基于脉搏信号的脉率实时监测与异常报警系统设计

实验题目：基于脉搏信号的脉率实时监测与异常报警系统设计

课程简要信息

课程名称：数字信号处理

课程学时：52学时（理论）+12学时（实验）

项目学时：6学时（5课内+1课外）

适用专业：测控技术与仪器

学生年级：大三上

实验内容与任务

一、基本任务

（1）设计实验方案，使用透射式脉搏传感器采集人体脉搏信号（指端），记录原始时域波形。

（2）分析信号特性（基线漂移、高频噪声），设计并实现基于Matlab的IIR滤波器，完成信号去噪。

（3）基于差分阈值法检测脉搏波波峰（P波），计算脉搏波间期（PP间期），推导脉率公式（ ）。

（4）利用Matlab仿真验证算法准确性，统计人工标定与算法计算的误差率（漏检率、误检率）。

（5）将滤波算法和脉率计算程序移植至口袋实验室（ESP32平台），通过串口输出实时脉率值。

二、进阶任务

（1）基于LabVIEW设计上位机界面，实现以下功能：实时接收并显示口袋实验室发送的脉率数据（动态波形图、数值显示）；数据本地存储。

（2）设定脉率正常范围（60-100次/分钟），开发阈值检测算法。

（3）当脉率超出阈值时触发报警。

三、拓展任务（选做）

（1）开发移动端监控界面（Java），支持远程查看脉率及报警状态。

（2）引入动态阈值调整机制：根据用户历史数据（如静息/运动状态）自适应设定脉率阈值。

实验过程及要求

一、自学与方案设计（1学时）

（1)通过学习通学习脉搏信号特性、滤波算法及脉率计算原理，完成前测任务。

（2)小组讨论设计实验方案，明确滤波器参数及报警阈值范围（60-100次/分钟）。

二、信号采集与算法仿真（2学时）

（1)连接脉搏传感器采集原始信号，保存为离线数据；通过Matlab分析信号频谱，优化滤波器设计，实现去噪与波峰检测算法。

（2)对比人工标定结果，计算算法误差率（漏检率≤5%，误检率≤5%）。

三、系统开发与在线验证（2.5学时）

（1)移植算法至口袋实验室，输出实时脉率；基于LabVIEW/Java开发上位机，实现数据接收、动态波形显示及异常报警功能。

（2)测试系统报警准确性（误报率≤5%）。

四、验收与总结（0.5学时）

（1)分组演示全流程（信号采集→处理→报警），提交实验报告（含代码、界面截图、性能分析）。

（2)通过答辩分析噪声抑制、算法鲁棒性等关键问题，提出改进方案。

相关知识及背景

脉搏信号是反映心血管状态的重要生物医学信号，其频率、波形与心率及血管弹性密切相关。检测需解决基线漂移、高频噪声等干扰问题，涉及信号放大、滤波（如IIR高通+低通）及时频域分析技术。实验结合电子测量（透射式脉搏传感器、口袋实验室）与数字信号处理（Matlab算法仿真），通过波峰检测（差分阈值法）计算脉率，并扩展至上位机开发（LabVIEW/Java）实现实时监测与异常报警（阈值设定、声光提示）。应用场景涵盖健康监护设备开发，强调精确性、实时性与系统集成能力。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括脉搏传感器、便携式实践平台（“口袋实验室”）、Arduino IDE 软件、Matlab软件。

一、脉搏传感器

心脏搏动推动人体血液周期性循环，血液的流动使血管发生搏动，在体表采用传感器获取这种搏动称为脉搏信号。脉搏信号中含有人体丰富的生理和病理学信息，具有十分重要的临床意义。

采用如图1所示的透射式脉搏传感器，可拾取人体指端脉搏信号。‘3.3V’和‘GND’端连接“口袋实验室”的电源端，驱动光电脉搏传感器将人体指端生理脉搏信号转换为电流信号。然后，经过预处理电路转换为0-3.3V电压信号，由信号线‘OUT’输出。‘OUT’端与核心板ADC连接，供核心板采样和处理。

图1 脉搏传感器实物及接口

二、“口袋实验室”硬件简介

“口袋实验室”是针对教材知识验证和实践的硬件平台，核心板为“ESP32”，并专配自研的光电脉搏传感器，可开展信号时域运算、频域分析、滤波器设计与验证。最终，通过综合项目实践课题完成心率计算，以项目为驱动，实现“学中做、做中学”的目标。

便携式实践平台结构框图如图2所示，由下位机、上位机和通信模块构成。下位机由传感器、硬件预处理模块和ESP32核心模块组成。其中，传感器实现非电量信号向电量信号的转换，硬件预处理模块实现传感器输出信号的放大、滤波等，ESP32核心模块实现信号的AD转换、滤波和传输。上位机为PC机、手机或者云处理器等远端。上下位机通过有线或者无线Wi-Fi形式进行通信。

图2 便携式实践平台硬件组成框图

“口袋实验室”核心模块实物装配图如图3所示,核心模块尺很小，方便携带。如图2为其接口，“电源接口”模块用于传感器供电， “常用ADC”口为ADC1-4、ADC1-5、ADC1-6、ADC1-7。另外，核心模块电源和程序下载共享一根“USB转Type-C”线。USB端可接PC的USB接口，在供电的同时，实现与PC的通信与程序下载。USB端也可接220V转5V电源适配器，可用于非程序调试状态下的系统运行。

（a）核心模块实物装配图	（b）接口简介

图3 “口袋实验室”实物简介

“口袋实验室”的IO口分布及功能如图4所示，共有38个IO接口，其中，5个为电源接口，提供3.3V和5V电压输出，其它33个接口复用多个功能，支撑不同的应用。有16个ADC接口，与内部两个12-bit的SAR ADCs连接。另外，集成了10个触摸传感器，三路Usart串口，2路I2C通信等片上资源。

图4“口袋实验室”IO功能简介

教学目标与目的

知识应用：掌握脉搏信号特性分析、IIR滤波器设计、波峰检测算法等数字信号处理核心理论，理解上位机开发（LabVIEW/Java）与数据通信协议（串口/UART）的技术原理。

技能提升：熟练运用Matlab仿真验证算法，掌握口袋实验室硬件编程、传感器信号调理及实时系统调试能力，培养LabVIEW/Java界面设计与异常检测功能开发技能。

综合能力：通过“信号采集→处理→报警”全流程实践，强化跨学科问题解决能力，提升对噪声抑制、算法鲁棒性、系统实时性的综合分析水平。

创新与协作：鼓励探索动态阈值优化、无线传输扩展等创新方向，培养团队协作与工程文档撰写能力，为医疗健康设备开发奠定实践基础。

教学设计与实施进程

一、教学设计思路

（1）分层递进：从理论讲解（信号特性、滤波算法）到实践操作（Matlab仿真、硬件编程），再到系统集成（上位机开发、报警功能），逐步提升难度；设置“基础→进阶→拓展”任务链，适配不同能力学生的学习需求。

（2）问题驱动：在实验中嵌入关键问题（如“采样频率如何确定？”“如何滤除工频干扰？”），引导学生通过实践探索解决方案；采用“引导-尝试-反馈”循环模式，鼓励学生自主调试与优化。

（3）多维度评价：验收重点包括算法准确性（误差率）、报警功能可靠性（误报率）及实验报告规范性；质询问题聚焦技术难点（如动态阈值实现）与创新性改进（如无线传输可行性）。

（2）实时进程与分工

环节	教师任务	学生任务	重点与细节
预习自学	发布学习通资源（信号处理理论、LabVIEW/Java基础教程），布置前测任务。	自学脉搏信号特性、滤波算法原理，完成前测；初步了解上位机开发工具。	确保学生掌握基础概念，为课堂实践奠定知识储备。
课堂知识讲解	讲解信号采集原理、IIR滤波器设计方法、波峰检测算法及上位机通信协议（串口格式）。	记录关键参数（如滤波器截止频率、报警阈值范围），理解算法与硬件的交互逻辑。	强调噪声来源与抑制策略，演示数据帧解析方法
实验方法指导	演示Matlab仿真流程（频谱分析→滤波→脉率计算），展示上位机界面设计范例。	分组复现演示案例，调试代码并记录问题（如波峰漏检）。	关注滤波前后信号对比，指导学生使用调试工具（如Matlab断点、串口监视器）。
分组研讨方案	提供备选方案（如蓝牙传输扩展、动态阈值算法），引导讨论技术可行性。	制定本组实验计划（如选择LabVIEW或Java开发工具），设计数据协议与报警逻辑。	鼓励跨组协作，优化通信协议（如添加校验位防数据丢失）。
学生实践	巡回指导硬件连接（传感器接线、ESP模块配置）、代码调试（滤波器移植、报警触发）。	完成信号采集、算法移植、上位机开发及报警功能测试，记录实验数据与异常事件。	关注硬件稳定性（如供电噪声）、软件兼容性（如LabVIEW与Arduino驱动匹配）。
结果验收	验收系统功能完整性（实时显示、报警响应），审核误差率。	演示全流程操作，提交代码、界面截图及性能分析报告，回答质询问题。	重点评估报警误报率（≤5%）。
总结与反馈	批改实验报告，点评创新点（如动态阈值优化），提出改进建议。	撰写实验报告，分析技术难点，总结团队协作经验。	强调实验报告的规范性（代码注释、图表标注）与问题反思深度。

实验原理及方案

一、信号采集

解决问题：如何采集？→采样频率如何设置？→怎么应用？

设计目的：通过模块化硬件连接与参数配置，让学生掌握传感器特性与采样定理的实际应用。

（1）基本原理

采集信号采用自研的投射式指尖脉搏传感器，该传感器内置特定波长的LED光源，发射光线穿透人体指尖组织，光电二极管接收透射后的光信号，其电流变化与血液容积波动成正比，光电二极管输出的微弱电流信号，经跨阻放大器转换为电压信号（0-3.3V），反映脉搏波形，最后通过TIA放大电路对光电二极管的电流信号进行放大。

ADC通道选择：将传感器输出引脚接入ESP32的ADC通道（GPIO32- GPIO35）

ADC分辨率：ESP32内置12位ADC，输入电压范围0-3.3V，理论量化精度为：。

采样频率：根据奈奎斯特采样定理，采样频率（B为脉搏信号的最高频率），而脉搏信号的频率范围为0.5~40Hz，而通常脉搏信号中会带有高频噪声，为了防止频谱混叠，工程中通常选择 ，因而选择， ESP32定时器中断触发ADC采样的时间设为4ms。

波特率设置：每个数据位2字节（16位），串口通信格式为8N1（8位数据位、无校验、1位停止位），每字节传输需 10位（含起始位和停止位）。每个数据传输需 2字节 × 10位/字节 = 20位，时，每秒传输250个数据*20位=5000位，因此波特率应大于5000bps。实际上还要考虑数据帧结构、缓冲区管理、硬件兼容性等原因，选择9600 bps或115200bps。

图5 带噪声脉搏波的频谱示意图

图6 脉搏波采集图

二、信号滤波

解决问题：脉搏波有哪些噪声？→如何去除这些噪声？→怎么实现？

设计目的：通过噪声频谱分析、滤波器设计与硬件实现，培养学生频域分析能力及数字信号处理技术的工程应用能力。

（1）脉搏信号中的噪声分析

脉搏信号属于微弱信号，在采集过程中，容易受到外界影响，使信号因含有噪声而失真。常见的噪声可以分为：

肌电干扰。受体温和肌肉活动状态的影响，会产生频率在0~2000Hz范围内的微伏级电信号的噪声，即肌电干扰，这类噪声的幅值大小多变，波形呈一种不规则变化叠加于脉搏信号中。

随机噪声。受测量环境和脉搏传感器的内部噪声影响，会产生频率范围广泛的噪声，即随机噪声，这类噪声的幅值不定，波形呈毛刺状叠加于脉搏信号中。

基线漂移。受人体呼吸和身体微弱移动的影响，会产生频率在1Hz以下的噪声，即基线漂移，这类噪声的幅值变化由人体的微弱体动和呼吸强度决定，受基线漂移的影响脉搏信号会发生缓慢的起伏变化。

工频干扰。受电磁场影响，交流电源和脉搏传感器附近的用电设备会产生频率为50Hz与其整数倍谐波的叠加噪声，即工频干扰，这类噪声的幅值不定，波形呈正弦波形式叠加于脉搏信号。

这些常见的噪声按照频率范围可以分为高频噪声和低频噪声，其中，高频噪声包括肌电干扰和随机噪声，低频噪声包括基线漂移和工频干扰。

图7 含有高频噪声的脉搏信号

图8 含有低频噪声的脉搏信号

（2）滤波器设计

常用滤波器有IIR（Infinite Impulse Response）和FIR（Finite Impulse Response）。IIR滤波器因其实时性和计算效率的优势，常被用于需要高速处理的应用中。

IIR（无限脉冲响应）滤波器是一种递归型数字滤波器，其输出不仅依赖于当前和过去的输入信号，还依赖于过去的输出信号。这种递归结构使其具有高效实现和陡峭频率响应的特点，但可能引入非线性相位。

IIR滤波器设计方法分为经典推导法（零极点放置法、冲激响应不变法和双线性变换法）和最优化设计法（巴特沃斯滤波器、切比雪夫I型滤波器、切比雪夫II型滤波器和椭圆滤波器），由于经典设计发依赖设计者经验及深厚理论基础，初学者太难！且在 工程应用中，滤波器设计效率低，因此常采用最优化设计法。

巴特沃斯滤波器的通带和阻带均单调，过渡带平缓；切比雪夫I型的通带等波纹，阻带单调，过渡带陡峭；切比雪夫II型的阻带等波纹，通带单调；椭圆滤波器的通带和阻带均为等波纹，过渡带最陡峭。因而在高精度信号处理场景（如医疗设备、通信系统），常采用椭圆滤波器。

以某一脉搏波的滤波过程为例讲述滤波过程（方法不唯一）

如图9所示为采集脉搏波的时域波形（归一化到（-1，1））和幅频图，存在明显的基线漂移，故可设计一个高通滤波器去除0Hz处的噪声，如图10所示的高通滤波器，其模拟阻带截止频率为0.1Hz，模拟通带截止频率为0.5Hz，阻带波纹为20dB，通带波纹为0.1dB，且所有极点都在单位圆内，该滤波器系统是稳定的。

图9 脉搏波的时域波形和幅频图
图10 高通滤波器的频谱图和零极点图
图11 去除基线漂移后的脉搏波时域波形和幅频图

去除低频噪声后的脉搏波还存在稍许的高频毛刺，同时在50Hz的地方出现了工频干扰，设计一个低通滤波器去除该噪声，其模拟阻带截止频率为15Hz，模拟通带截止频率为10Hz，阻带波纹为20dB，通带波纹为2dB，且所有极点都在单位圆内，该滤波器系统是稳定的。

图12 低通滤波器的频谱图和零极点图
图13 去除毛刺和工频干扰后的脉搏波时域波形和幅频图

（3）滤波实现

IIR滤波器的传递函数在Z域中表示为： ，其中决定零点位置，影响频率响应的波谷，决定极点位置，影响频率响应的波峰和稳定性（极点需在单位圆内）。对应的差分方程为：。高通滤波器的系数,,低通滤波器的系数，，因为可以得到a=a1*a2=[ 1,-4.608093,8.601495,-8.131881,3.891848,-0.753368],

b=b1*b2=[ 0.047125,-0.130238,0.083113,0.083113,-0.130238,0.047126]。

将差分方程写入单片机，结果如图14所示。

图14 滤波器系统零极点图和单片机滤波后的脉搏波

三、脉率计算

解决问题：如何计算脉率？→如何验证脉率的正确性？→如何实现？

设计目的：通过算法设计、误差分析与系统集成，强化学生对生物信号特征提取的理解，提升其数据验证与工程调试能力。

（1）脉率计算

脉率为每分钟脉搏搏动次数，可用公式$PR(i) = \frac{60}{PP(i)*t_{s}}$进行计算。其中， PR(i)为第 i个脉搏波对应的脉率，PP(i)为第 i个脉搏波间期，ts为信号采样周期。

图15 脉搏信号及其差分信号

脉搏信号的幅度变化较大，但其一阶差分信号比较稳定，对该差分信号设置幅度阈值，检测差分信号峰值，用于分割脉搏波。脉搏波主波波峰就是每个周期内的最大值。得到脉搏波主波位置后，就可计算得到脉率。

（2）脉率提取算法准确性评估

对于脉率计算结果的准确性，需要设计方案进行评价，如图16所示。将人工检测的脉率作为算法检测结果准确性的评估标准，计算准确率、漏检率和误检率。

图16 算法准确性评估流程

图17 脉率检测结果（Matlab）

（3）实时脉率实现

将Matlab中的脉率算法移植到ESP32中，根据实际情况调节阈值，即可得到脉率。最后将将ESP32输出数据导入Matlab，与仿真结果对比误差率（漏检≤5%，误检≤5%）。

图18 脉率检测结果（ESP32串口显示）

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

一、课题背景及要求（5分）

（1）结合文献阐述脉搏信号检测的医学与工程背景（如健康监护需求、技术挑战）。

（2）明确实验核心目标（如实时脉率计算、异常报警功能）。

二、课题拟解决关键问题论述（20分）

（1）问题定位：分析信号噪声（基线漂移、高频干扰）、波峰检测误差、系统实时性不足等关键问题。

（2）解决策略：引用参考文献（至少3篇）论证方案可行性（如IIR滤波器选型依据、差分阈值法的优化逻辑）。

三、总体方案设计（10分）

（1）系统架构：绘制流程图（信号采集→滤波→脉率计算→报警），说明各模块功能。

（2）理论推导：滤波器参数计算（截止频率公式）、脉率公式推导等。

（3）参数选择：采样频率设定依据（满足奈奎斯特定理）等。

四、结果（30分）

（1）程序分析：核心代码片段（如滤波算法、波峰检测逻辑）注释说明。

（2）结果图：滤波前后时域/频域对比图、算法误差分析表（人工标定vs算法计算）和上位机界面截图。

（3）性能总结：量化指标（如误检率≤5%）。

五、讨论（20分）

（1）问题分析：信号处理中的不足、系统瓶颈等；

（2）讨论：若需扩展为多用户监测系统，如何优化通信协议？

六、收获与体会（10分）

（1）知识能力总结：数字信号处理技能（滤波、频谱分析）、跨学科系统开发能力（硬件+软件）。

（2）体会：反思实验过程中的不足，提出后续的改进措施。

七、参考文献（5分）

（1）引用至少5篇文献，包含CNKI/EI/SCI论文；

（2）文献需与实验直接相关（滤波器设计、波峰检测算法、医疗设备开发）。

考核要求与方法

平时表现（30%）：包括学习通自主学习（闯关模式、测试题）、过程表现（组内互评）和交流演讲（老师评分+组间互评）。

实验完成度（50%）：基本任务（35%）、进阶任务（10%）、拓展任务（5%）。

实验报告（20%）：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新

医工交叉的全流程实践体系：构建"需求分析→算法设计→工程实现→系统验证"四层闭环，以抑郁症监测横向课题为牵引，将科研成果转化为教学案例，实现"科研-教学-应用"深度互哺。

多学科融合的虚实协同平台：融合多门核心课程，形成"时域采集→频域分析→实时处理"知识体系，通过"Matlab仿真→ESP32部署→LabVIEW/Java联调"三阶工具链，打造"虚仿验证→硬件落地→工程闭环"实践生态。

全方位的评价体系：构建“多元形式-多维度指标-梯度化任务链”评价体系，全面综合考核学生的知识和能力，促进教师优化教学方法。

附录：教学大纲

数字信号处理

Digital Signal Processing

课程编号	A1620018		学分	4			开课学期		5
学时	讲课：52学时 实验：12学时 实践：0学时
课程类型	专业必修课程	课程性质	必修			考核形式		考试
先修课程	《高等数学A(1)》、《高等数学A(2)》、《线性代数》、《复变函数与积分变换》、《信号与系统分析》
适用专业	测控技术与仪器		开课学院		电气与自动化工程学院
建议教材	（1）Lyons, Richard G.著. 张建华, 许晓东, 孙松林等译.数字信号处理（第三版），北京:电子工业出版社, 2015年 （2）自编讲义.数字信号处理实践指导书，校内讲义，2020年
主要参考书	（1）Lyons, Richard G.著.Understanding digital signal processing(第三版)，北京:电子工业出版社，2017 （2）钟黎萍主编. 数字信号处理实验指导, 高等教育出版社, 2018年 （3）孙晓艳等编著. 数字信号处理及其MATLAB实现:慕课版, 电子工业出版社, 2018年 （4）黄夫海编著. 数字信号处理原理及其LabVIEW实现, 电子工业出版社, 2015年 （5）陈帅主编, 数字信号处理与DSP实现技术, 人民邮电出版社, 2015年

一、课程说明

《数字信号处理》是一门研究数字信号与系统基本理论和分析方法的基础工程课程。主要内容包括：数字信号与系统认识；信号检测理论；信号处理理论，包括信号时域、频域、复频域处理、卷积定理及应用；典型的应用：FIR和IIR滤波器设计；综合案例设计与实现。通过本课程的教学，使学生掌握数字信号处理的基本概念、理论和分析方法，能够认识并分析工程项目中信号处理相关的关键问题，通过文献研究、数学建模等手段寻求解决方案，并能够使用现代工具软件进行方案选择与验证。最终形成一定的数字信号处理能力和终身学习能力，为进一步学习后续课程和今后参加工作奠定坚实的基础。

二、课程教学目标 {#二课程教学目标}

（一）立德树人

通过课程理论和技术的学习，对信号分析与处理相关知识有一个全面了解。通过对傅里叶变换、采样定理等知识点提出者的科研经历过程讲解，了解前辈们在信号处理技术发展过程中如何思考，如何克服所遇到的障碍，帮助学生建立科学的思维方法以及工作中勇于面对挑战的精神。将企业实践案例引入课程，通过理实一体化教学，锻炼学生的沟通、小组合作等职业素养。从仪器科学与技术学科对我国创新驱动发展作用的角度出发，以企业工程实践案例为载体，把社会主义核心价值观教育融入课程教学内容和教学全过程各环节，突出价值引领、知识传授和能力培养，帮助学生正确认识历史规律、准确把握基本国情、掌握科学的世界观、方法论，促进树立正确的世界观和价值观。

（二）课程目标

**1.**掌握离散时间信号和系统的描述及分析方法，能够在时域、频域和复频域对离散时间信号和系统建立模型并求解。（对应毕业要求1.2：能够针对自动化测试领域中的物理、机械部件、电路、信号与系统等具体的对象建立数学模型并求解。）

**2.**掌握离散时间信号获取、滤波、特征提取、时域分析、频域分析及复频域分析方法。能对自动化测试领域中的信号采集、处理与分析等工程问题进行推演与分析。（**对应毕业要求1.3：**能够将电路、电子技术、信号分析及处理、控制理论、误差分析理论等相关知识和数学模型方法用于推演、分析自动化测试领域的工程问题。）

**3.**掌握数字信号处理全流程及各模块作用；能够通过工程案例认识到信号采集、处理与分析过程中具有多种解决方案。掌握并熟练应用多种文献检索方法，面对实际工程问题，能够找到解决问题的替代或者最优方案。（**对应毕业要求2.3：**能够认识到解决自动化测试问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。）

**4.**能够基于数字信号处理的相关方法及理论，认识并分析自动化测试系统开发过程中的关键问题；提出多种问题解决方案，并通过仿真或实验对方案进行验证和选择。（**对应毕业要求4.2：**能够基于科学原理并采用科学方法、专业理论对自动化测试系统开发或集成中的关键问题进行分析，设计仿真或实验方案。）

**5.**能够使用Matlab软件或Arduino软件对数字信号处理过程的问题进行仿真与模拟分析，了解这些软件的局限性，具备协同使用这些软件解决实际工程问题能力。（**对应毕业要求5.3：**能够运用适当的现代工程工具进行仿真，实现自动化测试复杂工程问题的模拟分析与预测，并能够理解其局限性。）

**6.**明确本课程在整个信号处理流程中的地位，能够紧跟专业知识体系的不断更新。遇到实际工程问题，能够通过论坛、博客、网课、文献查阅等自主学习手段不断提高自己的解决工程问题的能力。（**对应毕业要求12.2：**具有自主学习的能力，包括对技术问题的理解能力，归纳总结的能力和提出问题的能力等。）

三、教学内容及基本要求

1. 绪论

1．课程教学内容

（1）数字信号处理简介；

（2）数字信号处理的知识体系；

（3）数字信号处理应用及发展方向。

思政融入点：以视频方式展示：航母导弹：运用数字信号精确控制武器系统，提升防御与攻击效能；中医现代化：数字化技术提高中医诊疗准确性，促进传统医学发展；抗击疫情：数字追踪和大数据分析助力疫情防控，加快疫苗分配效率。从而让学生了解数字信号处理课程的学科地位。

2．课程重点、难点

重点：理解信号处理全流程，建立立体化知识体系；

难点：理解信号处理全流程各模块之间的逻辑关系，以及数字信号处理各知识模块之间的联系。

3．课程教学要求

掌握信号处理全流程，建立立体化知识体系；明确学习本课程的工程及学科地位；了解数字信号处理的应用领域及发展前景。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、工程案例分析、以问题为中心教学方式。

2. 离散时间信号与系统的时域分析

1．课程教学内容

（1）离散时间信号及离散线性时不变系统；

（2）离散时间信号运算；

思政融入点：讲解对疫情数据的离散卷积分析，可以识别出疫情传播的高峰期、低谷期以及拐点等特征，从而帮助了解疫情的发展趋势和规律，更好地预测未来的走势。从而激发学生的学习兴趣和社会责任感。

3. 信号采样。

2．课程重点、难点

重点：离散时间系统的描述方法、常用的时域运算，卷积意义、采样定理；

难点：理解采样定理的推导过程及其工程意义、理解卷积的过程及其实际工程意义。

3．课程教学要求

掌握离散线性时不变系统概念；掌握离散时间信号基本运算及应用；掌握卷积的概念及意义；能够利用离散时间信号与系统的基本运算、采样定理解决工程问题。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

3. 离散时间信号与系统的频域分析

1．课程教学内容

（1）非周期序列的离散时间傅里叶变换（DTFT）；

课程思政融入点：讲解法国数学家、物理学家傅里叶的人生经历，提升学生的学习兴趣。通过傅里叶提出傅里叶级数论文投稿的曲折过程，助学生形成正确的科研观，同时培养其科研套索精神。

（2）周期序列的离散时间傅里叶级数（DTFS）；

（3）离散傅里叶变换（DFT）；

（4）快速傅里叶变换（FFT）；

课程思政融入点：讲解FFT在导航、通信、导弹制导等领域中的应用，培养学生的家国情怀，激发其学习兴趣。

（5）滑窗迭代DFT；

（6）傅里叶变换知识体系；

（7）卷积定理。

2．课程重点、难点

重点：离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、滑窗DFT、卷积定理；

难点：傅里叶变换的知识框架。

3．课程教学要求

理解并掌握傅里叶变换的概念和性质，建立傅里叶变换的知识体系；能够利用FFT和滑窗迭代DFT对离散时间信号及系统进行频域分析；掌握卷积定理，能够应用卷积定理理解傅里叶变换，能够将卷积定理用于信号的时域和频域分析。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

4. 离散时间信号与系统的复频域分析

1．课程教学内容

（1）复频域简介；

（2）拉普拉斯变换；

（3）z变换；

（4）频域向复频域的扩展；

（5）z变换在离散时间系统分析中的应用。

2．课程重点、难点

重点：z变换在离散时间系统分析中的应用；

难点：傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换的知识框架。

3．课程教学要求

理解拉普拉斯变换、z变换的概念及其意义；掌握傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换的知识框架；能够应用s变换和z变换进行系统复频域分析。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

5. 数字滤波器

1．课程教学内容

（1）数字滤波器基础；

（2）无限长单位冲击响应（IIR）的基本网络结构；

（3）有限长单位冲激响应（FIR）的基本网络结构。

2．课程重点、难点

重点：IIR和FIR滤波器的网络结构及工作过程；

难点：FIR滤波器与IIR滤波器的联系与区别。

3．课程教学要求

理解数字滤波器的工作过程；理解FIR滤波器和IIR滤波器的概念；掌握级联型结构的表示方法。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

6. FIR数字滤波器的设计

1．课程教学内容

（1）线性相位数字滤波器的条件与特点；

（2）窗函数设计法；

（3）频率采样法；

（4）最优化设计法；

2．课程重点、难点

重点：FIR滤波器的结构、FIR滤波器的设计方法。

难点：掌握FIR滤波器设计方法，以及与IIR滤波器的区别。

3．课程教学要求

理解FIR滤波器的特性和设计方法；能够针对工程应用中的滤波问题，设计滤波方案；能够采用Matlab软件进行方案仿真，并通过Arduino单片机系统验证。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

7. IIR数字滤波器设计

1．课程教学内容

（1）IIR滤波器；

（2）模拟滤波器的设计；

（3）经典推导法；

（4）IIR滤波器最优化设计方法。

课程思政融入点：通过IIR滤波在中医诊脉客观化的应用案例讲解，提升学生对中医这一文化瑰宝的认同感，同时，激发其科学探索精神。

2．课程重点、难点

重点：掌握IIR滤波器的结构及实现方法，掌握IIR滤波器的最优化设计法；

难点：IIR滤波器的经典设计法。

3．课程教学要求

理解各种形式的模拟滤波器的特点及设计方法；了解经典推导法（零极点放置法、冲激响应不变法和双线性变换法）设计IIR滤波器原理；掌握IIR滤波器的最优化设计法；能够针对工程应用中的滤波问题，设计IIR滤波方案；能够基于Matlab软件对IIR滤波器方案进行仿真；能够基于Arduino单片机系统进行在线滤波。

4．课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

8. 数字信号处理综合应用

1．课程教学内容

（1）信息提取中的应用；

（2）通信中的应用。

思政融入点：对全班学生进行分组，分配任务，以小组合作的形式完成项目实践，锻炼其合作和沟通的职业素养。

2．课程重点、难点

重点：案例分解、信号处理流程设计、数字信号处理方法的选择；

难点：掌握实际信号采集处理过程，能够根据实际工程需求设计相应的信号处理方案。

3．课程教学要求

掌握文献检索和查阅资料方法；能够认识到系统开发过程中的关键问题；能够根据关键问题设计信号采集与处理方案，并能够对方案进行验证。

4. 课程教学方式

翻转课堂（蓝墨云班课）、以问题为中心教学方式、案例演示。

四、课程学时分配

《数字信号处理》根据教学计划规定的学时数，理论课52学时，实验12学时，具体学时分配如下表，供参考。

教学内容概要	学时			教学方式	对应课程目标
	讲课	实验	实践
11.绪论 （1）数字信号处理简介； （2）数字信号处理的知识体系； （3）数字信号处理应用及发展方向。	2			讲授	3、6
2. 离散时间信号与系统的时域分析 （1）离散时间信号及离散线性时不变系统； （2）离散时间信号运算；	4			讲授	1
2.离散时间信号与系统的时域分析 （3）信号采样。	4			讲授	2、3
2.离散时间信号与系统的时域分析 （4）采样定理。	2			讲授	1
3.离散时间信号与系统的频域分析 （1）非周期序列的离散时间傅里叶变换（DTFT）； （2）周期序列的离散时间傅里叶级数（DTFS）； （3）离散傅里叶变换（DFT）。	6			讲授	1
3.离散时间信号与系统的频域分析 （4）快速傅里叶变换（FFT）；	2			讲授	2
3.离散时间信号与系统的频域分析 （5）滑窗迭代DFT。	2			讲授	2
3.离散时间信号与系统的频域分析 （6）傅里叶变换知识体系； （7）卷积定理。	4			讲授	1
4.离散时间信号与系统的复频域分析 （1）复频域简介； （2）拉普拉斯变换； （3）z变换。	4			讲授	1
4.离散时间信号与系统的复频域分析 （4）频域向复频域的扩展； （5）z变换在离散时间系统分析中的应用。	4			讲授	1
5.数字滤波器 （1）数字滤波器基础； （2）无限长单位冲击响应（IIR）的基本网络结构； （3）有限长单位冲激响应（FIR）的基本网络结构。	2			讲授	2
6. FIR数字滤波器的设计 （1）线性相位数字滤波器的条件与特点； （2）窗函数设计法；	4			讲授	5
6. FIR数字滤波器的设计 （3）频率采样法； （4）最优化设计法。	4			讲授	2
7. IIR数字滤波器设计 （1）IIR滤波器； （2）模拟滤波器的设计；	2			讲授	2
7. IIR数字滤波器设计 （3）双线性变化法；	2			讲授	2
7. IIR数字滤波器设计 （4）IIR滤波器最优化设计方法。	4			讲授	4
8. 数字信号处理综合应用 （三选一） 实验1：基于心电信号的心率计算方法设计 实验2：基于脉搏信号的脉率计算方法设计 实验3：基于三轴加速度的计步算法设计		6		实验	4、5、6
8. 数字信号处理综合应用 （必修） 实验4：多路信号无线传输		6		实验	3、6
合 计	52	12

五、其他教学环节

1.实验项目与内容

共4个实验项目，前3个为选修，三选一，第4个为必修。

序号	实验项目名称	内容提要	实验学时	每组人数	实验类型	实验类别	实验要求
1	实验一：基于心电信号 的心率计算方法设计与报警系统设计	1. 通过文献检索，认识到“心率”计算过程中需解决的关键问题，设计心电信号采集与处理的总体方案，并进行可行性分析； 2. 设计实验，采用便携式实验平台采集心电信号； 3. 设计心率计算的方案及流程； 4. 基于 Matlab 软件对算法进行仿真和调试； 5. 基于Arduino单片机系统对算法进行在线验证。 6、设计相应上位机，并对心率进行监控及异常报警。	6	2-3	综合性	专业基础	选修
2	实验二、基于脉搏信号的智能脉率实时监测与报警系统设计	1. 通过文献检索，认识到“脉率”计算过程中需解决的关键问题，设计脉搏信号采集与处理的总体方案，并进行可行性分析； 2. 设计实验，采用采用便携式实验平台采集脉搏信号； 3. 设计心率计算的流程； 4. 基于Matlab软件对算法进行仿真和评估； 5. 基于Arduino单片机系统对算法进行在线验证。 6. 6、设计相应上位机，并对脉率进行监控及异常报警。	6	2-3	综合性	专业基础	选修
3	实验三、基于三轴加速度的计步算法设计	1. 通过文献检索，认识到“计步”过程中需解决的关键问题，设计信号采集与处理的总体方案，并进行可行性分析； 2. 设计实验，采用“云班课”中上传的手机APP采集三轴加速度数据； 3. 基于Matlab软件对算法进行仿真和验证。	6	2-3	综合性	专业基础	选修
5	实验四、多路信号无线传输	1. 通过文献检索，自学信号无线传输过程中：“调制与解调”、“频分复用”的原理及过程； 2. 通过文献阅读，认识到“语音信号频分复用”实现过程中需解决的关键问题，设计总体方案，进行可行性分析； 3. 下载或者录制两段语音信号，设计信号频分复用的算法流程； 4. 基于Matlab软件对算法进行仿真。	6	2-3	综合性	专业基础	必修

2.说明

本课程实验是理论教学的辅助内容，本课程实验具有较强的实践性，是加强课程教学的必要环节。本课程实验的目的是提高学生分析和解决问题简单数字信号处理问题的能力，培养实事求是、严谨的科学作风和良好的实验习惯，为从事信号处理系统的分析设计奠定基础。

六、教学管理

1. 将蓝墨云班课软件用于日常教学，提高教学效率。主要内容为：上传教学资源（课程教学大纲、各章节PPT、作业或者报告模板、教学过程示例程序），方便学生课后预习和复习；用于课堂辅助教学，建立直播/讨论群进行课堂互动及作业布置，建立课堂测试题库测试课堂教学效果，建立课后作业题库用于课后复习，建立学习效果主观评价问卷库用于收集学生对课程的主观评价及改进建议，指导课程持续改进；在云班课中与学生互动，进行远程答疑；采用云班课进行考勤和挂科智能预警；录制日常上课视频，上传云班课，形成网络视频教学资源库。

2. 教学方法采用课堂讲授、多媒体教学、云班课、案例演示与项目实践结合的方式。在学习过程中，根据学生的认知规律，以问题为中心，采用新型多媒体软件Focusky设计PPT；以蓝墨云班课软件为平台，结合课堂讲授，根据学生的实时教学效果，调整教学进度，实现课堂翻转教学。将便携式实践平台和Matlab软件引入教学，加深学生对知识点的理解。将实际工程案例分解为课后作业和项目实践，让学生通过实际工程演练，能够达到学以致用。

**3. 教材选用。**建议使用南京大学出版社出版的《数字信号处理理论及应用基础》（2016年出版）作为教材。该教材以案例为中心，将知识点进行分解，结构合理，突出了基础性、先进性和易读性。内容叙述力求深入浅出、层次分明，有助于学生对理论知识的理解。同时，可辅选电子工业出版社出版的《数字信号处理》，该教材是张建华等人对Lyons, Richard G.对《Understanding digital signal processing: the 3rd edition》的译本，该教材汇聚Lyons, Richard G.等人多年的工程开发经验，以工业应用为背景，全面阐释数字信号处理的基本理论、基本概念和基本方法，注意理论的完整性与工程实用性相结合，培养学生的工程意识，该教材内容特别适应培养应用型人才的要求。

4. 教学评价。采用“主观+客观”的方式对本课程毕业要求达成度进行评价。采用蓝墨云班课问卷调查库采集学生的主观达成度及课程改进建议，形成主观评价成绩；采用课程成绩计算达成度，作为客观评价参考。以主观和客观评价结果为参考进行教学的持续改进。

七、考核方法

1、考核说明

本课程的学生成绩由平时成绩、实验、期中考试成绩和期末考试成绩四部分组成，其中平时成绩占总成绩的30%，实验占总成绩的20%、期中考试成绩占总成绩的10%，期末考试成绩占总成绩的40%。平时成绩由云班课资源学习（5%）、课堂测试（占5%）、课后作业（占5%）、课堂实践（占15%）、综合评定。具体考核环节和考核比例见下表。

考核环节	平时成绩（30%）				期中考核 （10%）	实验成绩 （20%）	期末考核 （40%）	合计
	云预习	课堂测试	课后作业	课堂实践
考核比例	5%	5%	5%	15%	10%	20%	40%	100%

（1）课后作业、上课考勤和课堂测试在云班课进行，答案参考云班课题库；

（2）实验考核方式：按照平时表现（30%）、实验结果（50%）、实验报告（20％），以百分制计算每个项目成绩，平时表现分为云班课资源学习（10%）、过程表现（10%）和交流演讲（10%）。其中，过程表现通过小组内互评得到，交流演讲通过小组间互评得到。其余单项成绩考核标准如下表所示，各项目成绩的平均值作为本课程的实验成绩。

实验成绩考核标准

实验程序设计及答辩评分表		实验报告评分标准
操作表现	等级（分）	报告内容	评分标准（分）
在规定时间的2/3内完成；独立完成项目；信号处理流程合理正确；程序整洁规范，能正确运行；有关键程序注释；有产生证明结论的图表或数据。	A（90-100）	课题背景及要求（5分）	4-5分：课题背景论述正确详实，明确课题要求； 2-3分：有课题背景及要求论述； 1分：缺少课题背景或者论述。
在规定时间内完成；最多经一次个别指导完成操作；信号处理流程正确；程序能正确运行；有程序运行结果。	B（80-89）	课题拟解决关键问题论述（20分）	16-20分：关键问题论述正确，能够查阅文献提出可行的解决策略； 11-15分：关键问题论述正确，提出了解决策略； 6-10分：关键问题论述正确，但解决策略部存在问题； 1-5分：关键问题论述有误，解决策略部存在问题。
在规定时间内完成；经多次个别指导完成操作；信号处理流程有个别错误；程序能正确运行；有部分运行结果。	C（70-79）	总体方案设计（10分）	8-10分：总体设计方案合理正确，切实可行； 4-7分：总体设计方案存在部分问题； 1-3分：有总体方案，但可行性差。
在规定时间内完成；经多次个别指导完成操作；信号处理流程有个别错误；程序能部分错误，无运行结果。	D（60-69）	结果（30分）	20分：针对关键问题及总体方案环节有结果证明，并按照环节数量分配分值。 10分：能够采用图表、数据等展示结果，图表正确美观，对关键程序进行说明。根据图表或者程序的错误程度进行扣分。
		讨论（20分）	16-20分：针对关键问题和思考题进行充分讨论，内容详实； 11-15分：针对关键问题或思考题进行充分讨论； 6-10分：针对部分关键问题或思考题进行讨论； 1-5分：有讨论内容，但不充分。
		收获与体会（10分）	8-10分：切实详述课题收获，并对下一步工作进行展望。 4-7分：有课题收获或者下一步工作展望 1-3分：有内容，但过于简略
在规定时间内未完成操作	E（＜60）	参考文献（5分）	4-5分：参考文献与内容相关，格式正确； 2-3分：有参考文献，格式有误； 1分：只有一条参考文献。
注意：如发现抄袭，则按0分处理。

2、课程目标考核方案一览表

考核说明：《课程目标考核方案一览表》表达的对应关系，能够证明学生通过本课程考核成绩合格，即可达到课程目标的要求。

课程目标考核方案一览表

课程支撑的毕业要求序号	课程目标序号	考核内容	考核形式	考核原始材料（说明：试卷、作业、实践报告、技术报告、过程记录、实习总结等，纸质或电子）
1.2	课程目标1	掌握离散时间信号和系统的描述及分析方法，能够在时域、频域和复频域对离散时间信号和系统建立模型并求解。	期末考试 期中考试 课后作业 课堂测试	试卷（纸质） 课后作业题（云班课） 课堂测试题（云班课）
1.3	课程目标2	掌握离散时间信号获取、滤波、特征提取、时域分析、频域分析及复频域分析方法。能对自动化测试领域中的信号采集、处理与分析等工程问题进行推演与分析。	期末考试 期中考试 课堂测试	试卷（纸质） 课堂测试题（云班课）
2.3	课程目标3	掌握数字信号处理全流程及各模块作用；能够通过工程案例认识到信号采集、处理与分析过程中具有多种解决方案。掌握并熟练应用多种文献检索方法，面对实际工程问题，能够找到解决问题的替代或者最优方案。	实验 课后作业	实验报告（纸质） 课后作业题（云班课）
4.2	课程目标4	能够基于科学原理并采用科学方法、专业理论对自动化测试系统开发或集成中的关键问题进行分析，设计仿真或实验方案。	实验 课堂实践	实验报告（纸质） 课堂实践程序（云班课）
5.3	课程目标5	能够使用Matlab软件或Arduino软件对数字信号处理过程的问题进行仿真与模拟分析，了解这些软件的局限性，具备协同使用这些软件解决实际工程问题能力。	实验 课后作业 课堂实践	实验报告（纸质） 课堂实践程序（云班课） 实验程序（云班课） 课后作业题（云班课）
12.2	课程目标6	明确本课程在整个信号处理流程中的地位，能够紧跟专业知识体系的不断更新。遇到实际工程问题，能够通过论坛、博客、网课、文献查阅等自主学习手段不断提高自己的解决工程问题的能力。	课后作业 综合课题 云班课资源学习	课后作业题（云班课） 实验报告（纸质） 资源学习记录（云班课）