数字信号处理课程设计指导书.doc
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1、数字信号处理课程设计指导书 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途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
2、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
3、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,=
4、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
5、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
6、。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
7、DTMF信号的组成。在电话中,数字09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 Hz1336 Hz1477 Hz633 Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789
8、C942Hz0#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
9、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
10、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
11、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
12、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6971633Hz,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6973266Hz。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
13、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,-,N1),相应的模拟域采样点频率为(k=0,1,2,-,N1),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
14、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N205是最好的。按照8KHz,N205,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69717.861180。139139435。024350.02477019.531200。269154038。692390.30885221.833220.167170442。813430。18794124.113240。113188247.285470。285
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