1　《數字信號處理》課程的特點

　　《數字信號處理》課程是一門理論和技術發(fā)展十分迅速、應用非常廣泛的前沿性學科,他的理論性和實踐性都很強,他的特點是：

　　(1)要求的數學知識多,包括高等代數、數值分析、概率統(tǒng)計、隨機過程等。

　　(2)要求掌握的基礎知識強,網絡理論、信號與系統(tǒng)是本課程的理論基礎。

　　(3)與其他學科密切相關,即與通信理論、計算機、微電子技術不可分,又是人工智能、模式識別、神經網絡等新興學科的理論基礎之一。

　　數字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域，這是通過數模轉換器實現的。

　　數字信號處理的算法需要利用計算機或專用處理設備如數字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數字信號處理技術及設備具有靈活、、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的。

　　數字信號處理的算法是離散傅立葉變換（DFT），是DFT使信號在數字域和頻域都實現了離散化，從而可以用通用計算機處理離散信號。而使數字信號處理從理論走向實用的是快速傅立葉變換（FFT），FFT的出現大大減少了DFT的運算量，使實時的數字信號處理成為可能、極大促進了該學科的發(fā)展。

　　學生在學習這門課程時,普遍感到數字信號處理的概念抽象,對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此,如何幫助學生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力,是本課程教學中所要解決的關鍵問題。為了配合《數字信號處理》基礎課的理論教學,我們在電子信息工程教學計劃中安排了二周的《數字信號處理》課程設計,他是針對《數字信號處理》的基礎理論和算法進行實踐環(huán)節(jié)的一個綜合訓練,以便學習鞏固所學的知識,加強理論和實際結合的能力,培養(yǎng)學生的綜合設計能力與實際工作能力。

　　Matlab語言是一種廣泛應用于工程計算及數值分析 領域的新型語言,Matlab功能強大、簡單易學、編程效率高,深受廣大科技工作者的歡迎。特別是Matlab還具有信號分析工具箱,不需具備很強的編程能力,就可以很方便地進行信號分析、處理和設計。因此,選擇用Matlab進行課程設計。

　　2　基于Matlab的課程設計

　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

　　MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行就可以用。

　　為了鞏固所學的數字信號處理理論知識,使學生對信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲等有一個系統(tǒng)的掌握和理解,精心地安排了課程設計的內容：錄制一段個人自己的語音信號,并對錄制的信號進行采樣;畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖;給定濾波器的性能指標,采用窗函數法和雙線性變換設計濾波器，然后用自己設計的濾波器對采集的信號進行濾波,畫出濾波后信號的時域波形和頻譜,并對濾波前后的信號進行對比,分析信號的變化;回放語音信號;,設計一個信號處理系統(tǒng)界面。

　　2．1　語音信號的采集

　　要求學生利用Windows下的錄音機,錄制一段自己的話音,時間在1 s內。然后在Matlab軟件平臺下,利用函數wavread對語音信號進行采樣,記住采樣頻率和采樣點數。通過wavread函數的使用,學生很快理解了采樣頻率、采樣位數等概念。

　　2．2　語音信號的頻譜分析

　　要求學生首先畫出語音信號的時域波形;然后對語音號進行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜特性,從而加深學生對頻譜特性的理解。其程序如下：

　　2．3　設計數字濾波器和畫出其頻率響應

　　給出各濾波器的性能指標：

　　(1)低通濾波器性能指標　fb＝1 000 Hz,fc＝1 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　(2)高通濾波器性能指標　fc＝4 800 Hz,fb＝5 000 Hz As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　(3)帶通濾波器性能指標　fb1＝1 200 Hz,fb2＝3 000 Hz,fc1＝1 000 Hz,fc2＝3 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

　　要求學生用窗函數法和雙線性變換法設計上面要求的3種濾波器。在Matlab中,可以利用函數fir1設計FIR濾波器,可以利用函數butte, cheby1和ellip設計IIR濾波器;利用Matlab中的函數freqz畫出各濾波器的頻率響應。程序如下：

　　2．4　用濾波器對信號進行濾波

　　要求學生用自己設計的各濾波器分別對采集的信號進行濾波,在Matlab中,FIR濾波器利用函數fftfilt對信號進行濾波,IIR濾波器利用函數filter對信號進行濾波。

　　2．5　比較濾波前后語音信號的波形及頻譜

　　要求學生在一個窗口同時畫出濾波前后的波形及頻 譜。其程序如下：

　　2．6　回放語音信號

　　在Matlab中,函數sound可以對聲音進行回放。其調用格式：sound(x,fs,bits);可以感覺濾波前后的聲音有變化。

　　2．7　設計系統(tǒng)界面

　　為了使編制的程序操作方便,要求有能力的學生,設計處理系統(tǒng)的用戶界面。在所設計的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的類型,輸入濾波器的參數,顯示濾波器的頻率響應,選擇信號等。

　　3　結語

　　筆者在電信97,98,99,00四屆學生中,采用Matlab進行數字信號處理課程設計,實踐證明,使學生加深了對課堂抽象概念的理解,鞏固了課堂上所學的理論知識,并能很好地理解與掌握數字信號處理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。在課程設計中,讓學生錄制自己的聲音,設計濾波器對聲音進行處理,大大激發(fā)了同學們的學習興趣,使學生很快地掌握編程方法和解決實際問題的技巧,取得了良好的教學效果。