Matlab在数字信号处理课程设计中的应用

　　1　《数字信号处理》课程的特点

　　《数字信号处理》课程是一门理论和技术发展十分迅速、应用非常广泛的前沿性学科,他的理论性和实践性都很强,他的特点是：

　　(1)要求的数学知识多,包括高等代数、数值分析、概率统计、随机过程等。

　　(2)要求掌握的基础知识强,网络理论、信号与系统是本课程的理论基础。

　　(3)与其他学科密切相关,即与通信理论、计算机、微电子技术不可分,又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。

　　学生在学习这门课程时,普遍感到数字信号处理的概念抽象,对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此,如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力,是本课程教学中所要解决的关键问题。为了配合《数字信号处理》专业基础课的理论教学,我们在电子信息工程专业教学计划中安排了二周的《数字信号处理》课程设计,他是针对《数字信号处理》的基础理论和算法进行实践环节的一个综合训练,以便学习巩固所学的知识,加强理论和实际结合的能力,培养学生的综合设计能力与实际工作能力。

　　Matlab语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析 领域的新型高级语言,Matlab功能强大、简单易学、编程效率高,深受广大科技工作者的欢迎。特别是Matlab还具有信号分析工具箱,不需具备很强的编程能力,就可以很方便地进行信号分析、处理和设计。因此,选择用Matlab进行课程设计。

　　2　基于Matlab的课程设计

　　为了巩固所学的数字信号处理理论知识,使学生对信号的采集、处理、传输、显示和存储等有一个系统的掌握和理解,精心地安排了课程设计的内容：录制一段个人自己的语音信号,并对录制的信号进行采样;画出采样后语音信号的时域波形和频谱图;给定滤波器的性能指标,采用窗函数法和双线性变换设计滤波器,并画出滤波器的频率响应;然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波,画出滤波后信号的时域波形和频谱,并对滤波前后的信号进行对比,分析信号的变化;回放语音信号;最后,设计一个信号处理系统界面。下面对各步骤加以具体说明。

　　2．1　语音信号的采集

　　要求学生利用Windows下的录音机,录制一段自己的话音,时间在1 s内。然后在Matlab软件平台下,利用函数wavread对语音信号进行采样,记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用,学生很快理解了采样频率、采样位数等概念。

　　2．2　语音信号的频谱分析

　　要求学生首先画出语音信号的时域波形;然后对语音号进行快速傅里叶变换,得到信号的频谱特性,从而加深学生对频谱特性的理解。其程序如下：

　　2．3　设计数字滤波器和画出其频率响应

　　给出各滤波器的性能指标：

　　(1)低通滤波器性能指标　fb＝1 000 Hz,fc＝1 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　(2)高通滤波器性能指标　fc＝4 800 Hz,fb＝5 000 Hz As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　(3)带通滤波器性能指标　fb1＝1 200 Hz,fb2＝3 000 Hz,fc1＝1 000 Hz,fc2＝3 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　要求学生用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。在Matlab中,可以利用函数fir1设计FIR滤波器,可以利用函数butte, cheby1和ellip设计IIR滤波器;利用Matlab中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。程序如下：

　　2．4　用滤波器对信号进行滤波

　　要求学生用自己设计的各滤波器分别对采集的信号进行滤波,在Matlab中,FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波,IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。

　　2．5　比较滤波前后语音信号的波形及频谱

　　要求学生在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频 谱。其程序如下：

　　2．6　回放语音信号

　　在Matlab中,函数sound可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x,fs,bits);可以感觉滤波前后的声音有变化。

　　2．7　设计系统界面

　　为了使编制的程序操作方便,要求有能力的学生,设计处理系统的用户界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型,输入滤波器的参数,显示滤波器的频率响应,选择信号等。

　　3　结语

　　笔者在电信97,98,99,00四届学生中,采用Matlab进行数字信号处理课程设计,实践证明,使学生加深了对课堂抽象概念的理解,巩固了课堂上所学的理论知识,并能很好地理解与掌握数字信号处理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。在课程设计中,让学生录制自己的声音,设计滤波器对声音进行处理,大大激发了同学们的学习兴趣,使学生很快地掌握编程方法和解决实际问题的技巧,取得了良好的教学效果。