线性组合（ DFS ， DTFT ）

Z 域：信号表达为复指数的线性组合（单边、双边）信号与系统Y(j)=X(j)H(j)Y(s)=X(s) H(s)

y[k]=x[k]*h[k]Y(ej)=X(ej)H(ej)Y(z)=X(z)H(z)

系统分析

信号分析

应用

(1) (2) (3) 在 在通 生信 物中 神调 经制 系解 统调 中的 的应 应用 用

信号的抽样定理

课程体系优化

滤波器设计 DFT

信号分析 信号处理

“ 数字信号处理”课程内容的架构关系

数字化的技术 FFT 滤波器组概念

课程体系优化

应用

(1) (2) (3) (4)D 小 信 离F 波 号 散T 在 抽 系在 信 样 统信 号 速 处号 去 率 理谱 噪 转 连分 和 换 续析 压 信和 缩 号卷积计算

I IR滤波器设计（脉冲不变法、双线性变换法）

FIR滤波器设计（窗口法、频率取样法、优化法）数字滤波器设计

数字滤波器结构（直接型、级联型、并联型、格型）

信号多速率变换(抽取、内插、滤波器组）

数字信号分析

离散傅里叶变换及其快速算法(DFT、FFT)

随机信号谱估计(经典、近代)

信号时频分析(STFT、DWT）

数字滤波器软硬件实现及有限字长效应

数字信号处理

离散信号与系统的分析(时域、频域、Z域)

课程体系优化

课程体系优化“ 信号处理实验”课程内容的架构关系

软件仿真 信号与系统

基本原理实验 综合应用实验

数字信号处理 硬件实验理论和技术的综合应用

回声估计与消除

课程体系优化

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

主要内容

教学方法改革

“ 欲善其事，必利其器”

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。

教学方法改革

教学方法改革

知识讲解 知识讲解 知识传授、能力提高、素质培养。知识传授、能力提高、素质培养。

定义、性质、举例 定义、性质、举例 问题提出、问题分析、 问题提出、问题分析、 问题解决、问题延伸。问题解决、问题延伸。

公式推导、计算技巧 公式推导、计算技巧 数学概念、物理概念、数学概念、物理概念、 工程概念。工程概念。

★ 如何讲解信号的三大变换？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？抽样定理如何引入与论证？★ 如何看待如何看待 DFTDFT 的作用的作用 ??

★ 如何分析如何分析 FFTFFT 算法算法 ??

★ 如何介绍数字滤波器设计？如何介绍数字滤波器设计？★ 如何引入某些新内容？如何引入某些新内容？★ 如何开展信号处理实验教学？如何开展信号处理实验教学？

教学方法改革

如何讲解信号的三大变换？如何讲解信号的三大变换？

FourierFourier 变换（频域分析）变换（频域分析）LaplaceLaplace 变换（复频域分析）变换（复频域分析）ZZ 变换（复频域分析）变换（复频域分析）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…

1. 1. 连续时间信号连续时间信号 (( 周期为周期为 TT00))

n

tnnXtx 0j0 e )()(~

2. 2. 连续时间非周期信号连续时间非周期信号 d e )j(

π21)( j tXtx

3. 3. 离散非周期信号离散非周期信号ΩXkx ΩkΩ d e )e(

π21][ jπ

π

j 4. 4. 离散周期信号离散周期信号 (( 周期为周期为 NN))

mkN

N

m

mXN

kxπ2j1

0

e ][~1][~

整体介绍四种信号的频谱有何利弊整体介绍四种信号的频谱有何利弊 ??

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） 。

抽样定理如何引入与论证？抽样定理如何引入与论证？

什么是信号抽样什么是信号抽样 ??

为什么进行抽样为什么进行抽样 ? ?

抽样定理的理论推导抽样定理的理论推导 抽样定理内容及其应用抽样定理内容及其应用

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…

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时域与频频域域之间的内在关系，建立信号的 DFT 与四种信号频谱之间的关系。

时域的离散化时域的周期化

频域周期化频域离散化

时域抽样定理频域抽样定理

时域抽样定理和频域抽样定理为 DFT奠定了理论基础

如何看待如何看待 DFTDFT 的作用的作用 ??

如何介绍如何介绍 FFTFFT 算法算法 ??

介绍 FFT 算法的重要作用 介绍 FFT 算法的基本思想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。

FFTFFT 算法的基本思想算法的基本思想1. 1. 将将长序列长序列 DFTDFT 分解为分解为短序列短序列的的 DFTDFT

2.2.在由短序列的在由短序列的 DFTDFT 表示长序列的表示长序列的 DFTDFT 过程中过程中 ,,

利用旋转因子 的利用旋转因子 的周期性周期性、、对称性对称性、、可约性可约性。。kmNW

如何介绍如何介绍 FFTFFT 算法算法 ??

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

DSPDSP 系统课程设计系统课程设计如何开展信号处理实验教学？如何开展信号处理实验教学？

A/D DMA

Timer

CPU

D/A DMA

MEM

如何开展信号处理实验教学？如何开展信号处理实验教学？

DSP 系统的资源应用

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。

如何开展信号处理实验教学？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。

如何开展信号处理实验教学？如何开展信号处理实验教学？

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

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。

如何开展信号处理实验教学？如何开展信号处理实验教学？

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。

(1) (1) 若连续时间信号 若连续时间信号 xx((tt) ) 的最高频率未知，如何确定的最高频率未知，如何确定 信号的抽样间隔信号的抽样间隔 TT？？ (2) (2) 非带限信号抽样不失真条件是否也必须满足非带限信号抽样不失真条件是否也必须满足 ffss≥2≥2ffm m ？？ (3) (3) 比较非带限信号抽样过程中的混叠误差与截断误差？比较非带限信号抽样过程中的混叠误差与截断误差？

xx((tt)) 抗混低通 A/Dxx11((tt)) xx11((kTkT))

☆时域抽样问题的探究教学方法改革

☆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( j) ,

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？

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，信噪比为在语音信号中混有噪声，信噪比为 3db3db 。试滤除该。试滤除该语音信号中的噪声。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… ？

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

教学方法改革

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。

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。

教学资源的建设

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。

物化研究成果，编著了高水平优质教材教学资源的建设

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。

物化研究成果，编著了高水平优质教材教学资源的建设

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。

教学资源的建设物化研究成果，编著了高水平优质教材

编著出版了 10 多本信号处理系列教材教学资源的建设

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

教学资源的建设

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

高等教育百门精品课程教材建设计划精品立项

教学资源建设

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。

基础实验平台

学科实验平台 专业实验平台

集成学科资源，构筑了开放性实验平台

教学资源建设集成学科资源，构筑了开放性实验平台

基础实验室与学科专业的有机结合有利于促进科研成果转化为实验教学内容，有利于基础课教师与专业课教师互动，有利于学生接触学科专业从而激发实验兴趣。

在师资队伍建设中，提出“人事相宜”的队伍建设理念，从岗位设置、师资培养、激励措施等方面进行改革，建立有效的队伍建设机制，体现教师成长和事业发展的和谐促进。

教学团队建设

在岗位设置上，充分尊重教师的个性，充分发挥教师的特长，充分注重教师各自的发展，设置了教学科研岗、科研教学岗、特聘教授岗。 在师资培养上，按照“三个结合”的建设思路，即理论教学与实践教学相结合，科学研究与教学研究相结合，课程建设与学科建设相结合。在激励措施上，制定了“三个优先”的原则，即优先安排出国研修以拓展视野；优先安排教师在职深造或学习最新的课程和技术；优先资助教师教学研究和科学研究项目。

教学团队建设

课程负责人陈后金博士，二级岗教授，国家级教学名师，国家级教学团队负责人，首批国家级精品课程和双语课程负责人，全国优秀教师，教育部新世纪优秀人才，教育部教学指导委员会委员，国务院政府特殊津贴专家。

教学团队共有 10名教师，其中教授 2人，副教授 5人，具有博士学位 7人，优秀主讲教师 7人，整体教学质量高。

队伍结构基本合理，整体教学质量高教学团队建设

谢 谢！