Matlab在數字信號處理課程設計中的應用

　　1　《數字信號處理》課程的特點(diǎn)

　　《數字信號處理》課程是一門(mén)理論和技術(shù)發(fā)展十分迅速、應用非常廣泛的前沿性學(xué)科,他的理論性和實(shí)踐性都很強,他的特點(diǎn)是：

　　(1)要求的數學(xué)知識多,包括高等代數、數值分析、概率統計、隨機過(guò)程等。

　　(2)要求掌握的基礎知識強,網(wǎng)絡(luò )理論、信號與系統是本課程的理論基礎。

　　(3)與其他學(xué)科密切相關(guān),即與通信理論、計算機、微電子技術(shù)不可分,又是人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等新興學(xué)科的理論基礎之一。

　　學(xué)生在學(xué)習這門(mén)課程時(shí),普遍感到數字信號處理的概念抽象,對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此,如何幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應用所學(xué)知識解決實(shí)際問(wèn)題的能力,是本課程教學(xué)中所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了配合《數字信號處理》專(zhuān)業(yè)基礎課的理論教學(xué),我們在電子信息工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)計劃中安排了二周的《數字信號處理》課程設計,他是針對《數字信號處理》的基礎理論和算法進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節的一個(gè)綜合訓練,以便學(xué)習鞏固所學(xué)的知識,加強理論和實(shí)際結合的能力,培養學(xué)生的綜合設計能力與實(shí)際工作能力。

　　Matlab語(yǔ)言是一種廣泛應用于工程計算及數值分析 領(lǐng)域的新型高級語(yǔ)言,Matlab功能強大、簡(jiǎn)單易學(xué)、編程效率高,深受廣大科技工作者的歡迎。特別是Matlab還具有信號分析工具箱,不需具備很強的編程能力,就可以很方便地進(jìn)行信號分析、處理和設計。因此,選擇用Matlab進(jìn)行課程設計。

　　2　基于Matlab的課程設計

　　為了鞏固所學(xué)的數字信號處理理論知識,使學(xué)生對信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲等有一個(gè)系統的掌握和理解,精心地安排了課程設計的內容：錄制一段個(gè)人自己的語(yǔ)音信號,并對錄制的信號進(jìn)行采樣;畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號的時(shí)域波形和頻譜圖;給定濾波器的性能指標,采用窗函數法和雙線(xiàn)性變換設計濾波器,并畫(huà)出濾波器的頻率響應;然后用自己設計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波,畫(huà)出濾波后信號的時(shí)域波形和頻譜,并對濾波前后的信號進(jìn)行對比,分析信號的變化;回放語(yǔ)音信號;最后,設計一個(gè)信號處理系統界面。下面對各步驟加以具體說(shuō)明。

　　2．1　語(yǔ)音信號的采集

　　要求學(xué)生利用Windows下的錄音機,錄制一段自己的話(huà)音,時(shí)間在1 s內。然后在Matlab軟件平臺下,利用函數wavread對語(yǔ)音信號進(jìn)行采樣,記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數。通過(guò)wavread函數的使用,學(xué)生很快理解了采樣頻率、采樣位數等概念。

　　2．2　語(yǔ)音信號的頻譜分析

　　要求學(xué)生首先畫(huà)出語(yǔ)音信號的時(shí)域波形;然后對語(yǔ)音號進(jìn)行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜特性,從而加深學(xué)生對頻譜特性的理解。其程序如下：

　　2．3　設計數字濾波器和畫(huà)出其頻率響應

　　給出各濾波器的性能指標：

　　(1)低通濾波器性能指標　fb＝1 000 Hz,fc＝1 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　(2)高通濾波器性能指標　fc＝4 800 Hz,fb＝5 000 Hz As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　(3)帶通濾波器性能指標　fb1＝1 200 Hz,fb2＝3 000 Hz,fc1＝1 000 Hz,fc2＝3 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　要求學(xué)生用窗函數法和雙線(xiàn)性變換法設計上面要求的3種濾波器。在Matlab中,可以利用函數fir1設計FIR濾波器,可以利用函數butte, cheby1和ellip設計IIR濾波器;利用Matlab中的函數freqz畫(huà)出各濾波器的頻率響應。程序如下：

　　2．4　用濾波器對信號進(jìn)行濾波

　　要求學(xué)生用自己設計的各濾波器分別對采集的信號進(jìn)行濾波,在Matlab中,FIR濾波器利用函數fftfilt對信號進(jìn)行濾波,IIR濾波器利用函數filter對信號進(jìn)行濾波。

　　2．5　比較濾波前后語(yǔ)音信號的波形及頻譜

　　要求學(xué)生在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后的波形及頻 譜。其程序如下：

　　2．6　回放語(yǔ)音信號

　　在Matlab中,函數sound可以對聲音進(jìn)行回放。其調用格式：sound(x,fs,bits);可以感覺(jué)濾波前后的聲音有變化。

　　2．7　設計系統界面

　　為了使編制的程序操作方便,要求有能力的學(xué)生,設計處理系統的用戶(hù)界面。在所設計的系統界面上可以選擇濾波器的類(lèi)型,輸入濾波器的參數,顯示濾波器的頻率響應,選擇信號等。

　　3　結語(yǔ)

　　筆者在電信97,98,99,00四屆學(xué)生中,采用Matlab進(jìn)行數字信號處理課程設計,實(shí)踐證明,使學(xué)生加深了對課堂抽象概念的理解,鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識,并能很好地理解與掌握數字信號處理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。在課程設計中,讓學(xué)生錄制自己的聲音,設計濾波器對聲音進(jìn)行處理,大大激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習興趣,使學(xué)生很快地掌握編程方法和解決實(shí)際問(wèn)題的技巧,取得了良好的教學(xué)效果。