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数字信号处理课程设计指导书

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2

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《数字信号处理》课程设计指导书

顾相平 编

淮阴工学院
计算机工程学院通信工程系

2013.10

一、课程设计目的
《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, 它的理论性和实践性都很强,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， 安排了该课程的课程设计。 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：
1、 独立工作能力和创造力；
2、 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力;
3、 查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；
4、 编写技术报告和编制技术资料的能力。
二、一般设计要求
1、 独立完成设计任务.
2、 按照设计任务写出设计工作小结。对设计过程所进行的有关步骤作出说明，并对完成的设计作出评价，总结自己整个设计工作中的经验教训，收获和今后研究方向。
3、 编写课程设计说明书，说明书必须按统一格式打印，装订成册，字数一般不少于三千字.
三、设计课题
题目一 语音信号处理系统设计
（一）课程设计主要内容
1、语音信号的采集
利用Windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在1s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。
2、语音信号的频谱分析
在Matlab中,，可以利用函数FFT对信号进行快速傅立叶变换,得到信号的频谱特性，要求学生首先画出语音信号的时域波形,然后对语音信号进行频谱分析。
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；
给定滤波器的性能指标如下：
（1) 低通滤波器的性能指标：=1000Hz，=1200Hz，=100dB，=1dB.
（2） 高通滤波器的性能指标：=4800Hz,=5000Hz，=100dB，=1dB.
（3） 带通滤波器的性能指标：=1200Hz， =3000Hz, =1000Hz，=3200Hz，=100dB,
=1dB。采用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器，并画出滤波器的频率响应；
4、用滤波器对信号进行滤波
然后用自己设计的滤波器对采集到的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形及频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；
5、回放语音信号,分析滤波前后的语音变化;
6、设计系统界面
为了使编制的程序操作方便，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。
(二）课程设计报告要求
1、研究语音信号的特点；
2、探讨语音分析与识别、处理的基本理论基础、关键技术；
3、写出各步骤的MATLAB的程序代码；
4、分析采集的语音信号的时域波形与频谱;分析滤波前后语音信号的波形与频谱；
5、滤波器的设计可采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool。

题目二 基于MATLAB的双音多频拨号系统的仿真
（一)基本原理
1、引言
双音多频（Dual Tone Multi Frequency, DTMF)信号是音频电话中的拨号信号，由美国AT&T贝尔公司实验室研制,并用于电话网络中。这种信号制式具有很高的拨号速度，且容易自动监测识别，很快就代替了原有的用脉冲计数方式的拨号制式。这种双音多频信号制式不仅用在电话网络中，还可以用于传输十进制数据的其它通信系统中，用于电子邮件和银行系统中。这些系统中用户可以用电话发送DTMF信号选择语音菜单进行操作。
DTMF信号系统是一个典型的小型信号处理系统，它要用数字方法产生模拟信号并进行传输，其中还用到了D/A变换器；在接收端用A/D变换器将其转换成数字信号,并进行数字信号处理与识别。为了系统的检测速度并降低成本，还开发一种特殊的DFT算法，称为戈泽尔（Goertzel)算法，这种算法既可以用硬件（专用芯片）实现，也可以用软件实现。下面首先介绍双音多频信号的产生方法和检测方法，包括戈泽尔算法，最后进行模拟实验。下面先介绍电话中的DTMF信号的组成。
在电话中，数字0~9的中每一个都用两个不同的单音频传输，所用的8个频率分成高频带和低频带两组，低频带有四个频率：679Hz，770Hz，852Hz和941Hz;高频带也有四个频率：1209Hz，1336Hz，1477Hz和1633Hz。.每一个数字均由高、低频带中各一个频率构成，例如1用697Hz和1209Hz两个频率，信号用表示，其中，。这样8个频率形成16种不同的双频信号。具体号码以及符号对应的频率如表1所示。表中最后一列在电话中暂时未用。
表1 双频拨号的频率分配
列
行
1209 Hz
1336 Hz
1477 Hz
633 Hz
697Hz
1
2
3
A
770Hz
4
5
6
B
852Hz
7
8
9
C
942Hz
＊
0
#
D
DTMF信号在电话中有两种作用，一个是用拨号信号去控制交换机接通被叫的用户电话机,另一个作用是控制电话机的各种动作，如播放留言、语音信箱等。
2、电话中的双音多频（DTMF)信号的产生与检测
(1) 双音多频信号的产生
假设时间连续的 DTMF信号用表示，式中是按照表1选择的两个频率，代表低频带中的一个频率，代表高频带中的一个频率。显然采用数字方法产生DTMF信号，方便而且体积小。下面介绍采用数字方法产生DTMF信号。规定用8KHz对DTMF信号进行采样,采样后得到时域离散信号为

形成上面序列的方法有两种,即计算法和查表法。用计算法求正弦波的序列值容易,但实际中要占用一些计算时间,影响运行速度。查表法是预先将正弦波的各序列值计算出来，寄存在存储器中,运行时只要按顺序和一定的速度取出便可。这种方法要占用一定的存储空间，但是速度快。
因为采样频率是8000Hz，因此要求每125ms输出一个样本，得到的序列再送到D/A变换器和平滑滤波器，输出便是连续时间的DTMF信号。DTMF信号通过电话线路送到交换机。
（2） 双音多频信号的检测
在接收端，要对收到的双音多频信号进行检测,检测两个正弦波的频率是多少，以判断所对应的十进制数字或者符号.显然这里仍然要用数字方法进行检测，因此要将收到的时间连续 DTMF信号经过A/D变换，变成数字信号进行检测。检测的方法有两种，一种是用一组滤波器提取所关心的频率，根据有输出信号的2个滤波器判断相应的数字或符号。另一种是用DFT（FFT)对双音多频信号进行频谱分析，由信号的幅度谱,判断信号的两个频率，最后确定相应的数字或符号。当检测的音频数目较少时，用滤波器组实现更合适。FFT是DFT的快速算法，但当DFT的变换区间较小时，FFT快速算法的效果并不明显，而且还要占用很多内存，因此不如直接用DFT合适。下面介绍Goertzel算法，这种算法的实质是直接计算DFT的一种线性滤波方法。这里略去Goertzel算法的介绍（请参考文献［19］），可以直接调用MATLAB信号处理工具箱中戈泽尔算法的函数Goertzel，计算N点DFT的几个感兴趣的频点的值。
3、检测DTMF信号的DFT参数选择
用DFT检测模拟DTMF信号所含有的两个音频频率，是一个用DFT对模拟信号进行频谱分析的问题。根据第三章用DFT对模拟信号进行谱分析的理论，确定三个参数：（1）采样频率，（2)DFT的变换点数N,（3)需要对信号的观察时间的长度。这三个参数不能随意选取，要根据对信号频谱分析的要求进行确定。这里对信号频谱分析也有三个要求： (1）频率分辨率，（2)谱分析的频谱范围，(3)检测频率的准确性。
(1) 频谱分析的分辨率。
观察要检测的8个频率,相邻间隔最小的是第一和第二个频率，间隔是73Hz,要求DFT最少能够分辨相隔73Hz的两个频率，即要求。DFT的分辨率和对信号的观察时间有关， .考虑到可靠性,留有富裕量，要求按键的时间大于40ms。
（2) 频谱分析的频率范围
要检测的信号频率范围是697～1633Hz，但考虑到存在语音干扰，除了检测这8个频率外，还要检测它们的二次倍频的幅度大小，波形正常且干扰小的正弦波的二次倍频是很小的，如果发现二次谐波很大，则不能确定这是DTMF信号。这样频谱分析的频率范围为697～3266Hz。按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即，由此要求最小的采样频率应为7。24KHz.因为数字电话总系统已经规定＝8KHz，因此对频谱分析范围的要求是一定满足的。按照,＝8KHz，算出对信号最少的采样点数为。
（3） 检测频率的准确性
这是一个用DFT检测正弦波频率是否准确的问题.序列的N点DFT是对序列频谱函数在0～区间的N点等间隔采样，如果是一个周期序列，截取周期序列的整数倍周期，进行DFT，其采样点刚好在周期信号的频率上，DFT的幅度最大处就是信号的准确频率。分析这些DTMF信号,不可能经过采样得到周期序列，因此存在检测频率的准确性问题。
DFT的频率采样点频率为（k=0，1，2，—--，N—1)，相应的模拟域采样点频率为（k=0，1,2,-—-，N—1），希望选择一个合适的N，使用该公式算出的能接近要检测的频率，或者用8个频率中的任一个频率代入公式中时，得到的k值最接近整数值，这样虽然用幅度最大点检测的频率有误差，但可以准确判断所对应的DTMF频率，即可以准确判断所对应的数字或符号.经过分析研究认为N＝205是最好的。按照＝8KHz,N＝205,算出8个频率及其二次谐波对应k值，和k取整数时的频率误差见表2。
表2 8个基频及其二次谐波对应的K值以及K取整数时的频率误差
8个基频/
Hz
最近的整数k值
DFT的
k值
绝对误差
二次谐波
Hz
对应的
k值
最近的
整数k值
绝对误差
697
17.861
18
0。139
1394
35。024
35
0.024
770
19.531
20
0。269
1540
38。692
39
0.308
852
21.833
22
0.167
1704
42。813
43
0。187
941
24.113
24
0。113
1882
47.285
47
0。285
1209
30.981
31
0.019
2418
60。752
61
0。248
1336
34。235
34
0。235
2672
67.134
67
0。134
1477
37.848
38
0。152
2954
74.219
74
0。219
1633
41。846
42
0。154
3266
82.058
82
0.058
通过以上分析，确定＝8KHz,N＝205，.
4、DTMF信号的产生与识别仿真实验
下面先介绍MATLAB工具箱函数goertzel，然后介绍DTMF信号的产生与识别仿真实验程序。Goerztel函数的调用格式额为
Xgk=goertzel(xn，K)
xn是被变换的时域序列，用于DTMF信号检测时，xn就是DTMF信号的205个采样值。
K是要求计算的DFT［xn]的频点序号向量，用N表示xn的长度,则要求1≤K≤N。由表10.2.2可知，如果只计算DTMF信号8个基频时,
K=[18,20,22，24,31，34,38，42］，
如果同时计算8个基频及其二次谐波时,
K=[18，20,22，24，31,34，35，38，39，42，43，47，61，67，74，82］。
Xgk是变换结果向量，其中存放的是由K指定的频率点的DFT[x（n)］的值。设X（k)= DFT［x（n)]，则。
DTMF信号的产生与识别仿真实验在MATLAB环境下进行，编写仿真程序，运行程序，送入6位电话号码，程序自动产生每一位号码数字相应的DTMF信号，并送出双频声音，再用DFT进行谱分析，显示每一位号码数字的DTMF信号的DFT幅度谱，安照幅度谱的最大值确定对应的频率，再安照频率确定每一位对应的号码数字，最后输出6位电话号码，程序名为exp6。
程序分四段：第一段(2—7行）设置参数,并读入6位电话号码;第二段（9-20行）根据键入的6位电话号码产生时域离散DTMF信号，并连续发出6位号码对应的双音频声音;第三段（22-25行）对时域离散DTMF信号进行频率检测，画出幅度谱；第四段（26—33行）根据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入6位电话号码。根据程序中的注释很容易分析编程思想和处理算法。程序清单如下：
exp6.m
% DTMF双频拨号信号的生成和检测程序
%clear all；clc；
tm=［1，2,3，65；4，5,6，66;7，8，9，67；42，0,35，68］； % DTMF信号代表的16个数
N=205;K=[18，20，22，24，31,34,38，42]；
f1=［697，770，852,941］； ％ 行频率向量
f2=［1209，1336,1477，1633]； ％ 列频率向量
TN=input（’键入6位电话号码= '）; ％ 输入6位数字
TNr=0; ％接收端电话号码初值为零
for l=1:6；
d=fix(TN/10^(6-l））;
TN=TN-d*10^（6—l)；
for p=1：4；
for q=1：4；
if tm(p，q)==abs（d）; break，end % 检测码相符的列号q
end
if tm（p,q）==abs（d）; break，end ％ 检测码相符的行号p
end
n=0：1023； ％ 为了发声，加长序列
x = sin（2＊pi＊n*f1（p）/8000） + sin(2*pi*n*f2(q)/8000)；% 构成双频信号
sound（x,8000)； ％ 发出声音
pause（0。1)
％ 接收检测端的程序
X=goertzel(x(1：205),K+1）； % 用Goertzel算法计算八点DFT样本
val = abs(X); % 列出八点DFT向量
subplot(3，2，l)；
stem（K,val，'。');grid；xlabel('k’);ylabel（’｜X（k）|’) ％ 画出DFT(k）幅度
axis([10 50 0 120])
limit = 80； %
for s=5:8；
if val(s) 〉 limit， break， end ％ 查找列号
end
for r=1：4；
if val（r） 〉 limit， break， end % 查找行号
end
TNr=TNr+tm(r，s-4)*10^（6—l）；
end
disp('接收端检测到的号码为:’) ％ 显示接收到的字符
disp（TNr)

运行程序，根据提示键入6位电话号码123456，回车后可以听见6位电话号码对应的DTMF信号的声音，并输出相应的6幅频谱图如图10.10。1所示,左上角的第一个图在k=18和k=31两点出现峰值，所以对应第一位号码数字1。最后显示检测到的电话号码123456.

图1 6位电话号码123456的DTMF信号在8个近似基频点的DFT幅度
（二）设计内容
任意送入8位电话号码，打印出相应的幅度谱。观察程序运行结果，对照表1和表2，判断程序谱分析的正确性。
(三）课程设计报告要求
1、研究双音多频拨号（DTMF）系统，研究电话中双音多频信号的产生与检测原理；
2、分析程序exp8.m,画出仿真程序流程图.
3、打印6位和8位电话号码DTMF信号的幅度谱.
4、说明DTMF信号的参数:采样频率、DFT的变换点数以及观测时间的确定原则。

题目三：数字调音台
（一）课程设计主要内容
1、请任选一首你喜爱的歌曲（最好歌曲可以通过菜单选择），采用已经学过的信号处理知识,设计高通、带通、低通、带阻几种滤波器,对其进行数字信号滤波，观察信号的变化；
2、实时显示处理前的信号频谱和处理后的信号频谱；
3、设计系统界面:为了使编制的程序操作方便，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等；
4、通过扬声器播放处理过的信号，听信号有什么变化。
（二)课程设计报告要求
1、研究语音信号的特点；
2、探讨语音分析与识别、处理的基本理论基础、关键技术；
3、写出各步骤的MATLAB的程序代码；
4、分析信号的时域波形与频谱；分析滤波前后信号的波形与频谱；
5、解释为什么电话中唱歌,不好听？
6、滤波器的设计可采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool。

题目四：音乐信号的处理与分析
（一）课程设计内容
1、 音乐信号的音谱和频谱观察
使用windows下的录音机录制一段音乐信号或采用其它软件截取一段音乐信号（要求：时间不超过5s、文件格式为wav文件）
(1) 使用wavread语句读取音乐信号，获取抽样率；（注意：读取的信号是双声道信号，即为双列向量，需要分列处理)；
（2） 输出音乐信号的波形和频谱，观察现象;
(3) 使用sound语句播放音乐信号，注意不同抽样率下的音调变化，解释现象.
2、音乐信号的抽取(减抽样)
（1) 观察音乐信号频率上限，选择适当的抽取间隔对信号进行减抽样（给出两种抽取间隔，代表混叠与非混叠）；
（2) 输出减抽样音乐信号的波形和频谱，观察现象，给出理论解释；
(3） 播放减抽样音乐信号,注意抽样率的改变,比较不同抽取间隔下的声音，解释现象。
3、音乐信号的AM调制
(1) 观察音乐信号频率上限,选择适当调制频率对信号进行调制（给出高、低两种调制频率）；
(2） 输出调制信号的波形和频谱,观察现象，给出理论解释；
（3） 播放调制音乐信号，注意不同调制频率下的声音，解释现象。
4、AM调制音乐信号的同步解调
(1） 设计巴特沃斯IIR滤波器完成同步解调;观察滤波器频率响应曲线;
（2) 用窗函数法设计FIR滤波器完成同步解调，观察滤波器频率响应曲线；（要求： 分别使用矩形窗和布莱克曼窗，进行比较）；
（3） 输出解调信号的波形和频谱,观察现象,给出理论解释；
（4） 播放解调音乐信号,比较不同滤波器下的声音，解释现象。
5、设计系统界面
为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面，在所设计的系统界面上可以显示音乐信号、抽样音乐信号、调制信号、解调信号的波形、频谱,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等.
（二）课程设计报告要求
1、研究音乐信号的特点；
2、探讨语音分析与识别、处理的基本理论基础、关键技术;
3、写出各步骤的MATLAB的程序代码；
4、分析信号的时域波形与频谱；分析滤波前后信号的波形与频谱；
5、滤波器的设计可采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool。

题目五、语音信号水印技术系统设计
（一）课程设计内容
在保密数据传输应用中，有时采用将一句话或一段文字或一段音乐隐藏在另一段音乐中,然后利用专门的算法来提取所传的信息,这种方法称为数字水印技术。这种方法的好处是将信息隐藏在极为平常的声音或其它媒介中，不易被察觉。
（1） 利用语音获取设备获取需要传送的保密语音信号;
(2) 选择用于传输保密语音信号的普通声音载体，可以是广为流传的歌曲、音乐或其他声音文件；
（3） 采用数字水印技术进行信息处理,这个处理过程可以选用多种方式,可查阅参考相应文献，最简单的办法就是将需要传送的语音信号的每一个比特分别加入到载体信号每一个采样的最低位，这样对载体信号的影响最小,保密信息也可以被简单的提取.同时也可以考虑在频域对其进行处理;
（4） 对加入水印信息的文件及未加之前文件的频域及时域信号进行对比，分析其影响；
(5） 对加入水印信息的文件进行各种滤波处理，然后再对其进行水印提取，观察其结果；
(6） 编制用户界面,可自由发挥.
（二）课程设计要求
1、研究语音信号的特点；
2、探讨语音分析与识别、处理的基本理论基础、关键技术；
3、写出各步骤的MATLAB的程序代码;
4、分析语音信号及加入水印信号的时域波形与频谱；分析滤波前后语音信号及加入水印信号的波形与频谱;
5、滤波器的设计可采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool;

题目六 基于MATLAB 的语音信号的特技处理
（一）课程设计内容
1、利用Windows下的录音机或其他软件，录制一段自己的语音信号，时间控制在1s左右，并对录制的信号进行采样；
2、语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；
3、将信号加入延时和混响，再分析其频谱,并与原始信号频谱进行比较；
4、设计几种特殊类型的滤波器：单回声滤波器，多重回声滤波器，无限个回声滤波器,全通结构的混响器，并画出滤波器的频域响应；
5、用自己设计的滤波器对采集的语音信号进行滤波;
6、分析得到信号的频谱，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;
7、回放语音信号.
8、设计用户界面,可自由发挥。
（二）课程设计报告要求
1、研究语音信号的特点；
2、探讨语音分析与识别、处理的基本理论基础、关键技术；
3、写出各步骤的MATLAB的程序代码；
4、分析采集的语音信号的时域波形与频谱；分析滤波前后语音信号的波形与频谱；
5、滤波器的设计可采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool；
四、参考文献
1 高西全，丁玉美。 数字信号处理（第三版)。西安：西安电子科技大学出版社，2008。8
2 王宏. MATLAB6。5及其在信号处理中的应用。 北京:清华大学出版社，2004
3 李正周。 MATLAB数字信号处理与应用。 北京：清华大学出版社，2008
4 徐明远，刘增力MATLAB仿真在信号处理中的应用.西安:电子科技大学出版社,2007
5 李显宏。 MATLAB 7。x界面设计与编译技巧. 北京: 电子工业出版社， 2006
6 郭仕剑等. MATLAB7.X数字信号处理。 人民邮电出版社, 2006
7 张明照， 刘政波， 刘斌。 应用MATLAB实现信号分析和处理. 科学出版社， 2006

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