研究生课程《测试信号分析与信息处理》教学大纲 课程编号：0408027003 课程名称：测试信号分析与信息处理 学时数：40 学分：2 开课时间：秋季 开课学院：机械与电气工程学院 授课对象：硕士研究生 先修课程：工程数学、工程控制基础、测量与传感器技术 一、课程简介 《测试信号分析与信息处理》课程是为机械与电气工程学院硕士研究生开设的一门专业 选修课，本课程立足机械工程领域，以智能制造为背景，结合学校“电子信息+”的学科特 色，重点建设与智能制造装备的测试与分析的理论与实践教学环节。课程内容以测试信号分 析与信息处理为主线，注重测试理论、方法与应用的有机结合，将测试硬件与软件相结合， 突出了数学方法、物理内涵与工程实现的高度统一。课程教学的基本要求是掌握信号的数学 特征、信号的数学分析、信号的离散化处理与分析、测试系统的组成与分析、信号调理电路、 信号转换电路、频谱估计、现代信号分析方法，测试信号与系统的建模与分析等内容。在教 学过程中将测试系统分析、信号分析与信息处理等方面与电子信息技术有机融合，旨在时域、 频域及复频域内掌握测试信号分析与信息处理的理论基础、途径和方法，力求体现测试领域 知识体系的科学性和完整性。通过对本课程的学习，帮助学生较全面地了解测试系统的基本 原理和分析方法，为今后从事测试相关领域的工作打下良好的基础。 二、课程思政 在讲授课程专业知识的同时，注重思想政治教育，围绕“工业革命”及“中国制造2025”， 结合测试与信息处理技术的发展，在《测试信号分析与信息处理》课程的育人目标上，培养 爱国、吃苦、勇于创新、积极向上的专业精神。 课程团队以习近平总书记提出的“政治思想要强、家国情怀要深、教学思维要新、专业 视野要广、人格品行要正”为中心，履行好教书育人的岗位初心，不断对课堂教学内容进行 整合优化，将高尚的师德师风和思想政治教育贯穿整个教学过程。 在课堂教学中将注重主流价值观引领，紧扣“课程思政”主题，深度挖掘课程核心知识 点与思想政治的内部关联，设计了三个典型的课程思政教学案例：“工业革命概貌”、“工业 4.0”现状”和“智能制造行业现状”，并基于这三个课程思政教学案例制作了三个教学微视 频：“测试技术在强国战略的应用：基本介绍”、“测试技术在强国战略的应用：阶段进展” “测试技术在强国战略的应用：问题思考”，以期达到最佳的思政教学效果，从而能提升本 课程的教学质量并实现立德树人的育人目标。 三、教学目的 本课程面向硕士研究生，旨在建立工程测试的系统分析与处理的知识体系，掌握在时域、 频域及复频域内进行测试信号分析与信息处理的途径与方法，使学生具备分析和解决工程测 试实际问题的理论基础和专业能力
研究生课程《测试信号分析与信息处理》教学大纲 课程编号：0408027003 课程名称：测试信号分析与信息处理 学时数：40 学分：2 开课时间：秋季 开课学院：机械与电气工程学院 授课对象：硕士研究生 先修课程：工程数学、工程控制基础、测量与传感器技术 一、 课程简介 《测试信号分析与信息处理》课程是为机械与电气工程学院硕士研究生开设的一门专业 选修课，本课程立足机械工程领域，以智能制造为背景，结合学校“电子信息+”的学科特 色，重点建设与智能制造装备的测试与分析的理论与实践教学环节。课程内容以测试信号分 析与信息处理为主线，注重测试理论、方法与应用的有机结合，将测试硬件与软件相结合， 突出了数学方法、物理内涵与工程实现的高度统一。课程教学的基本要求是掌握信号的数学 特征、信号的数学分析、信号的离散化处理与分析、测试系统的组成与分析、信号调理电路、 信号转换电路、频谱估计、现代信号分析方法，测试信号与系统的建模与分析等内容。在教 学过程中将测试系统分析、信号分析与信息处理等方面与电子信息技术有机融合，旨在时域、 频域及复频域内掌握测试信号分析与信息处理的理论基础、途径和方法，力求体现测试领域 知识体系的科学性和完整性。通过对本课程的学习，帮助学生较全面地了解测试系统的基本 原理和分析方法，为今后从事测试相关领域的工作打下良好的基础。 二、课程思政 在讲授课程专业知识的同时，注重思想政治教育，围绕“工业革命”及“中国制造 2025”， 结合测试与信息处理技术的发展，在《测试信号分析与信息处理》课程的育人目标上，培养 爱国、吃苦、勇于创新、积极向上的专业精神。 课程团队以习近平总书记提出的“政治思想要强、家国情怀要深、教学思维要新、专业 视野要广、人格品行要正”为中心，履行好教书育人的岗位初心，不断对课堂教学内容进行 整合优化，将高尚的师德师风和思想政治教育贯穿整个教学过程。 在课堂教学中将注重主流价值观引领，紧扣“课程思政”主题，深度挖掘课程核心知识 点与思想政治的内部关联，设计了三个典型的课程思政教学案例：“工业革命概貌”、“工业 4.0”现状”和“智能制造行业现状”，并基于这三个课程思政教学案例制作了三个教学微视 频：“测试技术在强国战略的应用：基本介绍”、“测试技术在强国战略的应用：阶段进展”、 “测试技术在强国战略的应用：问题思考”，以期达到最佳的思政教学效果，从而能提升本 课程的教学质量并实现立德树人的育人目标。 三、教学目的 本课程面向硕士研究生，旨在建立工程测试的系统分析与处理的知识体系，掌握在时域、 频域及复频域内进行测试信号分析与信息处理的途径与方法，使学生具备分析和解决工程测 试实际问题的理论基础和专业能力
四、教学内容与要求 本课程共40学时，分为以下八章： 第一章信号的数学特征（3学时) 教学内容：信号的分类，信号的特征值，信号的算法规则。 教学要求：理解几种信号的定义和图形描述：掌握信号的几种数学特征值：掌握信号在时域 和频域的11种运算方法。 教学重点：信号的各种特征值。 教学难点：信号在时域和频域的算法规则。 作业：习题1.1、1.5、1.11 第二章信号的数学分析(6学时) 教学内容：周期信号的时域分析，周期信号的频域分析，非周期信号的时域分析，非周期信 号的频域与复频域分析，随机信号的统计分析。 教学要求：掌握周期信号的傅里叶级数变换、频谱特性：理解非周期信号的冲激函数、阶跃 函数与奇偶性：掌握非周期信号的傅里叶积分变换、拉氏变换及频谱特性：掌握 随机过程、各态历经信号的数学特征、时域/频域/幅值域的统计与相关分析方法。 教学重点：周期信号的时域分析和频域分析。 教学难点：随机信号的统计分析。 作业：习题2.4、2.8、2.20 第三章信号的离散化处理与分析(6学时) 教学内容：连续信号的离散化，离散信号的傅里叶变换，离散信号的Z变换，离散信号的 傅里叶变换与Z变换的关系，快速傅里叶变换算法。 教学要求：理解信号的时域采样和频域采样定理，了解采样与信号频谱的关系和影响：掌握 离散傅里叶级数DFS和离散傅里叶变换DFT的算法与性质：掌握离散信号的Z 变换与Z域分析：了解几种快速傅里叶变换算法（时间抽取基2FFT算法、频率 抽取基2FFT算法、分裂基算法、频域细化的CZT(线性调频Z变换)算法)。 教学重点：离散信号的傅里叶变换和Z变换。 教学难点：信号的时域采样和频域采样的关系：离散傅里叶级数DFS和离散傅里叶变换 DFT的算法与性质。 作业：习题3.1、3.2、3.9 第四章测试系统的组成与分析(9学时) 教学内容：测试系统的组成，测试系统的基本特性，测试系统的特性描述，测试系统的频率 响应，测试系统的机电模拟分析。 教学要求：了解传统与现代测试系统的组成及功能：理解测试系统的静态特性和动态特性的 概念，理解线性定常系统的定义和重要性质，理解不失真的定义、不失真测试条 件和测试系统的动态误差：掌握三大特性描述函数-测试系统的传递函数H(S)、 单位脉冲响应函数h(①)和频率响应函数HGo)及其关系：掌握测试系统的动力学 建模方法、暂态响应和稳态响应的求解与分析：了解机电相似性，阐述机械网络 的画法原则，机电模拟分析的应用。 教学重点：测试系统的基本特性与特性描述。 教学难点：测试系统的频率响应和机电模拟分析方法
四、教学内容与要求 本课程共 40 学时，分为以下八章： 第一章 信号的数学特征（3 学时） 教学内容：信号的分类，信号的特征值，信号的算法规则。 教学要求：理解几种信号的定义和图形描述；掌握信号的几种数学特征值；掌握信号在时域 和频域的 11 种运算方法。 教学重点：信号的各种特征值。 教学难点：信号在时域和频域的算法规则。 作业：习题 1.1、1.5、1.11 第二章 信号的数学分析（6 学时） 教学内容：周期信号的时域分析，周期信号的频域分析，非周期信号的时域分析，非周期信 号的频域与复频域分析，随机信号的统计分析。 教学要求：掌握周期信号的傅里叶级数变换、频谱特性；理解非周期信号的冲激函数、阶跃 函数与奇偶性；掌握非周期信号的傅里叶积分变换、拉氏变换及频谱特性；掌握 随机过程、各态历经信号的数学特征、时域/频域/幅值域的统计与相关分析方法。 教学重点：周期信号的时域分析和频域分析。 教学难点：随机信号的统计分析。 作业：习题 2.4、2.8、2.20 第三章 信号的离散化处理与分析（6 学时） 教学内容：连续信号的离散化，离散信号的傅里叶变换，离散信号的 Z 变换，离散信号的 傅里叶变换与 Z 变换的关系，快速傅里叶变换算法。 教学要求：理解信号的时域采样和频域采样定理，了解采样与信号频谱的关系和影响；掌握 离散傅里叶级数 DFS 和离散傅里叶变换 DFT 的算法与性质；掌握离散信号的 Z 变换与 Z 域分析；了解几种快速傅里叶变换算法（时间抽取基 2FFT 算法、频率 抽取基 2FFT 算法、分裂基算法、频域细化的 CZT（线性调频 Z 变换）算法）。 教学重点：离散信号的傅里叶变换和 Z 变换。 教学难点： 信号的时域采样和频域采样的关系；离散傅里叶级数 DFS 和离散傅里叶变换 DFT 的算法与性质。 作业：习题 3.1、3.2、3.9 第四章 测试系统的组成与分析（9 学时） 教学内容：测试系统的组成，测试系统的基本特性，测试系统的特性描述，测试系统的频率 响应，测试系统的机电模拟分析。 教学要求：了解传统与现代测试系统的组成及功能；理解测试系统的静态特性和动态特性的 概念，理解线性定常系统的定义和重要性质，理解不失真的定义、不失真测试条 件和测试系统的动态误差；掌握三大特性描述函数--测试系统的传递函数 H(S)、 单位脉冲响应函数 h(t)和频率响应函数 H(j)及其关系；掌握测试系统的动力学 建模方法、暂态响应和稳态响应的求解与分析；了解机电相似性，阐述机械网络 的画法原则，机电模拟分析的应用。 教学重点：测试系统的基本特性与特性描述。 教学难点：测试系统的频率响应和机电模拟分析方法
作业：习题4.1、4.4、4.10 第五章信号调理电路(4学时) 教学内容：信号调理电路的组成，信号的放大、滤波、调制及解调，信号的线性化电路。 教学要求：理解信号调理电路的组成及功能：掌握典型模拟滤波和数字滤波的算法和特性： 理解幅度和频率调制及解调的原理、调制波的频谱：理解常用线性化电路的分类 与原理。 教学重点：信号的滤波、调制及解调。 教学难点：信号的线性化电路。 作业：习题5.1、5.3 第六章信号转换电路(2学时) 教学内容：信号转换电路的组成，多路模拟开关，采样保持器，模/数转换器：信号转换电 路的组成及功能。 教学要求：理解信号转换电路的组成与分类、多路模拟开关的原理和应用：掌握采样保持器、 模/数转换器的分类、原理及应用。 教学重点：信号转换电路的组成与分类。 教学难点：采样保持器、模/数转换器的分类、原理及应用。 作业：习题6.1、6.5 第七章频谱估计（7学时) 教学内容：经典频谱估计的基本方法及改进，经典频谱估计算法性能比较，基于参数模型的 频谱估计，最大熵估计，现代频谱估计算法性能比较。 教学要求：理解经典频谱估计的基本方法及相应的改进：掌握AR、MA和ARMA模型的频 谱估计方法：理解介绍最大熵估计的算法：了解现代频谱估计算法的特点。 教学重点：经典频谱估计的基本方法与算法性能比较。 教学难点：最大熵估计的算法。 作业：习题7.2、7.8 第八章现代信号分析方法(3学时) 教学内容：二维傅里叶变换，离散余弦变换，小波分析，信号的时频表示，同态滤波及复倒 谱。 教学要求：理解二维连续、离散信号傅里叶变换的定义，一维和二维离散余弦变换的定义与 应用：理解小波分析的基本方法：了解信号时频表示的基本出发点和其应用：了 解同态滤波和复倒谱的基本概念和其应用。 教学重点：二维傅里叶变换、离散余弦变换。 教学难点：小波分析的基本方法。 作业：习题8.2、83、8.8 五、教学方式 1.课堂教学为主，电子课件结合板书。 2.以课件为主线，辅以工程实际和科研课题的解析。 3.适当开展课内外的研讨活动。 4.科研育人实践教学：课下开展“基于漏磁检测理论的钢丝绳无损检测方法”的硬件平台 实验教学
作业：习题 4.1、4.4、4.10 第五章 信号调理电路（4 学时） 教学内容：信号调理电路的组成，信号的放大、滤波、调制及解调，信号的线性化电路。 教学要求：理解信号调理电路的组成及功能；掌握典型模拟滤波和数字滤波的算法和特性； 理解幅度和频率调制及解调的原理、调制波的频谱；理解常用线性化电路的分类 与原理。 教学重点：信号的滤波、调制及解调。 教学难点：信号的线性化电路。 作业：习题 5.1、5.3 第六章 信号转换电路（2 学时） 教学内容：信号转换电路的组成，多路模拟开关，采样保持器，模/数转换器；信号转换电 路的组成及功能。 教学要求：理解信号转换电路的组成与分类、多路模拟开关的原理和应用；掌握采样保持器、 模/数转换器的分类、原理及应用。 教学重点：信号转换电路的组成与分类。 教学难点：采样保持器、模/数转换器的分类、原理及应用。 作业：习题 6.1、6.5 第七章 频谱估计（7 学时） 教学内容：经典频谱估计的基本方法及改进，经典频谱估计算法性能比较，基于参数模型的 频谱估计，最大熵估计，现代频谱估计算法性能比较。 教学要求：理解经典频谱估计的基本方法及相应的改进；掌握 AR、MA 和 ARMA 模型的频 谱估计方法；理解介绍最大熵估计的算法；了解现代频谱估计算法的特点。 教学重点：经典频谱估计的基本方法与算法性能比较。 教学难点：最大熵估计的算法。 作业：习题 7.2、7.8 第八章 现代信号分析方法（3 学时） 教学内容：二维傅里叶变换，离散余弦变换，小波分析，信号的时频表示，同态滤波及复倒 谱。 教学要求：理解二维连续、离散信号傅里叶变换的定义，一维和二维离散余弦变换的定义与 应用；理解小波分析的基本方法；了解信号时频表示的基本出发点和其应用；了 解同态滤波和复倒谱的基本概念和其应用。 教学重点：二维傅里叶变换、离散余弦变换。 教学难点：小波分析的基本方法。 作业：习题 8.2、8.3、8.8 五、教学方式 1. 课堂教学为主，电子课件结合板书。 2. 以课件为主线，辅以工程实际和科研课题的解析。 3. 适当开展课内外的研讨活动。 4. 科研育人实践教学：课下开展“基于漏磁检测理论的钢丝绳无损检测方法”的硬件平台 实验教学
六、考核方式与成绩评定 1.考试 考核方式：开卷笔试 成绩评定：平时成绩占30%（文献综述、作业、笔记各占10%），期末考试成绩占70% 2.考查 考核方式：开卷笔试 成绩评定：平时成绩占30%（文献综述、作业、笔记各占10%），期末考试成绩占70% 七、教材及主要参考书目 1.教材：杨平，沈艳，陈中柘.《测试信号分析与信息处理》.北京：科学出版社，2016 2.参考书目： [1]王伯雄.测试技术基础M刈.北京：清华大学出版社，2012 [2]沈艳，陈亮，杨平，章洁，郭兵.《测试与传感技术》（第3版，中国机械工程学科教程 配套系列教材暨教育部机械类专业教学指导委员会规划教材)，北京：清华大学出版社， 2020 [3]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础M.3版.北京：机械工业出版社，2011 [4]宋爱国，刘文波，王爱民.测试信号分析与处理M.北京：机械工业出版社，2006 [5]刘习军，贾启芬.工程振动理论与测试技术M.北京：高等教育出版社，2004 [6]张国雄.测控电路M.3版.北京：机械工业出版社，2012 (大纲撰写人：杨平) (大纲审稿人：李迅波)
六、考核方式与成绩评定 1. 考试 考核方式：开卷笔试 成绩评定：平时成绩占 30%（文献综述、作业、笔记各占 10%），期末考试成绩占 70% 2. 考查 考核方式：开卷笔试 成绩评定：平时成绩占 30%（文献综述、作业、笔记各占 10%），期末考试成绩占 70% 七、教材及主要参考书目 1. 教材：杨平, 沈艳, 陈中柘. 《测试信号分析与信息处理》. 北京: 科学出版社, 2016 2. 参考书目： [1] 王伯雄. 测试技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012 [2] 沈艳, 陈亮, 杨平, 章洁, 郭兵.《测试与传感技术》﹙第 3 版, 中国机械工程学科教程 配套系列教材暨教育部机械类专业教学指导委员会规划教材﹚, 北京: 清华大学出版社, 2020 [3] 熊诗波, 黄长艺. 机械工程测试技术基础[M]. 3 版. 北京: 机械工业出版社, 2011 [4] 宋爱国, 刘文波, 王爱民. 测试信号分析与处理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006 [5] 刘习军, 贾启芬. 工程振动理论与测试技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004 [6] 张国雄. 测控电路[M]. 3 版. 北京: 机械工业出版社, 2012 （大纲撰写人：杨平） （大纲审稿人：李迅波）
