综合设计性数字信号处理实验的探讨

许 爽 ,李 敏

(大连民族学院机电信息工程学院,辽宁大连 116605)

综合设计性数字信号处理实验的探讨

许 爽 ,李 敏

(大连民族学院机电信息工程学院,辽宁大连 116605)

提出了综合设计性数字信号处理实验的教学模式,设计了综合设计性实验项目,进行了综合设计性实验教学实践。新的实验教学模式能够增强学生对数字信号处理基本概念的理解和对时频域分析方法的掌握,更有利于培养学生独立思考、善于创造、综合运用知识的能力。

MATLAB;综合设计性实验;时频域分析

数字信号处理是信息工程类专业一门极其重要的专业基础课,主要涉及离散信号和系统的描述方法、时域离散信号和系统进行频域分析的方法及数值滤波器设计等方面内容[1]。该课程数学公式多,理论推导繁杂,学生学习时普遍感到概念抽象,理论难以理解透彻,也很难将该课程的理论知识应用到工程实践中。因此,如果在数字信号处理实验中加入一些综合设计性题目的实验,会有助于学生对基本概念的理解及对时频域分析方法的掌握,有助于提高学生的创新能力。

目前数字信号处理开设的实验主要有利用MATLAB实现离散时间系统的时域和频域分析、利用 FFT进行频谱分析及 IIR和 FIR数字滤波器的设计,这些实验项目都是关于数字信号处理课程的基本理论知识的基本实验[2-3]。例如,数字滤波器设计的实验思想是给出数字滤波器性能指标,根据指标来设计滤波器,然后检验设计的滤波器是否满足指标,若不满足就重新设计,这样的实验内容缺乏工程应用背景,难以激发学生的兴趣。

为了改变目前数字信号处理实验只是运用MATLAB工具对数字信号处理基本理论及数字滤波器设计的单一化仿真验证的软件实现方法,课程组教师提出开展综合设计性数字信号处理实验的教学方法。教师给出与本课程相关的综合设计性题目供学生自主选择,学生要根据实验要求自行设计方案,教师主要起引导的作用。

1 数字信号处理综合设计性实验的设计

以数字语音滤波系统的设计为例来分析综合设计性数字信号处理实验。此实验综合了信号的采样定理、FFT的基本原理及 IIR和 FI R数字滤波器设计方法的数字信号理论知识。

1.1 实验内容

实验包括了语音信号的采集、噪声信号的构建、FFT谱分析及数字语音滤波器的设计 4个部分,系统框图如图 1。实验中利用W indows下的录音机或其他软件采集语音信号,对语音信号进行采样并混加进性能噪声,作 FFT谱分析,通过频谱分析选择合适的数字滤波器性能指标,设计数字语音滤波器。

图 1 数字语音滤波系统框图

1.2 实验过程

1.2.1 语音信号的采集

利用W indows下的录音机或其他软件,录制一段“数字语音滤波系统的设计”的话音,时间控制在 10 s左右,得到数据文件 dsf.wav。然后在MATLAB软件平台下,利用函数 wavread()对语音信号进行采样,可以得到语音信号的采样频率、采样点数和声音数据变量[4]。采用函数 wavread()调用格式为

将得到的声音数据为 (2 048个点变量)组放在向量 y中,采样频率 fs为 8 kHz,采样位数 nbits为8bit。

原始语音信号的时域波形及对原始语音信号作 FFT变换的频谱波形如图 2。

图 2 原始语音信号时频域波形

1.2.2 构建噪声信号及其 FFT谱分析

构建一个高频余弦噪声,频率为 3.8 kHz,其指令为

得到的 c为原始语音信号加噪声信号的混合信号,声音回放后能明显感到有尖锐的刺耳声。分析混合信号的频谱,其时域波形与频谱波形如图 3。

图 3 混合信号时频域波形

从图 1和图 3的频谱图可看出,混合信号在频率 3 800 Hz处有一个尖峰,这正是加入噪声后所产生的,而滤波器的设计就是要将噪声信号滤出。

1.2.3 设计数字滤波器

数字滤波器分为 II R数字滤波器和 FI R数字滤波器。根据混合后语音信号的特点,确定低通滤波器的性能指标,通带截止频率 Wp为 0.8,阻带截止频率Ws为 0.85,通带内允许的最大衰减Rp为 1,阻带内允许的最小衰减 Rs为 15。设计中可以采用双线性变换法的 IIR数字滤波器和窗函数法的 FI R数字滤波器滤除噪声信号。

(1)双线性变换法设计 Butterworth数字低通滤波器

wp1=2fs＊tan(wp/2);%将模拟指标转换成数字指标

ws1=2fs＊tan(ws/2);

[N,Wc]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,’s’);%选择滤波器的最小阶数N和 3 dB截止频率Wc

[Z,P,K]=buttap(N);%创建 butterworth模拟滤波器

[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);%零极点的函数转换

[b,a]=lp2lp(Bap,Aap,Wc);%低通到低通的频率转换

[bz,az]=bilinear(b,a,Fs);%用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换

f1=filter(bz,az,c);用 Butterworth数字低通滤波器滤波

y1=fft(f1,N);滤波后的频谱

sound(f1,fs);滤波后的语音信号

通过双线性变换法设计 Butter worth数字低通滤波器的仿真实验结果如图 4。实验结果表明,滤波后的频谱在 3.8 kHz处的尖峰值被滤除了,因此运用双线性变换法设计 Butter worth数字低通滤波器的滤除效果较好。

图 4 双线性变换法滤波后的时频域波形

(2)窗函数法设计滤波器

wdelta=ws-wp;

N=ceil(6.6＊pi/wdelta);%取整

Wc=(0.8+0.85)＊pi/2;%确定 3 dB截止频率Wc

[bz,az]=fir1(N,Wc/pi,hamming(N+1));%选择窗函数,并归一化截止频率

f2=filter(bz,az,c);

y2=fft(f2,N);滤波后的频谱

sound(f2,fs);滤波后的语音信号

通过窗函数法设计的滤波器的仿真实验结果如图 5。实验结果表明,滤波后的频谱在 3.8 kHz处的尖峰值也能被滤除掉,因此运用窗函数法设计滤波器的滤除效果也较好。

图 5 窗函数法滤波后的时频域波形

2 实验总结

实验中以真实语音信号为背景,学生根据设计要求,解析并确定性能指标,运用数字信号处理基本理论,自行设计滤波器,并进行检验和对比,给学生创造一个体验解决实际的机会,锻炼学生的综合实践能力。实验的难点是根据实际问题,如何确定数字滤波器的指标,如何设计相应的数字滤波器,使学生能够体会到数字信号处理技术在语音信号去噪声方面的应用。在实用过程中比较去噪声前后的语音回放效果,学生能身临其境地体会到实验的效果,具有趣味性,同时激发学生的学习兴趣和创新意识。

3 结 语

实验过程中教师只给出实验的要求,实验中信号的采集、采样,信号的 FFT频谱分析,滤波器的设计及滤波前后频谱的变化和滤波效果都由学

生通过实验解决。实验的整个过程综合了数字信号处理基本理论知识,实现了对数字信号处理基本理论的验证和理解。通过实验的训练,可以充分调动学生主动学习的积极性,提高学生钻研科学的兴趣,可以充分发挥学生的主观能动性,更有利于培养他们独立思考、善于创造、综合运用知识的能力。

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2]高路斯,邹龙江,潘学民.设计性综合开放实验教学模式探索[J].实验技术与管理,2006,23(3):96-97.

[3]唐建锋.MATLAB在数字滤波器设计教学中的应用研究[J].衡阳师范学院学报,2005,26(3):164-166.

[4]陈怀琛,吴大正,高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京:电子工业出版社,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

大连民族学院精品实验项目 (2009-77)。

许爽 (1978-),女,辽宁大连人 ,讲师,主要从事图像处理与模式识别研究。

(责任编辑 刘敏)