綜合設計性數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(yǎng)學生獨立思考、善于創(chuàng)造、綜合運用知識的能力。

MATLAB;綜合設計性實驗;時頻域分析

數(shù)字信號處理是信息工程類專業(yè)一門極其重要的專業(yè)基礎課,主要涉及離散信號和系統(tǒng)的描述方法、時域離散信號和系統(tǒng)進行頻域分析的方法及數(shù)值濾波器設計等方面內容[1]。該課程數(shù)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(shù)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(chuàng)新能力。

目前數(shù)字信號處理開設的實驗主要有利用MATLAB實現(xiàn)離散時間系統(tǒng)的時域和頻域分析、利用 FFT進行頻譜分析及 IIR和 FIR數(shù)字濾波器的設計,這些實驗項目都是關于數(shù)字信號處理課程的基本理論知識的基本實驗[2-3]。例如,數(shù)字濾波器設計的實驗思想是給出數(shù)字濾波器性能指標,根據(jù)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(fā)學生的興趣。

為了改變目前數(shù)字信號處理實驗只是運用MATLAB工具對數(shù)字信號處理基本理論及數(shù)字濾波器設計的單一化仿真驗證的軟件實現(xiàn)方法,課程組教師提出開展綜合設計性數(shù)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(jù)實驗要求自行設計方案,教師主要起引導的作用。

1 數(shù)字信號處理綜合設計性實驗的設計

以數(shù)字語音濾波系統(tǒng)的設計為例來分析綜合設計性數(shù)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(shù)字濾波器設計方法的數(shù)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(shù)字語音濾波器的設計 4個部分,系統(tǒng)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(shù)字濾波器性能指標,設計數(shù)字語音濾波器。

圖 1 數(shù)字語音濾波系統(tǒng)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(shù)字語音濾波系統(tǒng)的設計”的話音,時間控制在 10 s左右,得到數(shù)據(jù)文件 dsf.wav。然后在MATLAB軟件平臺下,利用函數(shù) 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(shù)和聲音數(shù)據(jù)變量[4]。采用函數(shù) wavread()調用格式為

將得到的聲音數(shù)據(jù)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(shù) 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(chǎn)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(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器分為 II R數(shù)字濾波器和 FI R數(shù)字濾波器。根據(jù)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(shù)字濾波器和窗函數(shù)法的 FI R數(shù)字濾波器濾除噪聲信號。

(1)雙線性變換法設計 Butterworth數(shù)字低通濾波器

wp1=2fs＊tan(wp/2);%將模擬指標轉換成數(shù)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(shù)N和 3 dB截止頻率Wc

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

[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);%零極點的函數(shù)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(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉換

f1=filter(bz,az,c);用 Butterworth數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù),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(shù)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(shù)法設計濾波器的濾除效果也較好。

圖 5 窗函數(shù)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(jù)設計要求,解析并確定性能指標,運用數(shù)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(chuàng)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(jù)實際問題,如何確定數(shù)字濾波器的指標,如何設計相應的數(shù)字濾波器,使學生能夠體會到數(shù)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(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)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(shù)字信號處理基本理論知識,實現(xiàn)了對數(shù)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(fā)揮學生的主觀能動性,更有利于培養(yǎng)他們獨立思考、善于創(chuàng)造、綜合運用知識的能力。

[1]程佩青.數(shù)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(shù)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(yè)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)