数字信号处理课程的发展历程及展望课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0,数字信号处理起源于十八世纪的数学，随着信息科学和计算技术的迅速发展，数字信号处理的理论与应用得到迅速发展，形成一门极其重要的学科。当今数字信号处理的理论和方法已得到长足的发展，成为数字化时代的重要支撑，其在各个科学和技术领域中的应用具有悠久的历史，已经渗透到我们生活和工作的各个方面。,历史沿革,第1页/共26页,数字信号处理起源于十八世纪的数学，随着信息科学,1,信号处理在生物医学工程、地震学、声纳、雷达、通信、控制等领域都日益显示其重要作用。例如在医学信号或地震信号分析中，我们需要提取某些重要的特征参数，在雷达和通信信号处理中，我们希望剔除信号中的噪声或干扰。,历史沿革,第2页/共26页,信号处理在生物医学工程、地震学、声纳、雷达、通信、控,2,20,世纪,80,年代中后期，我国开设数字信号处理课程的高校不断增加，一些重点大学为某些专业本科生开设此课，课程教学内容主要以原理阐述与算法推导为主。,国内出版的教材也相应增加。,西安交通大学，邹理和,数字信号处理,1985,北京交通大学，吴湘淇,数字信号处理技术及应用,1986,北京理工大学，王世一,数字信号处理,1987,历史沿革,第3页/共26页,20世纪80年代中后期，我,3,20,世纪,90,年代初期，开设本科生数字信号处理课程的高校数量大增，已成为许多高校本科生的必修课，大量面向本科教学的数字信号处理教材问世。,西电丁玉美编著的,数字信号处理,1994,清华大学程佩清编著的,数字信号处理教程,1994,北交大吴湘淇编著的,信号、系统和信号处理,1996,课程内容中增加了利用,Fortran,、,C,等高级语言进行算法仿真与实现等内容。,历史沿革,第4页/共26页,20世纪90年代初期，开设本科生数字,4,从,20,世纪,90,年代,末以来，数字信号处理课程几乎在国内所有大学的电气信息类等学科专业的本科生和研究生中开设，且是本科生的必修课和研究生的学位课。面向本科教学的数字信号处理教材大幅增加。,吴镇杨编著的,数字信号处理,(,十五规划,),，高等教育出版社，,2003,陈后金编著的,数字信号处理,(,十五规划,),，高等教育出版社，,2004,增加了近代信号处理的理论和方法，并将,Matlab,与数字信号处理有机结合，作为信号处理的仿真分析手段，从而将理论分析与计算机仿真融为一体。,历史沿革,第5页/共26页,从20世纪90年代末以来，数字信号处理课程几乎,5,某些院校虽然没有单独开设数字信号处理课程，但在信号与系统课程中增加离散傅里叶变换,DFT,，快速傅里叶变换,FFT,，,IIR,数字滤波器设计，,FIR,数字滤波器设计等内容。相应的教材也相继出版，如清华大学郑君里教授编著的,信号与系统,(,第,2,版,),（上下册），高等教育出版社，,2000,。东南大学管致中教授编著的,信号与系统,(,第,4,版,),（上下册），高等教育出版社，,2004,。,历史沿革,第6页/共26页,某些院校虽然没有单独开设数字信号处理课程，但在信,6,在,DSP,实验平台建设方面，,90,年代后期，美国德州仪器公司先后与我国,100,多所高校联合建立,DSP,系统实验室，用于本科生和研究生的,DSP,实践教学。,近年来，由于各级电气信息类实验教学示范中心建设的推动，大批高校纷纷扩建,DSP,实验室，为本科生开设,DSP,方面软件分析与硬件实现实验。目前,DSP,技术已成为学生就业和开展科研工作的基本技能。,历史沿革,第7页/共26页,在DSP实验平台建设方面，90年代后期，美国德州,7,掌握数字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,掌握数字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,掌握数字信号处理的基本技术,DSP,软件仿真分析技术，,DSP,系统开发应用技术,提高应用,DSP,理论和技术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,学习目标,第8页/共26页,掌握数字信号处理的基本理论学习目标第8页/共26页,8,课程体系,第9页/共26页,课程体系第9页/共26页,9,信号处理课群主要包含,“,信号与系统、,数字信号处理、,DSP,技术及应用、信号分析与处理实验、,DSP,系统课程设计”,等相关课程,。,数字信号处理课程体系经历了不断丰富发展的过程，并日臻完善。课程体系主要由信号分析与处理，以及离散系统设计构成。通过对近年来我国数字信号处理教材的分析，可将该课程教学内容归结为,经典内容,和,近代内容,。,课程体系,第10页/共26页,信号处理课群主要包含“信号与系统、数字信,10,经典内容：,课程体系,第11页/共26页,经典内容：课程体系第11页/共26页,11,在介绍数字信号处理的理论和方法的基础上，进行,MATLAB,仿真实验，再进行基于,DSP,系统的开发应用实验。部分院校开设了,DSP,技术课程，侧重介绍,DSP,系统的内部结构和指令系统等。,目前，信号处理课群体系正逐步成熟，并得到国内高校的认可，其体现了,理论与实践,的有机结合，体现了,原理、方法和技术,的有机结合。,课程体系,第12页/共26页,在介绍数字信号处理的理论和方法的基础上，进行M,12,课程体系,第13页/共26页,课程体系第13页/共26页,13,1.,连续时间信号,(,周期为,T,0,),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,),四种信号的频谱,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）。,第14页/共26页,1.连续时间信号(周期为T0)2.连续时间非周期信号3.,14,抽样定理如何引入与论证？,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,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,第15页/共26页,抽样定理如何引入与论证？什么是信号抽样?体现信号的时域与频,15,若连续信号,x,(,t,),与,离散序列,x,k,时域关系为,其中：,T,为抽样间隔，,w,sam,=2,p,/,T,为抽样角频率,则两者在频域存在以下关系,抽样定理的内涵,核心：信号时域的离散化导致其频域的周期化,第16页/共26页,若连续信号x(t)与离散序列xk 时域关系为其中：T,16,带限信号抽样定理的描述,对于,带限信号,x,(,t,),，信号时域抽样定理可描述为,f,s,am,=,2,f,m,为最小抽样频率，称为,Nyquist Rate,.,若抽样间隔,T,满足下列约束条件，则可由抽样序列表示原连续信号。,f,sam,2,f,m,（或,sam,2,m,）,f,m,为信号最高频率,第17页/共26页,带限信号抽样定理的描述对于带限信号x(t)，信号时域抽样定,17,如何看待,DFT,的作用,?,信号的,Fourier,变换,从理论上,解决了如何从时域映射到频域。,而,DFT,解决了利用,数字化方法,实现信号的频谱分析！,第18页/共26页,如何看待DFT的作用?信号的Fourier变换从理论上第18,18,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,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,DFT,的作用,?,第19页/共26页,DFT分析信号频谱的基本思想 利用信号Four,19,如何学习,FFT,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。,第20页/共26页,如何学习FFT算法?介绍FFT算法的重要作用DFT解决了利,20,FFT,算法的基本思想,1.,将,长序列,DFT,分解为,短序列,的,DFT,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,。,如何学习,FFT,算法,?,第21页/共26页,FFT算法的基本思想1.将长序列DFT分解为短序列,21,基,2,时间抽取,FFT,算法的基本关系,基,3,时间抽取,FFT,算法的基本关系,基,4,时间抽取,FFT,算法的基本关系,利用,FFT,算法的思想，,从具体到一般，,为学习其他快速算法,如何学习,FFT,算法,?,第22页/共26页,基2时间抽取FFT算法的基本关系基3时间抽取FFT算法的基本,22,如何学习数字滤波器的设计？,利用系统的频域分析和系统函数的基本理论，根据,IIR,和,FIR,数字滤波器的特性和系统函数的特点，介绍,IIR,和,FIR,数字滤波器设计的基本方法，以及它们的适用范围。,基于模拟滤波器设计,IIR,数字滤波器,（,BW,，,CB,，,C,型,AF,的引入）,基于线性相位约束条件设计,FIR,数字滤波器,（窗口法和优化设计方法）,第23页/共26页,如何学习数字滤波器的设计？利用系统的频域分析和,23,IIR,数字滤波器设计的基本方法,W,p,W,s,w,p,w,s,H,(,s,),H,(,z,),频率,变换,设计模拟,滤波器,脉冲响应不变法,双线性,变换法,w,p,w,s,H,(,s,),频率,变换,设计原型,低通滤波器,复频率,变换,BW,，,CB,，,C,三个低通模板,如何学习数字滤波器的设计？,第24页/共26页,IIR数字滤波器设计的基本方法Wp,Wswp,wsH(s)H,24,如何理解信号的时频分析和小波变换？,从信号,小波,(wavelet),变换,的应用展现信号,时频分析的魅力。,从信号表示的角度阐述信号,时频分析,的数学,概念、物理概念、工程概念。,从信号的,Fourier,变换、信号的短时,Fourier,变换的不足，引入信号的,Wavelet,变换,。,第25页/共26页,如何理解信号的时频分析和小波变换？从信号小波(wavelet,25,感谢观看！,第26页/共26页,感谢观看！第26页/共26页,26,