信号与系统研究性教学方案课件.ppt
信号与系统研究性教学方案,课程基本信息,课程编号：适用专业：电子信息类专业学分数： 4学分学时数： 72+18=90其中：72学时理论教学 18学时实验教学 X学时研究性教学,研究性教学基本要求,以实际问题为载体，以小组为单位，对信号与系统分析的相关内容进行专题实验和研讨，激发学生的学习兴趣，增强理论联系实际的能力。 充分发挥学生的主观能动性，学生可以自主选题，然后查阅相关资料，制定解决问题的方案，软件或硬件实现，最后总结整理、交流评价。 培养学生发现问题、提炼问题、分析和解决问题的能力，以及团队协作精神。,研究性教学实施方案,第1章 信号与系统分析导论,信号与系统分析导论(2),信号描述及分类,系统描述及分类,信号的描述,信号的分类,系统分析该述,系统的描述,系统的分类,信号系统应用,线性系统特性,非时变系统特性,信号分析概述,信号与系统关系,信号与系统分析导论,信号的描述与分类,系统的描述与分类,信号与系统关系,(1) 什么是系统？ 如何描述系统？ (2) 日常生活中接触过哪些系统？(3) 如何对系统进行分类？ (4) 如何判断线性非时变系统？,(1) 什么是信号？如何描述信号？ (2) 日常生活中接触过哪些信号？(3) 如何对信号进行分类？(4) 各类信号的本质区别是什么？,(1) 信号分析的主要内容和基本方法是什么？ 系统分析的主要内容和基本方法是什么？ 信号与系统的相互关系是什么？,第1章 信号与系统分析导论,信号的时域分析(6学时),连续时间信号(3学时),时域描述,基本运算,离散时间序列(2学时),信号的分解(1学时),时域描述,基本运算,直流分量与交流分量,奇分量与偶分量,实部分量与虚部分量,连续信号分解为冲激信号的线性组合,离散信号分解为脉冲信号的线性组合,第2章 信号的时域分析,连续时间信号时域分析模块,基本信号,信号分解,(1)什么是普通信号，什么是奇异信号？ (2)单位冲激信号的作用和物理含义？(3)单位阶跃信号的作用和物理含义？,(1)连续时间信号的基本运算包括哪些？ (2) 微积分运算是否互为逆运算？(3)如何利用基本信号表示方波，三角波 等信号？,基本运算,1.连续时间信号的时域分解有哪几种方法？2.连续时间信号表示为冲激信号的线性叠加有何实际意义？,第2章 信号的时域分析,离散时间信号时域分析模块,(1)为什么说实指数序列、虚指数序列和 正弦序列是复指数序列的特例？(2)单位脉冲序列的作用和物理含义？(3)单位阶跃序列的作用和物理含义？,(1)离散时间序列的基本运算包括哪些？ (2)离散时间序列的内插和抽取与连续 时间信号的展缩有何异同？(3)离散时间序列的内插和抽取 是否互为逆运算？,1.离散时间信号的时域分解有哪几种方法？2.离散时间信号表示为单位脉冲序列的线性叠加有何实际意义？,基本信号,信号分解,基本运算,第2章 信号的时域分析,第2章 信号的时域分析,重点：(1) 基本信号的时域描述和特性，尤其是(t)的特性。(2) 信号的时域运算(3) 利用基本信号表示任意信号。(4) 任意信号x(t)分解为冲激信号(t)的线性组合(5) 任意信号xk分解为脉冲序列k的线性组合难点：(1)冲激信号(t)及其特性(2)任意信号x(t)分解为冲激信号(t)的线性组合,研讨问题,题目1：基本信号的产生，语音的读取与播放(1)生成一个正弦序列，讨论数字频率变化与波形变化的规律；(2)观察一定时期内的股票上证指数变化，生成模拟其变化的指数信号，(3)录制一段音频信号，进行音频信号的读取与播放，题目2：语音信号的翻转、展缩（信号的基本运算）(1)将原始音频信号在时域上进行延展、压缩，(2)将原始音频信号在频域上进行幅度放大与缩小，(3)将原始音频信号在时域上进行翻转，,第2章 信号的时域分析,课堂讨论：(1)信号时域分析的基本方法是什么?(2)信号时域分析存在什么问题?,第2章 信号的时域分析,系统的时域分析(6),连续系统的时域分析(3),离散系统的时域分析(3),系统时域描述,系统零输入、零状态响应、单位冲激响应,卷积积分,系统时域描述,系统零输入、零状态响应、单位脉冲响应,卷积和,第3章 系统的时域分析,连续系统时域分析模块,系统时域描述,系统响应分析,卷积积分,(1)卷积积分的意义？(2)卷积积分的计算？(3)卷积积分的特性？,描述连续时间LTI系统输入输出约束关系的微分方程有何特点？,(1) 连续系统零输入响应取决于系统哪些要素？(2) 连续系统零状态响应的理论基础是什么？ (3) 连续系统单位冲激响应的计算及其物理意义?,第3章 系统的时域分析,离散系统时域分析模块,系统时域描述,系统响应分析,卷积和,(1)卷积和的意义？(2)卷积和的计算？(3)卷积和的特性？,描述离散时间LTI系统输入输出约束关系的差分方程有何特点？,第3章 系统的时域分析,(1) 离散系统零输入响应取决于系统哪些要素？(2) 离散系统零状态响应的理论基础是什么？ (3) 离散系统单位脉冲响应的计算及其物理意义?,重点：(1) 理解使用常系数微分方程和常系数差分方程描述连续时间LTI系统和离散时间LTI系统。(2) 系统响应重点研究仅由系统初始状态产生的零输入响应和仅由激励信号产生的零状态响应。(3) 单位冲激响应h(t)及单位脉冲响应hk的理解与求解。,难点： 卷积是求解系统零状态响应的重要工具，也是课程的难点之一。学习时注意认真领会和掌握卷积积分与卷积和的图形计算，这是掌握卷积的关键。,第3章 系统的时域分析,问题研讨,题目3：系统响应时域求解(1)求实际RLC电路的零输入响应和零状态响应。(2)将原始音频信号中混入噪声，然后用M点滑动平均系统对受噪声干扰的信号去噪，改变M点数，比较不同点数下的去噪效果。题目4：连续信号卷积的近似计算,近似于,(1)用不同的D计算出卷积的数值近似值，并与理论结果比较。(2)若x(t)和h(t)不是时限信号，则用上面的方法进行近似计算会遇到什么问题？给出一种解决问题的方案。,第3章 系统的时域分析,课堂讨论：(1)系统时域分析的基本方法是什么?(2)系统时域分析存在什么问题?,第3章 系统的时域分析,信号的频域分析(12),连续周期,频谱及其特性,CFS性质,连续非周期,离散周期,离散非周期,频谱及其特性,常见信号频谱,频谱及其特性,DFS性质,频谱及其特性,DTFT性质,CTFT性质,连续信号 (9),离散信号(3),第4章 信号的频域分析,连续信号频域分析模块,周期信号,非周期信号,(1) 为什么要进行时域抽样? (2) 如何实现信号的时域抽样? (3) 抽样信号频谱有什么特点?(4) 抽样定理的内涵是什么?(5) 时域抽样会遇到什么实际问题?,(1) CFS的数学与物理含义是什么？ (2)具有对称特性偶周期信号的Fourier 系数有何特点？(3)连续周期信号频谱有何特点？ 其谱线间隔与什么有关？ (4)如何定义信号的有效带宽？,(1) CTFT的数学概念和物理概念是什么？ (2) 连续非周期信号频谱有何特点？相比于连续周期信号，其频谱有何异同？(3) Fourier变换性质反映了时域与频域怎样的对应关系？(4)如何计算连续非周期信号的频谱？,时域抽样,第4章 信号的频域分析,离散信号频域分析模块,周期信号,非周期信号,(1) 为什么要进行频域抽样? (2) 频域抽样所对应时域信号有什么特点?(3) 频域抽样定理的内涵是什么?(4) 频域抽样会遇到什么实际问题?,(1) DFS的数学与物理含义是什么？ (2)具有对称特性偶周期信号的Fourier 系数有何特点？(3)离散周期信号频谱有何特点？ 其谱线间隔与什么有关？,(1) DTFT的数学概念与物理概念是什么？ (2) 离散非周期信号频谱有何特点？相比于离散周期信号，其频谱有何异同？(3) DTFT性质反映了时域与频域怎样的对应关系？(4)如何计算离散非周期信号的频谱？,频域抽样,第4章 信号的频域分析,重点：(1) 四类信号频谱的概念及特点。(2) 连续时间周期信号频谱的计算。(3) 常见连续时间信号的频谱。(4) 连续时间信号Fourier变换的基本性质。(5) 连续时间非周期信号频谱的计算。 (6) 离散时间周期信号、非周期信号频谱的计算。难点：(1)信号频谱概念的建立。(2)连续非周期信号频谱的计算。,第4章 信号的频域分析,问题研讨,题目1：分析音阶的频谱(1) 录制你所喜欢乐器弹奏的音阶,并存为wav格式。(2) 对所采集的音阶信号进行频谱分析,比较各音阶的频谱。题目2： 男生女生声音信号的转换(1) 采集wav格式的男女生语音信号。(2) 对所采集的男女生信号分析其频谱，并比较频谱特点。(3) 实现男生女生声音信号的转换。,第4章 信号的频域分析,问题研讨,题目3：信号时域抽样引起的混叠 研究sin(2pf0t)的抽样，抽样频率fs=8kHz，抽样时间1 秒钟。(1)对频率为2kHz, 2.2 kHz, 2.4 kHz和 2.6 kHz正弦信号抽样，利用sound(x, fs)播放这四个不同频率的正弦信号。(2)对频率为7.2 kHz, 7.4 kHz, 7.6 kHz和 7.8 kHz正弦信号抽样，sound(x, fs)播放这四个不同频率的正弦信号。(3)比较(1)和(2)的实验结果，解释所出现的现象。,第4章 信号的频域分析,课堂讨论：(1)信号频域分析的基本方法是什么?(2)四类信号的频谱有何特点?时域和频域存在什么对应关系?(2)信号频域分析存在什么问题?(3)对带通信号的抽样，抽样频率如何确定?,第4章 信号的频域分析,系统的频域分析(8),连续系统的频域分析(5),离散系统的频域分析(3),系统频域描述,响应频域分析,两类典型系统,正弦信号,周期信号,非周期信号,系统频域描述,响应频域分析,两类典型系统,正弦信号,周期信号,非周期信号,第5章 系统的频域分析,连续系统频域分析模块,系统频域描述,响应频域分析,两类典型系统,什么是无失真传输系统? 其有何理论意义? (2) 为什么在频域称系统为滤波器? (3) 两类系统的时域与频域有何特性?(4) 如何理解信号与系统的频率匹配?,(1) 连续系统频率响应的物理含义 及工程概念是什么? (2) 虚指数信号通过系统，其零状态 响应有什么特点？(3) 如何计算连续系统频率响应？,(1)正弦信号通过连续系统，其稳态响应有什么特点？(2)周期、非周期信号通过系统，其零状态响应频域分析的基本方法是什么？ (3)连续系统响应的时域分析与频域分析有何区别与联系?,第5章 系统的频域分析,离散系统频域分析模块,系统频域描述,响应频域分析,两类典型系统,什么是无失真传输系统? 其有何理论意义? (2) 为什么在频域称系统为滤波器? (3) 两类系统的时域与频域有何特性?(4) 如何理解信号与系统的频率匹配?,(1) 离散系统频率响应的物理含义 及工程概念是什么? (2) 虚指数序列通过系统，其零状态 响应有什么特点？(3) 如何计算离散系统频率响应？,(1)正弦序列通过系统，其稳态响应有什么特点？(2)周期、非周期序列通过系统，其零状态响应频域分析的基本方法是什么？ (3)离散系统响应的时域分析与频域分析有何区别与联系?,第5章 系统的频域分析,重点：(1) 连续系统频率响应的概念与计算。(2) 虚指数信号x(t)=e jw t通过LTI系统的零状态响应。(3) 任意信号通过LTI系统响应的频域分析。(4) 无失真传输系统的时频特性。(5) 理想模拟低通滤波器的时频特性。难点：(1) 系统频率响应的物理含义。(2) 任意信号通过LTI系统响应的频域分析方法。,第5章 系统的频域分析,问题研讨,题目1：莫尔斯码幅度调制和解调,Agend 007的最后一句话是The future of technology lies in 还未说出最后一个字，Agend 007就昏倒了。你(Agend 008)目前的任务就是要破解Agend 007的最后一个字。该字的信息包含在信号x(t)中。信号x(t)具有上式的形式。式中的调制频率分别由变量f1和f2给出，信号m1(t)，m2(t)和m3(t)对应于字母表中的单个字母，这个字母表已用国际莫尔斯码进行编码，如下表所示：,第5章 系统的频域分析,题目1：莫尔斯码幅度调制和解调,设计一个从x(t)中提取信号m1(t) 、m2(t)和 m3(t)的方案，画出它们波形，并确定其所代表的字母。,问题研讨,第5章 系统的频域分析,题目2：分析实际物理系统的频率响应。,问题研讨,第5章 系统的频域分析,课堂讨论：(1)系统频域分析的优点与不足是什么?(2)信号与系统频域分析主要有哪些应用场合?,第5章 系统的频域分析,连续信号与系统的复频域分析(8),信号的复频域分析(4),系统的复频域分析(4),信号复频域描述,变换的基本性质,反变换基本方法,系统响应域求解,系统函数与系统特性,系统模拟框图,第6章 连续信号与系统的复频域分析,信号复频域分析模块,信号复频域描述,拉氏变换的特性,拉氏反变换,(1)用部分分式展开进行Laplace反 变换的基本原理是什么？(2)单极点情况下，如何用部分分式 展开进行Laplace反变换？,(1)如何计算信号Laplace变换? (2) 如何确定Laplace变换的收敛域？,(1) Laplace变换的微分特性有何特点？(2)单边周期信号的Laplace变换表达式有何特点？(3) Laplace变换的积分特性有何特点？,第6章 连续信号与系统的复频域分析,系统复频域分析模块,系统响应s域求解,H(s)与系统特性,系统模拟框图,(1) 系统有哪几种基本的联结方式？ (2) 系统模拟框图的构成为什么一般 不采用微分器？,(1) 利用单边Laplace变换求解系统 响应有何优点？ (2) 单边Laplace变换求解系统响应 基本方法是什么？,(1) 求解系统函数有哪几种主要方法？每种方法各有何特点？ (2) 如何由系统的零极点分析系统的频率响应？ (3) 系统的零极点如何影响系统的稳定性？,第6章 连续信号与系统的复频域分析,重点：(1)Laplace变换的定义及基本信号的Laplace变换；(2)部分分式法计算Laplace反变换；(3)利用Laplace变换求解连续LTI系统的响应；(4)系统函数H(s)的基本概念(5)系统函数与系统特性的关系。难点：(1)Laplace变换的收敛域；(2)连续LTI系统响应的s域求解；(3)如何理解系统函数H(s)的作用。,第6章 连续信号与系统的复频域分析,问题研讨,题目1：系统函数H(s)研究选择你所感兴趣的实际系统，如RLC系统、放大器等， 对其进行分析，求出其系统函数H(s) 。(2)分析研究系统零极点对系统特性的影响。题目2： Laplace反变换计算方法研究(1)研究利用计算机计算Laplace反变换的方法。(2)利用给出的方法，对实际系统的特性进行分析。题目3： 反馈系统的分析和研究,第6章 连续信号与系统的复频域分析,课堂讨论：1. 举例说明频域分析与复频域分析的特点？2. 比较Fourier变换性质与Laplace变换性质，分析其 相似之处和不同之点？,第6章 连续信号与系统的复频域分析,离散信号与系统的复频域分析(6),信号的复频域分析(3),系统的复频域分析(3),信号复频域描述,变换的基本性质,反变换基本方法,系统响应z域求解,系统函数与系统特性,系统模拟框图,第7章 离散系统的复频域分析,序列复频域分析模块,序列Z域描述,Z变换特性,Z反变换,(1)用部分分式展开进行z反变换的 基本原理是什么？(2)单极点情况下，如何用部分分式 展开进行z反变换？,(1) z变换的物理含义是什么(2) 如何计算z变换? (3) 如何确定z变换的收敛域？,(1) z变换的位移特性有何特点？其应用场合是什么?(2)单边周期信号的z变换表达式有何特点？(3) z变换的求和特性有何特点？,第7章 离散系统的复频域分析,离散系统Z域分析模块,系统响应z域求解,H(z)与系统特性,系统模拟框图,(1) 系统有哪几种基本的联结方式？ (2) 系统模拟框图有哪些实现方案? 各有什么特点？,(1) 利用单边z变换求解系统响应 有何优点？ (2) 单边z变换求解系统响应基本 方法是什么？,(1) 求解系统函数有哪几种主要方法？每种方法各有何特点？ (2) 如何由系统的零极点估计系统的频率响应？ (3) 系统的零极点如何影响系统的稳定性？,第7章 离散系统的复频域分析,重点：(1)z变换的定义及基本信号的z变换；(2)部分分式法计算z反变换；(3)利用单边z变换求解连续LTI系统的响应；(4)系统函数H(z)的基本概念及H(z)与系统特性的关系。难点：(1)z变换的收敛域；(2)离散LTI系统响应的z域求解；(3)系统特性和系统函数H(z)的关系。,第7章 离散系统的复频域分析,问题研讨,题目4：系统函数H(z)研究(1) 选择你所感兴趣的实际数字电路，对其进行分析，求出其系统函数H(z) 。(2)研究系统零极点对系统特性的影响。题目5： z反变换计算方法研究(1)研究利用计算机计算z反变换的方法。(2)利用给出的方法，对实际系统的特性进行分析。题目6： 数字滤波器的设计,第7章 离散系统的复频域分析,课堂讨论：1. 举例说明频域分析与复频域分析的特点？2. 比较DTFT性质与z变换性质，分析其相似之处和不同之点？,第7章 离散系统的复频域分析,系统的状态变量分析(4),连续系统的状态变量分析(3),离散系统的状态变量分析(1),状态方程建立,状态方程求解,状态矢量变换,电路图,微分方程,系统模拟方框图,可控性与观测性,状态方程建立,状态方程求解,电路图,微分方程,系统模拟方框图,第8章 系统的状态变量分析,连续系统的状态变量分析,状态方程建立,状态方程求解,状态矢量变换,可控性与观测性,(1) 状态方程和输出方程的概念是什么? (2) 连续时间系统状态方程普遍形式是什么？状态变量如何确定？(4) 由电路图、微分方程和模拟方框图如何 得到状态方程？,(1) 时域和变换域中状态矢量的零输入响应和零状态响应分别是什么? (2) 状态转移矩阵和单位冲激矩阵的概念是什么？,如何用状态矢量表示系统的状态方程？(2) 为什么说无论如何选取状态变量，系统函数都不改变？,系统可控制性和可观测性的概念？(2) 在什么情况下系统的内部描述和外部描述相等？,第8章 系统的状态变量分析,离散系统的状态变量分析,状态方程建立,状态方程求解,(1) 状态方程和输出方程的概念是什么? (2) 离散系统状态方程普遍形式是什么？状态变量如何确定？(4) 由电路图、微分方程和模拟方框图如何得到状态方程？,时域和变换域中状态矢量的零输入响应和零状态响应分别是什么? (2) 单位脉冲响应矩阵和系统函数矩阵的概念是什么？,第8章 系统的状态变量分析,重点：(1) 理解状态变量分析法研究的必要性。(2) 连续时间系统的状态方程建立。(3) 离散时间系统的状态方程建立。(4) 状态转移矩阵的确定。难点：(1) 状态变量的选取。(2) 系统的状态变量和状态方程的多样性与解的唯一性讨论。,第8章 系统的状态变量分析,课堂讨论： 分析对比输入输出法与状态空间法， 包括各自特点、应用场合、数学模型、求解方法?,第8章 系统的状态变量分析,信号与系统综合应用,目的：提高学生灵活应用信号与系统基本原理解决实际问题的能力。要求：(1)学生根据个人兴趣、结合实际确定题目（可从参考题目中选择，也可自由确定）。(2) 查阅资料、制定方案和实施计划、根据所制定的方案进行研究，在研究的过程中发现问题、分析问题、解决问题。(3)完成信号与系统研究性学习手册。,问题研讨,参考题目：1含噪信号的滤波2双音多频信号的产生与检测3数字音乐的合成4语音信号的识别5磁盘驱动系统仿真6电机控制系统仿真,信号与系统综合应用,P,P,基于问题驱动的教学(48),专题报告交流讨论(16),期中考试(2),期末复习(2),问题研讨(课外+课内8),课堂讨论(随堂进行),S,C,习题课(4),P,P,P,S,S,P,T,S,C,P,S,P,P,P,C,P,S,C,P,P,S,D,D,P,T,D,C,S,D,D,D,D,R,R,课程学习成绩评价方式,研究性学习手册编写 为了使学生有效地进行研究性学习，掌握课题研究的基本方法、规范研究报告的形式，按下图所示思路编写了信号与系统课程研究性学习手册。,题目分析,仿真程序,仿真结果,结果分析,问题探究,发现问题,查阅资料,自主学习,基本训练,拓展提高,成绩评价方式 根据课程要求，结合研究性学习的特点，总评成绩由平时成绩、专题研讨、期中考试、期末考试、小论文成绩组成。各部分比例如下表,其中平时成绩根据习题作业、课堂讨论、课堂提问综合评定。问题研讨的成绩由教师、学生本人、其他同学根据课程研究性学习手册完成情况、研究成果展示、交流情况综合评定。,课程学习成绩评价方式,THE END,
