數(shù)字信號處理課程的發(fā)展歷程及展望

1、厚理博術，踐實篤行——數(shù)字信號處理課程的發(fā)展歷程及展望,歷史沿革 教學目標 課程體系 教學方法 課程展望,主要內(nèi)容,數(shù)字信號處理起源于十八世紀的數(shù)學，隨著信息科學和計算技術的迅速發(fā)展，數(shù)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(shù)字信號處理的理論和方法已得到長足的發(fā)展，成為數(shù)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(jīng)滲透到我們生活和工作的各個方面。,歷史沿革,信號處理在

2、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(shù)，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,20世紀70年代，陸續(xù)出版了一些數(shù)字信號處理著作和教材，數(shù)字信號處理課程也陸續(xù)在一些世界著名大學開設。 我國的數(shù)字信號處理課程于80年代初期首先在研究生層次開設，極少數(shù)重點學校在無線電專業(yè)本科生中作為選修課開設

3、，大多選用奧本海姆編著的《數(shù)字信號處理》教材或自編講義。,歷史沿革,20世紀80年代中后期，我國開設數(shù)字信號處理課程的高校不斷增加，一些重點大學為某些專業(yè)本科生開設此課，課程教學內(nèi)容主要以原理闡述與算法推導為主。國內(nèi)出版的教材也相應增加。西安交通大學，鄒理和《數(shù)字信號處理》,1985北京交通大學，吳湘淇《數(shù)字信號處理技術及應用》,1986北京理工大學，王世一《數(shù)字信號處理》,1987 ……,歷史沿革,20世紀90年代初期，開

4、設本科生數(shù)字信號處理課程的高校數(shù)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(shù)字信號處理教材問世。西電丁玉美編著的《數(shù)字信號處理》,1994清華大學程佩清編著的《數(shù)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(nèi)容中增加了利用Fortran、C等高級語言進行算法仿真與實現(xiàn)等內(nèi)容。,歷史沿革,從20世紀90年代末以來，數(shù)字信號處理課程幾乎在國內(nèi)所有大學的電氣信息類等

5、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(shù)字信號處理教材大幅增加。吳鎮(zhèn)楊編著的《數(shù)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(shù)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(shù)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,某些院校雖然沒有單獨開設數(shù)字信號處

6、理課程，但在信號與系統(tǒng)課程中增加離散傅里葉變換DFT，快速傅里葉變換FFT，IIR數(shù)字濾波器設計，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器設計等內(nèi)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,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(lián)合建立DSP系統(tǒng)實驗室，

7、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(xiàn)實驗。目前DSP技術已成為學生就業(yè)和開展科研工作的基本技能。,歷史沿革,歷史沿革 教學目標 課程體系 教學方法 課程展望,主要內(nèi)容,掌握數(shù)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(shù)字信號處理的基本方法

8、 數(shù)字化分析方法，濾波器設計方法，快速算法 掌握數(shù)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,教學目標,歷史沿革 教學目標 課程體系 教學方法 課程展望,主要內(nèi)容,,課程體系,信號處理課群主要包含“信號與系統(tǒng)、數(shù)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”

9、等相關課程。 數(shù)字信號處理課程體系經(jīng)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與處理，以及離散系統(tǒng)設計構成。通過對近年來我國數(shù)字信號處理教材的分析，可將該課程教學內(nèi)容歸結為經(jīng)典內(nèi)容和近代內(nèi)容。,課程體系,經(jīng)典內(nèi)容：,,課程體系,近代內(nèi)容：FFT算法：基4 FFT，混合基FFT，分裂基FFT數(shù)字濾波器設計：優(yōu)化設計，格形結構功率譜估計：經(jīng)典譜估計法，現(xiàn)代譜估計法信號時頻分析：短時Fourier變換，

10、小波變換多速率信號處理：抽取和內(nèi)插，濾波器組分析,,課程體系,在介紹數(shù)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(nèi)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(nèi)高校的認可，其體現(xiàn)了理論與實踐的有機結合，體現(xiàn)了原理、方法和技術的有機結合。,課程體系,信號與系統(tǒng) （原理與概念）,數(shù)字信號處理

11、 （方法與技術）,信號分析與處理實驗（基于MATLAB仿真）,DSP系統(tǒng)課程設計（開發(fā)應用）,DSP技術及應用（設計應用）,整體優(yōu)化信號處理課群體系，突出信號分析是基礎，系統(tǒng)分析是橋梁，仿真分析為手段，實現(xiàn)原理、方法和應用的有機結合。,課程體系,建立了信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理的新課程體系。,信號處理課群體系的特點:,課程體系,在“信號與系統(tǒng)”中，突出基本原理與概念；在“數(shù)字信號處理”中，突出數(shù)字化方法與技術；在“信號處理實驗

12、”和“DSP課程設計”中，突出DSP理論和技術的實際應用。,突出了信號分析是基礎、系統(tǒng)分析是橋梁、仿真分析是手段。,課程體系,信號處理課群體系的特點:,在信號分析中，突出信號的表示；在系統(tǒng)分析中，突出系統(tǒng)的描述。在仿真分析上，突出數(shù)字化技術和DSP軟硬件實現(xiàn)。,積極引入信息技術領域的發(fā)展成果，優(yōu)化課程體系，更新教學內(nèi)容。,課程體系,信號處理課群體系的特點:,將數(shù)字信號處理課程中的某些基礎內(nèi)容（如DTFT，DFS等）向信號與系統(tǒng)課程中下移

13、，在數(shù)字信號處理課程中增加近代信號處理的內(nèi)容（如多速率信號處理、小波分析等）。,,課程體系,課程體系,回聲估計與消除,課程體系,歷史沿革 教學目標 課程體系 教學方法 課程展望,主要內(nèi)容,知識講解 ? 知識傳授、能力提高、素質培養(yǎng)。,定義、性質、舉例 ? 問題提出、問題分析、 問題解決、問題延伸。,公式推導、計算技巧 ? 數(shù)學概念、物理概念、

14、 工程概念。,教學方法,在理論教學中，注重知識的呈現(xiàn)方式，按照認知規(guī)律開展教學。知識點之間有承上啟下的描述，內(nèi)容有由此及彼的歸納。從數(shù)學概念來抽象定義，從物理概念來闡述性質，從工程概念來拓展應用。 以教學內(nèi)容為載體，努力實現(xiàn)在傳授學生知識的同時，提高其自主學習能力和自主探究能力。,教學方法,整體介紹四種信號的頻譜有何利弊? 抽樣定理如何引入與論證？ 如何看待D

15、FT的作用? 如何分析FFT算法? 如何介紹數(shù)字濾波器設計？ 如何引入某些新內(nèi)容？,教學方法,1. 連續(xù)時間信號(周期為T0),2. 連續(xù)時間非周期信號,3. 離散非周期信號,4. 離散周期信號(周期為N),,,,,整體介紹四種信號的頻譜有何利弊?,從信號表示的角度引入Fourier變換（數(shù)學概念），其性質揭示了信號時域與頻域之間的內(nèi)在聯(lián)系（物理概念）。,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?

16、 抽樣定理的理論推導 抽樣定理內(nèi)容及其應用,體現(xiàn)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…,信號抽樣模型,,抽樣定理的論證,,,,,?,連續(xù)信號x(t)的頻譜為X(jω)，離散序列x[k] 頻譜為 X(ejW),,,抽樣定理的論證,若連續(xù)信號x(t)與離散序列x[k] 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(nèi)涵,核心：信號時域的離散化導致其頻

17、域的周期化,帶限信號抽樣定理的描述,對于帶限信號x(t) ，信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ωsam ? 2ω m）,fm為信號最高頻率,,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(shù)字化方法實現(xiàn)信號的頻譜分析！,DF

18、T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(nèi)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為DFT奠定了理論基礎,如何看待DFT的作用?,四種信號的時域與頻域對應關系,,,,如何介紹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(shù)字化方法實現(xiàn)

19、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。,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。,如何介紹FFT算法?,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

20、系,利用FFT算法的思想，從具體到一般，為學習其他快速算法…,如何介紹FFT算法?,如何介紹數(shù)字濾波器的設計？,利用系統(tǒng)的頻域分析和系統(tǒng)函數(shù)的基本理論，根據(jù)IIR和FIR數(shù)字濾波器的特性和系統(tǒng)函數(shù)的特點，介紹IIR和FIR數(shù)字濾波器設計的基本方法，以及它們的適用范圍。,基于模擬濾波器設計IIR數(shù)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(shù)字濾波器（窗口法和優(yōu)化設計方法）,,IIR數(shù)字濾波器設計的

21、基本方法,,wp,ws,H(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,如何介紹數(shù)字濾波器的設計？,如何引入信號的時頻分析和小波變換？,從信號小波(wavelet)變換的應用展現(xiàn)信號時頻分析的魅力。,,從信號表示的角度闡述信號時頻分析的數(shù)學概念、物理概念、工程概念。,從信號的Fourier變換、信號的短時Fourier變換的不足，引入信號的Wavelet變換。,信號的頻域分析不適合于非

22、平穩(wěn)信號，信號的時頻分析成為必然。,如何引入信號的時頻分析和小波變換？,,為小波展開系數(shù) ，稱為信號x(t)的離散小波變換(Discrete Wavelet Transform, DWT)。,其中：,x(t)的小波展開式稱為離散小波反變換 IDWT。,若基函數(shù)為小波信號y j,k(t)，則信號的小波表示為,如何引入信號的時頻分析和小波變換？,如何引入信號的時頻分析和小波變換？,1024點的原始信號,512點重建的信號(2:1壓縮),25

23、6點重建的信號(4:1壓縮),128點重建的信號(8:1壓縮),64點重建的信號(16:1壓縮),32點重建的信號(32:1壓縮),如何引入信號的時頻分析和小波變換？,在信號處理實驗教學方面,仿真實驗主要側重分析和解決問題的原理及方法 DSP技術實驗側重仿真分析基礎上的軟硬件實現(xiàn) 以實驗內(nèi)容為載體，掌握DSP系統(tǒng)資源的開發(fā)利用 淡化DSP芯片的底層細節(jié)，突出DSP的工作機理 實驗內(nèi)容面向學科專業(yè)及工程實際，激發(fā)學習興趣,

24、教學方法,CCS的應用,定時器的開發(fā),D/A的開發(fā)利用,A/D、D/A的利用,A/D、D/A、DMA、內(nèi)部函數(shù)的利用,A/D、D/A、DMA、內(nèi)部函數(shù)、內(nèi)存管理的綜合利用,DSP系統(tǒng)課程設計,教學方法,DSP實驗系統(tǒng)的主要資源,教學方法,為了提高實驗教學效果，提出“三個轉變”的實驗教學思想，形成以學生為中心的實驗教學模式，突出學生探索精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。 轉變實驗輔導解答為實驗引導啟發(fā) 轉變面向實驗結果為面向實驗過程 轉

25、變實驗單一模式為實驗多元模式,教學方法,為了提高課程教學效果，促進學生在知識、能力和素質上的協(xié)調(diào)發(fā)展，積極開展雙語教學和研究性教學的探索，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生自主性學習與自主性研究能力，以及外語運用能力。,教學方法,利用DFT分析模擬信號頻譜的探究：,x(t) -------> x[k] -------> x[k] w[k] -------> X[m] 抽樣 加窗

26、 DFT,思考題：(1) x(t)可由Fourier 變換的定義直接求 X( jw) , 為何利用DFT來分析？ (2) 利用DFT分析模擬信號 x(t) 的頻譜的過程中會 出現(xiàn)哪些主要誤差，如何改善？,教學方法,信號濾波問題的探究：在語音信號中混有噪聲，信噪比為3db。試濾除該語音信號中的噪聲。,涉及信號譜分析、濾波器類型和參數(shù)選擇、濾波器設計與應用，F(xiàn)I

27、R， IIR，基于DWT…？,教學方法,思考題： (1) 若連續(xù)時間信號 x(t) 的最高頻率未知，如何確定 信號的抽樣間隔T？ (2) 非帶限信號抽樣不失真條件是否也必須滿足fs≥2fm ？ (3) 比較非帶限信號抽樣過程中的混疊誤差與截斷誤差？,時域抽樣問題的探究,教學方法,抽樣頻率fs=44,100 Hz,抽樣頻率fs=5,512 Hz,抽樣頻率fs=5,512 Hz, 抽樣前對信號進行了抗混濾波,教學方法,工

28、程實際應用問題的探究：如何將男生的語音信號轉換為女生的語音信號？如何將年輕人語音信號轉換為老年人語音信號？,涉及信號譜分析、特征提取、算法實現(xiàn)等,教學方法,歷史沿革 教學目標 課程體系 教學方法 課程展望,主要內(nèi)容,厚理博術，踐實篤行,信號處理課群是電氣信息類學科專業(yè)重要的基礎課程，具有理論性和技術性都很強的特點，其對促進學生在知識、能力和素質方面的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要作用。信號處理技術也是信息技術(IT)的核心內(nèi)容。,

29、課程展望,厚理博術 厚理博術的內(nèi)涵是既要具有深厚的理論，又要掌握系統(tǒng)的方法與技術。 信號處理課群是電氣信息類專業(yè)重要的學科基礎課程，涉及許多重要的理論和技術，其為學生未來的專業(yè)學習和科學研究奠定了重要的基礎，對學生的知識和能力也具有深遠的影響。,課程展望,踐實篤行 踐實篤行的內(nèi)涵是要注重實踐，不斷踐行所學知識，提高實踐能力和創(chuàng)新能力，形成理論與實踐的相互促進。 信號處理課群涵蓋理論課