Matlab在數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　1　《數(shù)字信號處理》課程的特點(diǎn)

　　《數(shù)字信號處理》課程是一門理論和技術(shù)發(fā)展十分迅速、應(yīng)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(qiáng),他的特點(diǎn)是：

　　(1)要求的數(shù)學(xué)知識多,包括高等代數(shù)、數(shù)值分析、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程等。

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

　　(3)與其他學(xué)科密切相關(guān),即與通信理論、計(jì)算機(jī)、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(chǔ)之一。

　　學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí),普遍感到數(shù)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(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力,是本課程教學(xué)中所要解決的關(guān)鍵問題。為了配合《數(shù)字信號處理》專業(yè)基礎(chǔ)課的理論教學(xué),我們在電子信息工程專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中安排了二周的《數(shù)字信號處理》課程設(shè)計(jì),他是針對《數(shù)字信號處理》的基礎(chǔ)理論和算法進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)的一個(gè)綜合訓(xùn)練,以便學(xué)習(xí)鞏固所學(xué)的知識,加強(qiáng)理論和實(shí)際結(jié)合的能力,培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力與實(shí)際工作能力。

　　Matlab語言是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析 領(lǐng)域的新型高級語言,Matlab功能強(qiáng)大、簡單易學(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(qiáng)的編程能力,就可以很方便地進(jìn)行信號分析、處理和設(shè)計(jì)。因此,選擇用Matlab進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

　　2　基于Matlab的課程設(shè)計(jì)

　　為了鞏固所學(xué)的數(shù)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(tǒng)的掌握和理解,精心地安排了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容：錄制一段個(gè)人自己的語音信號,并對錄制的信號進(jìn)行采樣;畫出采樣后語音信號的時(shí)域波形和頻譜圖;給定濾波器的性能指標(biāo),采用窗函數(shù)法和雙線性變換設(shè)計(jì)濾波器,并畫出濾波器的頻率響應(yīng);然后用自己設(shè)計(jì)的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波,畫出濾波后信號的時(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;回放語音信號;最后,設(shè)計(jì)一個(gè)信號處理系統(tǒng)界面。下面對各步驟加以具體說明。

　　2．1　語音信號的采集

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

　　2．2　語音信號的頻譜分析

　　要求學(xué)生首先畫出語音信號的時(shí)域波形;然后對語音號進(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(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)

　　給出各濾波器的性能指標(biāo)：

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

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

　　(3)帶通濾波器性能指標(biāo)　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(shù)法和雙線性變換法設(shè)計(jì)上面要求的3種濾波器。在Matlab中,可以利用函數(shù)fir1設(shè)計(jì)FIR濾波器,可以利用函數(shù)butte, cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器;利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。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(shè)計(jì)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(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波,IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)行濾波。

　　2．5　比較濾波前后語音信號的波形及頻譜

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

　　2．6　回放語音信號

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

　　2．7　設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

　　為了使編制的程序操作方便,要求有能力的學(xué)生,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類型,輸入濾波器的參數(shù),顯示濾波器的頻率響應(yīng),選擇信號等。

　　3　結(jié)語

　　筆者在電信97,98,99,00四屆學(xué)生中,采用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì),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(shù)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(shè)計(jì)中,讓學(xué)生錄制自己的聲音,設(shè)計(jì)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(xí)興趣,使學(xué)生很快地掌握編程方法和解決實(shí)際問題的技巧,取得了良好的教學(xué)效果。