Matlab在数字信号处理课程设计中的应用

作者:李永全 来源:现代电子技术

摘　要：分析了数字信号处理课程的重要性及特点，为了帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，提出了用Matlab进行数字信号处理课程设计的思路，并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容。
    关键词：数字信号处理;课程设计;Matlab;频谱分析

1　《数字信号处理》课程的特点
　　《数字信号处理》课程是一门理论和技术发展十分迅速、应用非常广泛的前沿性学科，他的理论性和实践性都很强，他的特点是：
　　(1)要求的数学知识多，包括高等代数、数值分析、概率统计、随机过程等。
　　(2)要求掌握的基础知识强，网络理论、信号与系统是本课程的理论基础。
　　(3)与其他学科密切相关，即与通信理论、计算机、微电子技术不可分，又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。
　　学生在学习这门课程时，普遍感到数字信号处理的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是本课程教学中所要解决的关键问题。为了配合《数字信号处理》专业基础课的理论教学，我们在电子信息工程专业教学计划中安排了二周的《数字信号处理》课程设计，他是针对《数字信号处理》的基础理论和算法进行实践环节的一个综合训练，以便学习巩固所学的知识，加强理论和实际结合的能力，培养学生的综合设计能力与实际工作能力。
    Matlab语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析 领域的新型高级语言，Matlab功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的欢迎。特别是Matlab还具有信号分析工具箱，不需具备很强的编程能力，就可以很方便地进行信号分析、处理和设计。因此，选择用Matlab进行课程设计。

2　基于Matlab的课程设计
　　为了巩固所学的数字信号处理理论知识，使学生对信号的采集、处理、传输、显示和存储等有一个系统的掌握和理解，精心地安排了课程设计的内容：录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样;画出采样后语音信号的时域波形和频谱图;给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应;然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化;回放语音信号;最后，设计一个信号处理系统界面。下面对各步骤加以具体说明。
2．1　语音信号的采集
　　要求学生利用Windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在1 s内。然后在Matlab软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用，学生很快理解了采样频率、采样位数等概念。
2．2　语音信号的频谱分析
　　要求学生首先画出语音信号的时域波形;然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，从而加深学生对频谱特性的理解。其程序如下：
 
2．3　设计数字滤波器和画出其频率响应
    给出各滤波器的性能指标：
　　(1)低通滤波器性能指标　f_b＝1 000 Hz，f_c＝1 200 Hz，A_s＝100 dB，A_p＝1 dB。
　　(2)高通滤波器性能指标　f_c＝4 800 Hz，f_b＝5 000 Hz A_s＝100 dB，A_p＝1 dB。
　　(3)带通滤波器性能指标　f_b1＝1 200 Hz，f_b2＝3 000 Hz，f_c1＝1 000 Hz，f_c2＝3 200 Hz，A_s＝100 dB，A_p＝1 dB。
　　要求学生用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。在Matlab中，可以利用函数fir1设计FIR滤波器，可以利用函数butte， cheby1和ellip设计IIR滤波器;利用Matlab中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。程序如下：
 
2．4　用滤波器对信号进行滤波
　　要求学生用自己设计的各滤波器分别对采集的信号进行滤波，在Matlab中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。
2．5　比较滤波前后语音信号的波形及频谱
    要求学生在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频 谱。其程序如下：

2．6　回放语音信号
　　在Matlab中，函数sound可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x，fs，bits);可以感觉滤波前后的声音有变化。
2．7　设计系统界面
　　为了使编制的程序操作方便，要求有能力的学生，设计处理系统的用户界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号等。

3　结语
　　笔者在电信97，98，99，00四届学生中，采用Matlab进行数字信号处理课程设计，实践证明，使学生加深了对课堂抽象概念的理解，巩固了课堂上所学的理论知识，并能很好地理解与掌握数字信号处理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。在课程设计中，让学生录制自己的声音，设计滤波器对声音进行处理，大大激发了同学们的学习兴趣，使学生很快地掌握编程方法和解决实际问题的技巧，取得了良好的教学效果。

［1］程佩青．数字信号处理教程［M］．北京：清华大学出版社，2002．
［2］刘敏，魏玲．Matlab通信仿真与应用［M］．北京：国防工业出版社，2001