《信号与系统》教学大纲.doc

1、Signals and Systems 2015.9 2016.1 General Information Lecturer: Zhu Xueyong (SCIE,UESTC) Home Page: http:/222.197.183.243/wlxt/course.aspx?courseid=0217 Instructors: NAME ADDRESS Tel E_MAIL Zhu Xueyong Room-132A ,Building B 61830299 Tang Puying 13688094495 pyt_ He Chun Room-254 ,Building B 61831246

2、 cerelia Wu Huijuan Room-211 ,Building B 13699010975 Liu Hongsheng Room-232 ,Building B 61830347 liuhongsheng_ Chen Hui Room-254 ,Building B 61831246 Gao Jinjin Room-526 ,BuildingB 13880782259 J 开课学期： 第 3 学期 适用专业 ： “成电英才计划” 实验班 课程类别： 学科 基础课 总 学 时： 80（ 56/24） 总 学 分： 5 先修课程： 高等数学、电路分析 、复变函数 一、课程性质和

3、任务 本课程是电子信息与电气类专业本科生的一门重要的专业基础课程。它主要讨论信 号的分析方法以及线性非时变系统对信号的各种求解方法，并通过一些 实例分析，向学生介绍一些工程应用中非常重要的概念、理论和方法。本课程为学生今后进一步学习信号处理、通信理论、网络理论、控制理论等课程打下良好的基础，同时也对进入研究生阶段学习许多课程也有很重要的基础作用。 通过本门课 程的学习，学生应该掌握基本的信号分析的基本理论和方法，掌握线性非时变系统的各种描述方法，掌握线性非时变系统的时域和频域分析方法，掌握有关系统的稳定性、频响、因果性等工程应用中的一些重要结论。同时，通过这门课程的学习，学生的分析问题和利用所

4、学的知识解决问题的能力 应 有所提高。 本门课程有着很强的数学背景，介绍的内容涉及到线性微分方程、复变函数、积分变换、离散数学等多门数学课程的知识，本课程的主要任务也是结合线性系统分析这一个主线，对这些数学方法进行详细的介绍。可以认为，这是一门结合实际工程应用进行的数学课程。课程中各个理论的系统性较强，数学推导比较严密，但是在内容中不苛求数学上的系统和严密。学生 应通过实际系统分析，理解相关的数学知识和分析方法如何应用于电子工程、通信系统、信号处理等 领域 ，并具备理论与工程 实际 相结合的分析、思维能力。 二、 理论 教学内容和要求 1、教学内容 、 要求 及教学方式 本课程主要内容 为信号

5、与系统的时域、变换域分析的基本原理和基本方法，信号与系统的各种域变换的数学概念、物理概念与工程概念，要求学生掌握利用信号与线性系统的基本理论与方法分析，并建立解决实际问题的思想、方法及严谨的科学态度。 本课程 理论 授课 大班 56 学时 ， 小班讨论课 24 学时 （ 共 12 次 ） 。 以下按章节列出 本课程的 教学内容、要求及教学方式。 第一章：信号与系统 （ 8 学时大班授课 及一次 小 班研讨课 ） 1.0 引言 1.1 连续时间和离散时间信号 （ 理解 ） 1.2 自变量的变换 （ 掌握 ） 1.3 指数信号与正弦信号 （ 理解 ） 1.4 单位冲激与单位阶跃函数 （ 掌握 ）

6、1.5 连续时间和离散时间系统 （ 理解 ） 1.6 系统基本性质 （ 理解 ） 1.7 小结 本 章教学 重 点： （ 1）信号的变换方法 （ 2）复指数信号的特点 （ 3）单位冲激信号，以及将任意信号分解为单位冲激信 号组合的概念 （ 4）系统的线性和时不变性 本 章教学难点： （ 1）信号的变换方法 （ 2）单位冲激信号对任意信号的分解 小班讨论课（ 1） 1、 发现连续时间冲激信号的物理、数学性质 2、 系统的 LTI 性质探索及应用 教学设计： 1、要求学生 课前 阅读教材 Advanced Problem 1.38 和 1.39 题，以及 2.5.1 节。 2、 教师 引导 课堂讨

7、论的主题，由学生在讨论中进行 观察、猜想、论证及数学推导。 第二章：线性时不变系统 （ 8 学时大班授课 及一次 小 班研讨课 ） 2.0 引言 2.1 离散时间 LTI 系统：卷积和 （ 掌 握 ） 2.2 连续时间 LTI 系统：卷积积分 （ 掌握 ） 2.3 线性时不变系统的性质 （ 掌握 ） 2.4 用微分和差分方程描述的因果 LTI 系统 （ 理解 ） 2.5 奇异函数 （ 掌握 ） 2.6 小结 本 章教学重点： （ 1） . 卷积和、卷积积分的计算。 （ 2）系统单位冲激响应的概念。 本 章教学难点： 卷积和、卷积积分的计算。 小班讨论课（ 2） 1、 探索卷积的应用 -自相关、

8、互相关。 2、 发现卷积计算的存在性、 LTI 系统的 eigen Function-exponential. 教学设计： 1、要求学生 课前 阅读教材 Advanced Problem 2.65-2.67 题。 2、 教师 引导 课堂讨论的主题 -自相关、互相关及其 工程背景 。 3、 拓展思维训练 - LTI 系统的 eigen Function， eigen value 的 物理意义 -系统传输函数。 第三章：周期信号的傅立叶级数 表示 （ 6 学时大班授课及一次小班研讨课） 3.0 引言 （ 了解 ） 3.1 历史回顾 （ 了解 ） 3.2LTI 系统对复指数信号的响应 （ 掌握 ）

9、3.3 连续时间周期信号的傅立叶级数表示 “ 掌握 ） 3.4 傅立叶级数的收敛 （ 了解 ） 3.5 连续时间傅立叶级数性 质 （ 理解 ） 3.6 离散 时间周期信号的傅立叶级数表示 （ 了解 ） 3.7 离散 时间傅立叶级数性质 （ 了解 ） 3.8 傅立叶级数与 LTI 系统 （ 掌握 ） 3.9 滤波 （ 理解 ） 3.10 用微分方程描述的连续时间滤波器举例 （ 理解 ） 3.11 用差分方程描述的离散时间滤波器举例 （ 了解 ） 3.12 小结 本 章教学重点： （ 1） LTI 系统对复指数信号的响应 。 （ 2）傅立叶级数的物理意义及计算。 （ 3）傅立叶级数的性质。 （ 4

10、） 傅立叶级数与 LTI 系统 本 章教学难点： （ 1）傅立叶级数的物理意义及计算。 （ 2） 傅立叶级数 与 LTI 系统 。 小班讨论课（ 3） 1、 探索函数的正交性。 2、 时域周期信号与 滤波 。 教学设计： 1、要求学生 课前 阅读教材 Advanced Problem 3.66 题及 3.8 节。 2、 教师 引导 课堂讨论的主题 -滤波及其 工程背景 。 第四章：连续时间傅立叶变换 （ 8 学时大班授课及一次小班研讨课） 4.0 引言 （ 理解 ） 4.1 非周期信号的表示：连续时间傅立叶变换 （ 掌握 ） 4.2 周期信号的傅立叶变换 （ 掌握 ） 4.3 连续时间傅立叶变

11、换性质 （ 掌握 ） 4.4 卷积性质 （ 掌握 ） 4.5 相乘性质 （ 掌握 ） 4.6 傅立叶变换性质和基本傅立叶 变换 对 列表 （ 掌握 ） 4.7 由线性常系数微分方程表征的系统 （ 理解 ） 4.8 小结 本 章教学重点： （ 1）傅立叶变换的物理意义及计算。 （ 2）傅立叶变换的性质及灵活运用。 本 章教学难点： （ 1）傅立叶变换的物理意义及计算。 （ 2）傅立叶变换的性质及灵活运用。 小班讨论课（ 4） 1、 Prove the properties of CTFT。 2、 quiz。 教学设计： 1、要求学生 课前 阅读教材 4.34.8 节。并 在小班课堂上自己推导 、

12、 证明过程。 2、教师 准备好前 4 章的 quiz 题目 ， 在 小班上 对 同学掌 握情况进行测试。 第五章：离散时间傅立叶变换 （ 2 学时大班授课及一次小班研讨课） 5.0 引言 5.1 非周期信号的表示：离散时间傅立叶变换 （ 理解 ） 5.2 周期信号的离散时间傅立叶变换 （ 了解 ） 5.3 离散时间傅立叶变换性质 （ 了解 ） 5. 4 卷积性质 （ 了解 ） 5.5 相乘性质 （ 了解 ） 5.6 傅立叶变换性质和基本傅立叶变换 对 列表 （ 了解 ） 5.7 对偶性 （ 了解 ） 5.8 由线性常系数差分方程表征的系统 （ 了解 ） 5.9 小结 本 章教学重点： 简单介绍

13、离散时间信号的傅立叶变换。 本 章教学难点： 离散时间信号固有的周期性频谱 特性。 小班讨论课（ 5） 1、 Prove the properties of DTFT。 2、探索 CTFT 与 DTFT 的关系。 教学设计： 1、要求学生 课前 阅读教材 5.35.7 节。并 在小班课堂上自己推导 、 证明过程。 2、 教师 引导 课堂讨论 CTFT 与 DTFT 的关系。 第六章：信号与系统的时域和频域特性 （ 3 学时大班授课及二 次小班研讨课） 6.0 引言 （ 理解 ） 6.1 傅立叶变换的模和相位表示 （ 掌握 ） 6.2 LTI 系统频率响应的模和相位表示 （ 理解 ） 6.3 理

14、想频率选择性滤波器的时域特性 （ 理解 ） 6.4 非理想滤波器的时 域和频域特性讨论 （ 理解 ） 6.5 一阶和二阶连续时间系统 （ 了解 ） 6.6 一阶和二阶离散时间系统 （ 了解 ） 6.7 系统的时域分析与频域分析举例 （ 了解 ） 6.8 小结 本 章教学重点： （ 1）系统的时域、频域描述。 （ 2）幅度谱和相位谱及滤波器概念。 本 章教学难点： 幅度谱和相位谱及滤波器概念。 小班讨论课（ 6） 1、 探索 LTI 系统的时 -频特性及其关系 2、 了解非理想滤波器的指标及其物理意义。 教学设计： 1、要求学生 课前 阅读教材 6.4 和 6.5 节以及习题 6.55。 2、

15、教师 引导 课堂讨论 幅频 特性、相频特性的物理意义。 小班讨论课（ 7） 1、 课程设计选题讨论 教学设计：每个 同学 预先选定自己感兴趣的课题，说明课题背景、研究内容、方法、预期结果。并 在规定时间内进行演讲。 第七章：采样 （ 3 学时大班授课及一次小班研讨课） 7.0 引言 “ 理解 ” 7.1 用信号样本表示连续时间信号：采样定理 （ 理解 ） 7.2 利用内插由样本重建信号 （ 理解 ） 7.3 欠采样的效果：混叠现象 （ 了解 ） 7.4 连续时间信号的离散处理 （ 了解 ） 7.5 离散时间信号的 采样 （ 了解 ） 7.6 小结 本 章教学重点： 采样定理。 本 章教学难点：

16、 冲激串采样后信号的周期性频 谱特性。 小班讨论课（ 8） 1、 探索连续时间信号的离散时间处理 教学设计：要求学生 课前 阅读教材 7.4 节。 第八章：通信系 统 （ 2 学时大班授课及一次小班研讨课） 8.0 引言 （ 理解 ） 8.1 复指数与正弦幅度调制 （ 理解 ） 8.2 正弦 AM 的解调 （ 理解 ） 8.3 频分多路复用 （ 了解 ） 8.4 单边带正弦幅度调制 （ 了解 ） 8.5 用脉冲串作载波的幅度调制 （ 了解 ） 8.6 脉冲幅度调制 （ 了解 ） 8. 7 正弦频率 调制 （ 了解 ） 8.8 离散时间 调制 （ 了解 ） 8.9 小结 本 章教学重点： 幅度调

17、制和解调后的信号频域分析。 本 章教学 难点： 幅度调制和解调系统的频谱分析。 小班讨论课（ 9） 1、 探索通信系统的频分复用、时分复用原理 教学设计：要求学生 课前 阅读教材 8.3 和 8.4 节。 第九章：拉普拉斯变换 （ 8 学时大班授课及一次小班研讨课） 9.0 引言 （ 理解 ） 9.1 拉普拉斯变换 （ 掌握 ） 9.2 拉普拉斯变换收敛域 （ 掌握 ） 9.3 拉普拉斯变换反变换 （ 掌握 ） 9.4 由零极点图对傅立叶变换进行几何求值 （ 理解 ） 9.5 拉普拉斯变换的性质 （ 理解 ） 9.6 常用拉普拉斯变换对 （ 理解 ） 9.7 用拉普拉斯变换分析和表征 LTI

18、系统 （ 掌握 ） 9.8 系统函数的代数 属性与方框图表示 （ 掌握 ） 9.9 单边拉普拉斯变换 （ 了解 ） 9.10 小结 本 章教学重点： （ 1） Laplace 变换及其收敛域和性质。 （ 2） Laplace 逆变换的计算方法。 （ 3） 系统函数与方框图表示 。 （ 4） 零极点图 和系统因果性、稳定性判定 本 章教学难点： （ 1） Laplace 变换及其收敛域和性质。 （ 2） 系统函数与方框图表示 。 （ 3） 零极点图 和系统因果性、稳定性判定。 小班讨论课（ 10） 1、 讨论 FT 与 LT 的关系。 2、 探索非理想滤波器的工程设计与实现。 3、 教学设计：要

19、求学生 课前 阅读教材 9.7.5 节和及习题 9.63。 教师 引导 课堂讨论 系统 函数零、极点分布对 幅频 特性、相频特性的 影响 。 第十章： Z 变换 （ 8 学时大班 授课及二 次 小 班研讨课 ） 10.0 引言 （ 理解 ） 10.1 Z 变换 （ 掌握 ） 10.2 Z 变换的收敛域 （ 掌握 ） 10.3 Z 反变换 （ 掌握 ） 10.4 由零极点图对傅立叶变换进行几何求值 （ 理解 ） 10.5 Z 变换的性质 （ 理解 ） 10.6 几个常用 Z 变换对 （ 理解 ） 10.7 利用 Z 变换分析与表征 LTI 系统 （ 掌握 ） 10.8 系统函数的代数属性与与方框

20、图表示 （ 掌握 ） 10.9 单边 Z 变换 （ 了解 ） 10.10 小结 本 章教学重点： （ 1）变换及其收敛域和性质。 （ 2）逆变换的计算方法。 （ 3） 系统函数与方框图表示 。 （ 4） 零极点图 和系统因果性、稳定性判定 本 章教学难点： （ 1）变换及其收敛域和性质。 （ 2） 系统函数与方框图表示 。 （ 3） 零极点图 和系统因果性、稳定性判定。 小班讨论课（ 11） 1、 讨论 DTFT 与 ZT 的关系。 2、 探索 LT 与 ZT 的关系。 教学设计：要求学生 课前 阅读教材习题 10.65。 教师 引导 课堂讨论 DTFT 与 ZT 的关系、 LT与 ZT 之间

21、 的映射 关系。 总结 连续和离散时间信号的变换关系 。 小班讨论课（ 12） 1、 课程设计选题答辩 教学设计：学生准备答辩材料，展示课题研究内容、方法、结果。 2、自学内容和要求 学生自学的内容和要求： （ 1）自学 连续和离散系统 的 状态方程表示 (时域、复频域 )，了解系统状态方程的列写。 （ 2） 自学教材以下章节： 3.10， 3.11， 5.6-5.8， 6.5-6.7， 7.4-7. 5， 8.3-8.8，了解相应 内容。 （ 3） 自学 MATLAB 软件使用。 要求掌握该软件中有关信号处理的基本语法、常用函数、图形绘制等，能完成课程实验要求的程序编制、代码执行、结果输出。

22、 三、 实践教学内容与要求 课 程 设计 （ 课外完成 ，第 12 次 小班课上进行答辩（ 一般 安排在 第十 八 周 ） ） ， 由小班任课教师布置或同学自主 选择 课 程 设计 题目。 四、建议 教材及参考资料 1. 教 材 ： A.V. Oppenheim and A.S. Willsky, with S.H. Nawab, Signals and Systems, Prentice-Hall, Second Edition, 1997. J.R. Buck, M.M. Daniel, and A.C. Singer, Computer Explorations in Signals a

23、nd Systems Using MATLAB, Prentice-Hall, Second Edition, 2002. 2. 参 考 资 料 ： (1) Simon Haykin， Barry Van Veen， Signals & Systems,Second Edition,Publishing House of Electronics Industry， 2003 (2) 郑君里，应启珩，杨为理 ， 信号与系统 (第二版 )， 北京：高等教育出版社， 2000 年 (3) 闵 大 镒 ，朱 学 勇， 信 号与 系 统 分析 ， 电 子科技大 学 出版社， 2000 年。 (4) 吕

24、幼新， 张 明友 ，信 号与 系 统 ， 电 子工 业 出版社， 2003 年。 五 、 课外训练 习题、 MATLAB 练习、 大作业、 课程设计 等的安排。 六 、 考核方式及成绩评定 本 课程 成绩构成及各部分的权重安排如下。 平时成绩： 20%（到课及课堂讨论 和随堂测验 10%，作业 10%。 ） 课程设计 ： 20% 半期成绩 ： 20% 期末成绩： 40% Lectures, Recitations, and Tutorials Lectures: Monday, Wesday and Friday（ odd） Week 1-17, Room C-408 Recitations:

25、 4 times announced at class Tutorials： Week 1-19 arranged by Instructors Extension policy Grading scale All problem sets are scored on a 5-point scale, either X, C, B, A, or A+. The table below shows the effort required to receive each of these grades. Grade Description X The student fails to turn i

26、n the homework. C The student turns in the homework, but basically, did nothing worthwhile. B The student turns in the homework, but most of the problems are either not completed or incomprehensible. A The student completes most or all of the problems, but has some obvious flaws in his/her work. A+

27、The student completes all of the problems, with possibly a few minor math- ematical mistakes, but overall, the student shows a firm understanding of the material. Cooperative Work We fully recognize the potential value of students working or studying together, and we do not have any objection to thi

28、s kind of cooperation, so long as all participants are involved in all aspects of the work, not with each doing only a fraction of the assignment. In particular, when you hand in a paper with your name on it, we assume that you are certifying that the details presented are entirely your own work and that you played a substantial role at the conception stage. If part of the work was done cooperatively, that part should be indicated and the names of the students involved in the collaboration should be listed on each submitted paper.