綜合設計性數字信號處理實驗的探討

許 爽 ,李 敏

(大連民族學院機電信息工程學院,遼寧大連 116605)

綜合設計性數字信號處理實驗的探討

許 爽 ,李 敏

(大連民族學院機電信息工程學院,遼寧大連 116605)

提出了綜合設計性數字信號處理實驗的教學模式,設計了綜合設計性實驗項目,進行了綜合設計性實驗教學實踐。新的實驗教學模式能夠增強學生對數字信號處理基本概念的理解和對時頻域分析方法的掌握,更有利于培養學生獨立思考、善于創造、綜合運用知識的能力。

MATLAB;綜合設計性實驗;時頻域分析

數字信號處理是信息工程類專業一門極其重要的專業基礎課,主要涉及離散信號和系統的描述方法、時域離散信號和系統進行頻域分析的方法及數值濾波器設計等方面內容[1]。該課程數學公式多,理論推導繁雜,學生學習時普遍感到概念抽象,理論難以理解透徹,也很難將該課程的理論知識應用到工程實踐中。因此,如果在數字信號處理實驗中加入一些綜合設計性題目的實驗,會有助于學生對基本概念的理解及對時頻域分析方法的掌握,有助于提高學生的創新能力。

目前數字信號處理開設的實驗主要有利用MATLAB實現離散時間系統的時域和頻域分析、利用 FFT進行頻譜分析及 IIR和 FIR數字濾波器的設計,這些實驗項目都是關于數字信號處理課程的基本理論知識的基本實驗[2-3]。例如,數字濾波器設計的實驗思想是給出數字濾波器性能指標,根據指標來設計濾波器,然后檢驗設計的濾波器是否滿足指標,若不滿足就重新設計,這樣的實驗內容缺乏工程應用背景,難以激發學生的興趣。

為了改變目前數字信號處理實驗只是運用MATLAB工具對數字信號處理基本理論及數字濾波器設計的單一化仿真驗證的軟件實現方法,課程組教師提出開展綜合設計性數字信號處理實驗的教學方法。教師給出與本課程相關的綜合設計性題目供學生自主選擇,學生要根據實驗要求自行設計方案,教師主要起引導的作用。

1 數字信號處理綜合設計性實驗的設計

以數字語音濾波系統的設計為例來分析綜合設計性數字信號處理實驗。此實驗綜合了信號的采樣定理、FFT的基本原理及 IIR和 FI R數字濾波器設計方法的數字信號理論知識。

1.1 實驗內容

實驗包括了語音信號的采集、噪聲信號的構建、FFT譜分析及數字語音濾波器的設計 4個部分,系統框圖如圖 1。實驗中利用W indows下的錄音機或其他軟件采集語音信號,對語音信號進行采樣并混加進性能噪聲,作 FFT譜分析,通過頻譜分析選擇合適的數字濾波器性能指標,設計數字語音濾波器。

圖 1 數字語音濾波系統框圖

1.2 實驗過程

1.2.1 語音信號的采集

利用W indows下的錄音機或其他軟件,錄制一段“數字語音濾波系統的設計”的話音,時間控制在 10 s左右,得到數據文件 dsf.wav。然后在MATLAB軟件平臺下,利用函數 wavread()對語音信號進行采樣,可以得到語音信號的采樣頻率、采樣點數和聲音數據變量[4]。采用函數 wavread()調用格式為

將得到的聲音數據為 (2 048個點變量)組放在向量 y中,采樣頻率 fs為 8 kHz,采樣位數 nbits為8bit。

原始語音信號的時域波形及對原始語音信號作 FFT變換的頻譜波形如圖 2。

圖 2 原始語音信號時頻域波形

1.2.2 構建噪聲信號及其 FFT譜分析

構建一個高頻余弦噪聲,頻率為 3.8 kHz,其指令為

得到的 c為原始語音信號加噪聲信號的混合信號,聲音回放后能明顯感到有尖銳的刺耳聲。分析混合信號的頻譜,其時域波形與頻譜波形如圖 3。

圖 3 混合信號時頻域波形

從圖 1和圖 3的頻譜圖可看出,混合信號在頻率 3 800 Hz處有一個尖峰,這正是加入噪聲后所產生的,而濾波器的設計就是要將噪聲信號濾出。

1.2.3 設計數字濾波器

數字濾波器分為 II R數字濾波器和 FI R數字濾波器。根據混合后語音信號的特點,確定低通濾波器的性能指標,通帶截止頻率 Wp為 0.8,阻帶截止頻率Ws為 0.85,通帶內允許的最大衰減Rp為 1,阻帶內允許的最小衰減 Rs為 15。設計中可以采用雙線性變換法的 IIR數字濾波器和窗函數法的 FI R數字濾波器濾除噪聲信號。

(1)雙線性變換法設計 Butterworth數字低通濾波器

wp1=2fs＊tan(wp/2);%將模擬指標轉換成數字指標

ws1=2fs＊tan(ws/2);

[N,Wc]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,’s’);%選擇濾波器的最小階數N和 3 dB截止頻率Wc

[Z,P,K]=buttap(N);%創建 butterworth模擬濾波器

[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);%零極點的函數轉換

[b,a]=lp2lp(Bap,Aap,Wc);%低通到低通的頻率轉換

[bz,az]=bilinear(b,a,Fs);%用雙線性變換法實現模擬濾波器到數字濾波器的轉換

f1=filter(bz,az,c);用 Butterworth數字低通濾波器濾波

y1=fft(f1,N);濾波后的頻譜

sound(f1,fs);濾波后的語音信號

通過雙線性變換法設計 Butter worth數字低通濾波器的仿真實驗結果如圖 4。實驗結果表明,濾波后的頻譜在 3.8 kHz處的尖峰值被濾除了,因此運用雙線性變換法設計 Butter worth數字低通濾波器的濾除效果較好。

圖 4 雙線性變換法濾波后的時頻域波形

(2)窗函數法設計濾波器

wdelta=ws-wp;

N=ceil(6.6＊pi/wdelta);%取整

Wc=(0.8+0.85)＊pi/2;%確定 3 dB截止頻率Wc

[bz,az]=fir1(N,Wc/pi,hamming(N+1));%選擇窗函數,并歸一化截止頻率

f2=filter(bz,az,c);

y2=fft(f2,N);濾波后的頻譜

sound(f2,fs);濾波后的語音信號

通過窗函數法設計的濾波器的仿真實驗結果如圖 5。實驗結果表明,濾波后的頻譜在 3.8 kHz處的尖峰值也能被濾除掉,因此運用窗函數法設計濾波器的濾除效果也較好。

圖 5 窗函數法濾波后的時頻域波形

2 實驗總結

實驗中以真實語音信號為背景,學生根據設計要求,解析并確定性能指標,運用數字信號處理基本理論,自行設計濾波器,并進行檢驗和對比,給學生創造一個體驗解決實際的機會,鍛煉學生的綜合實踐能力。實驗的難點是根據實際問題,如何確定數字濾波器的指標,如何設計相應的數字濾波器,使學生能夠體會到數字信號處理技術在語音信號去噪聲方面的應用。在實用過程中比較去噪聲前后的語音回放效果,學生能身臨其境地體會到實驗的效果,具有趣味性,同時激發學生的學習興趣和創新意識。

3 結 語

實驗過程中教師只給出實驗的要求,實驗中信號的采集、采樣,信號的 FFT頻譜分析,濾波器的設計及濾波前后頻譜的變化和濾波效果都由學

生通過實驗解決。實驗的整個過程綜合了數字信號處理基本理論知識,實現了對數字信號處理基本理論的驗證和理解。通過實驗的訓練,可以充分調動學生主動學習的積極性,提高學生鉆研科學的興趣,可以充分發揮學生的主觀能動性,更有利于培養他們獨立思考、善于創造、綜合運用知識的能力。

[1]程佩青.數字信號處理教程[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]高路斯,鄒龍江,潘學民.設計性綜合開放實驗教學模式探索[J].實驗技術與管理,2006,23(3):96-97.

[3]唐建鋒.MATLAB在數字濾波器設計教學中的應用研究[J].衡陽師范學院學報,2005,26(3):164-166.

[4]陳懷琛,吳大正,高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用[M].北京:電子工業出版社,2003.

On Comprehensive-design-oriented D igital Signal Processing Exper iments in MATLAB Environment

XU Shuang,L IM in
(College of Electromechanical&Information Engineering,
Dalian NationalitiesUniversity,Dalian Liaoning 116605,China)

We proposed a teachingmode for comprehensive-design-oriented digital signal processing experiements.We designed comprehensive-design-oriented experiment projects,along with teaching practices for such experiments.The new experiment-based teaching mode increases students’understanding about the basic concept of digital signal processing and help them master the time-frequency domain analysismethod.Further more,it is conducive to fostering their capacities of independent thinking,creation and comprehnsive use of knowledge.

MATLAB;comprehensive-design-oriented experiment;time-frequency domain analysis

G642.0

A

1009-315X(2010)03-0277-04

2010-01-30

大連民族學院精品實驗項目 (2009-77)。

許爽 (1978-),女,遼寧大連人 ,講師,主要從事圖像處理與模式識別研究。

(責任編輯 劉敏)