基于Matlab的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)探討

1引言

"數(shù)字信號(hào)處理"是電子信息專業(yè)的一門(mén)理論和實(shí)踐性都很強(qiáng)的主干課程，該課程一般安排在三、四年級(jí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，普遍感到概念抽象，公式繁多。因此，如果在實(shí)驗(yàn)課程中讓學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦進(jìn)行一些綜合性的研究型實(shí)驗(yàn)，則可幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念，基本分析方法，地方學(xué)生的動(dòng)手能力，科研能力和創(chuàng)新能力。數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)可分為基于dsp的硬件實(shí)驗(yàn)和基于matlab的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，以數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)軟件仿真實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行研究型實(shí)驗(yàn)探討。

2 研究型實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)
研究型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生帶著問(wèn)題測(cè)取數(shù)據(jù)，查閱資料，摸索實(shí)驗(yàn)規(guī)律，得出結(jié)論，這種實(shí)驗(yàn)是一種開(kāi)放型的，其完成的過(guò)程接近實(shí)際科研探索過(guò)程。其特點(diǎn)是，教師提出實(shí)驗(yàn)課題和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室提供條件，學(xué)生自行推證有關(guān)理論，自行確定實(shí)驗(yàn)方案，寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，能加深對(duì)課程的理解，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，得出科學(xué)研究的前期訓(xùn)練。

3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)想是，首先采集含噪信號(hào)，例如語(yǔ)音信號(hào)或人體心電圖信號(hào)，根據(jù)含噪信號(hào)的頻譜，用窗函數(shù)法或雙線性變換法設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，得出濾波前后的頻譜，分析信號(hào)的變化，最后設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)界面。以對(duì)含噪語(yǔ)音信號(hào)的處理為例，給出了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果。
3.1 采集語(yǔ)音信號(hào)
利用計(jì)算機(jī)windows下的錄音機(jī)設(shè)備，可以采集語(yǔ)音信號(hào)并采樣，得出數(shù)據(jù)文件hysy.wav在matlab的搜索路徑下，鍵入：
[x，fs，nbits] =wavread（′hysywdx.wav′）；
得到聲音數(shù)據(jù)變量x，同時(shí)也罷x的采樣頻率fs=8khz和數(shù)據(jù)位nbits=8bit放進(jìn)了matlab的工作空間。下面構(gòu)造干擾信號(hào)：cl=10※sin（2※pi※2000※t）；
把聲音數(shù)據(jù)變量x和干擾信號(hào)變量c1相加得含有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)x1并播放：
sound（x1，fs）；
通過(guò)揚(yáng)聲器可以明顯聽(tīng)到"衡陽(yáng)師院"的聲音下伴隨較尖銳的干擾嘯叫聲。圖1（b）是伴有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)x1的頻譜。x1的頻譜在2000hz處有一高峰，這正是干擾所造成的。
3.2設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器
根據(jù)待處理語(yǔ)音信號(hào)x1的特點(diǎn)，應(yīng)該設(shè)計(jì)數(shù)字帶阻濾波器進(jìn)行濾波處理，給出數(shù)字帶阻濾波器歸一化的性能指標(biāo)：
fo=2000/4000；fc=100/4000
ws=[fo-0.5※fc fo+0.5※fc]；wp=[fo-fc fo+fc]；
rp=1；rs=30；
可以采用fir或iir數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用matlatwb軟件，采用iir數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器的設(shè)計(jì)、程序如下：
[n，wc]=buttord（wp，ws，rp，rs）；=求出巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)頻率參數(shù)
[b，a]=butter（n，wc，stop）；%設(shè)計(jì)帶阻濾波器的系數(shù)
[h，w]=freqz（b，a，fs）；
3.3 用濾波器對(duì)含噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波
利用設(shè)計(jì)的帶阻濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)x1進(jìn)行濾波并進(jìn)行fft變換：
x2=filter（b，a，xl）；
y2=fft（x2，fs）
sound（x2，fs）
通過(guò)揚(yáng)聲器重播經(jīng)過(guò)濾波的語(yǔ)音信號(hào)，可以聽(tīng)到不含噪聲的"衡陽(yáng)師院"的聲音，圖1（d）是濾去干擾噪聲的語(yǔ)音信號(hào)x2的頻譜。由圖1（a）（b）（d）的頻譜對(duì)比可看出，濾波器成功地抑制了語(yǔ)音信號(hào)中的干擾。
圖1在濾波器濾波過(guò)程，其中，（a）圖對(duì)應(yīng)原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜；（b）圖對(duì)應(yīng)含噪語(yǔ)音信號(hào)頻譜；（c）圖對(duì)應(yīng)帶阻濾波器幅頻特性；（d）圖對(duì)應(yīng)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)頻譜。
3.4 設(shè)計(jì)gui界面
設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面，在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇信號(hào)等，因?qū)W生能力不同，該項(xiàng)內(nèi)容可以選做。
3.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)
要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)后寫(xiě)出總結(jié)報(bào)告，本實(shí)驗(yàn)的報(bào)告包含以下幾個(gè)方面：
（1）寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。
（2）對(duì)信號(hào)采集、采樣的認(rèn)識(shí)。
（3）對(duì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。
（4）對(duì)信號(hào)濾波效果的分析。
（5）本實(shí)驗(yàn)對(duì)科研思路的啟示。

4 結(jié) 語(yǔ)

在完成本實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師只給出了實(shí)驗(yàn)的思路，實(shí)驗(yàn)中信號(hào)的太極，濾波器的設(shè)計(jì)及濾波前后頻譜的變化和濾波效果都是學(xué)生自己提出問(wèn)題，一起討論，查閱資料，修改參數(shù)，進(jìn)一步食言而完成的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)信號(hào)的采集，處理、傳輸，現(xiàn)實(shí)和存儲(chǔ)等也有一個(gè)較系統(tǒng)的掌握和理解，加深了對(duì)課堂抽象知識(shí)的理解，鞏固了數(shù)字信號(hào)處理和理論知識(shí)。