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1、 数字信号处理课程设计 数字信号处理课程设计 指导书指导书 信息与通信工程学院 电子信息工程专业 2014 年 12 月 2 目录目录 一 一 课程设计基本信息课程设计基本信息 3 二 二 课程设计目的和要求课程设计目的和要求 3 三 三 课程设计题目总表课程设计题目总表 3 四 四 课程设计进度安排与考核方法课程设计进度安排与考核方法 3 五 五 课程设计内容课程设计内容 6 一 题目 1 基于 Matlab 测速仪设计 10 二 题目 2 二进制扩频通信系统 10 三 题目 3 双音多频 DTMF 信号 11 四 题目 4 最小平方反卷积 11 五 题目 5 语音的线性预测编码 LPC 1
2、2 六 六 课程设计综合题部分报告要求课程设计综合题部分报告要求 13 附 1 数字信号处理课程设计综合题任务书附 1 数字信号处理课程设计综合题任务书 14 附 2 数字信号处理课程设计报告封面格式附 2 数字信号处理课程设计报告封面格式 18 3 一 课程设计基本信息 一 课程设计基本信息 课程性质 独立实践环节 必修 适用专业 电子信息工程 课程设计周数 2 学分 2 二 课程设计目的和要求 二 课程设计目的和要求 目的目的 本课程是为了配合数字信号处理教学 加强实践环节而开设的 其主要作用是巩固数字信号处 理理论知识 培养学生解决实际问题的能力 提高其实际动手能力 主要任务是通过一些典
3、型的应 用 完成数字信号处理应用设计 要求要求 根据所学知识独立设计完成基本任务 对于创新设计可以不受大纲限制 经老师审核同意并在 条件允许的情况下 可以自行命题 本课程设计以实验室实验为主 采取的教学方式较为灵活 大 部分时间让学生自己操作 必要时配合少量的理论讲授 三 课程设计题目总表 三 课程设计题目总表 序号序号 题目题目 指导教师指导教师 1 基于 Matlab 测速仪设计 罗倩 2 二进制扩频通信系统 顾奕 3 双音多频 DTMF 信号 焦瑞莉 4 最小平方反卷积 段中钰 5 语音的线性预测编码 LPC 李红莲 四 课程设计进度安排与考核方法 四 课程设计进度安排与考核方法 课程设
4、计进度安排课程设计进度安排 课程设计共安排 5 个题目 整个课程设计共 32 学时 分 2 周安排 具体进度如下 6 学时 复习题目相关知识 掌握实现的原理 16 学时 用 MATLAB 语言实现题目要求 4 6 学时 进一步完善功能 现场检查 答辩 4 学时 完成课程设计报告 数字信号处理课程设计时间安排表见后附表 1 考核考核 以出勤 现场检查 考核和设计报告等方面综合评定课程设计成绩 表 1 数字信号处理课程设计时间安排表 表 1 1 表 1 数字信号处理课程设计时间安排表 表 1 1 3 503 实验室实验室 表 1 2 表 1 2 3 501 实验室实验室 1 月月 5 日周一日周一
5、 1 月月 6 日周二日周二1 月月 7 日周三日周三1 月月 8 日周四日周四1 月月 9 日周五日周五1 月月 12 日周一日周一1 月月 13 日周二日周二1 月月 14 日周三日周三1 月月 15 日周四日周四1 月月 16 日周五日周五 8 30 11 30 第 组焦老师第 组焦老师 8 30 11 30 第 组李老师 第 组李老师 8 30 11 30 第 组罗老师第 组罗老师 8 30 11 30 第 组李老师第 组李老师 8 30 11 30 第 组顾老师第 组顾老师 8 30 11 30 全体全体 12 00 15 00 第 组李老师第 组李老师 12 00 15 00 第
6、组顾老师 第 组顾老师 12 00 15 00 第 组罗老师第 组罗老师 12 00 15 00 第 组顾老师第 组顾老师 12 00 15 00 第 组李老师第 组李老师 12 00 15 00 第 组罗老师第 组罗老师 12 00 15 00 第 组焦老师第 组焦老师 15 00 18 00 第 组罗老师第 组罗老师 15 00 18 00 第 组焦老师第 组焦老师 15 00 18 00 第 组焦老师第 组焦老师 15 00 18 00 第 组顾老师第 组顾老师 1 月月 5 日周一日周一 1 月月 6 日周二日周二1 月月 7 日周三日周三1 月月 8 日周四日周四1 月月 9 日周五
7、日周五1 月月 12 日周一日周一1 月月 13 日周二日周二1 月月 14 日周三日周三1 月月 15 日周四日周四1 月月 16 日周五日周五 8 30 11 30 第 组段老师 第 组段老师 8 30 11 30 第 组段老师第 组段老师 12 00 15 00 第 组段老师第 组段老师 15 00 18 00 第 组段老师第 组段老师 6 五 课程设计内容 五 课程设计内容 本次课程设计需要完成基本题和综合题两部分 要求每个同学完成全部的基本题 并按照分组 完成相应的一道综合题 分组情况见电子文档 12 级数字信号处理课程设计分组名单 xls 第一部分 基本题 第一部分 基本题 数字信
8、号处理基本题共三道大题 原则上在设计的第一周完成 完成基本题后再完成综合题 数字信号处理基本题共三道大题 原则上在设计的第一周完成 完成基本题后再完成综合题 题目一 题目一 以周期 Ts 0 125ms 对信号进行采样 得到离散时间信号 x n cos 0 48 n cos 0 52 n 1 用杆形图画出离散时间序列 2 取 x n 0 n 9 求 x n 的 10 点 FFT 并绘出图形 3 将 1 中的 x n 后面补零 使 x n 加长到 0 n 99 求 FFT 并绘出图形 4 取 x n 0 n 99 求 x n 的 100 点 FFT 并绘出图形 5 分析 1 3 的结果 6 为了
9、能分辨出信号的频谱成分 所需的频率分辨率是多少 至少应记录多长时间的信 号 为什么 7 用 FFT 作出离散谱 离散谱线与实际频率如何对应 为什么 用实际频率标记频率轴 8 利用一个单位脉冲响应序列为 h n 的系统 设计实现对上述长的序列 x n 滤波处理 要 求使用重叠保留法通过 FFT 来实现这种处理 要求各输入数据段重叠 p 个样点 并从每一段产生 的输出中取出 m 个样点 再连接在一起以得到所要求的输出序列 设计滤波算法程序 试用 1 1 1 1 1 h n 五点平均系统 验证你的程序 并求出 p 和 m 显示出分段的输入序列各段的内容和分段的输出序列各段的内容 用杆状图绘出线性卷积
10、输出结果和通过 FFT 重叠保留法的输出结果 注 注 在实际的应用环境下 可能需要有限时宽的序列和一个时宽不定或长度非常长的序列进行 卷积运算 理论上可以将整个波形存储起来 利用快速卷积方法进行处理 于是要求对短序列补充 很多零点 从而导致计算量和需要的存储空间无谓的增加 实际上 当两序列长度差距较大时 快 速卷积算法的优势并不能体现出来 而且输入数据未收集完之前 不能够计算出一个输出结果 因 此整个系统必然存在较大的延时 不能进行实时处理 为了解决这个问题 可以将长序列分段 然 后计算响应 根据分段方式不同 可分为重叠相加法和重叠保留法两种 本实验要求用重叠保留法 7 实现长序列的卷积 重叠
11、保留法通过将长序列 x n 按照如下方式分成长度为 L 的子段 1 01 k x nx nk LMnL 即每一子段与前一子段之间有 M 1 个点重叠 于是 将子段 k x n和 h n进行长度为 L 的圆周卷 积 即 01 kk ynx nh nnL 可见 k yn的长度为 L 点 然而 k x n和 h n线性卷积的长度为 L M 1 因此 k yn的前 M 1 点与线性卷积结果不同 其余的 L M 1 点与线性卷积的结果相同 因此 将 k yn的前 M 1 点舍去 即 1 kkL M y nyn Rn 于是 0 1 k k y nx nh ny nk LM 可见 在重叠保留法中 将原始序列
12、进行有重叠的分段 子段与单位脉冲响应之间进行圆周卷 积 因此 k y n中的前 M 1 点与线性卷积的结果不等需要舍弃 而保留与线性卷积的结果相同的点 1 在 Matlab 中 有限长序列可以用行向量表示 如 x 2 1 1 0 1 4 3 7 向量 x 的下标从 1 开始 若想取出向量 x 中第 M 个到第 N 个值构成新的向量 用 x M N 2 当两个序列对应点相乘时 在 Matlab 中使用 运算符 称 点乘 3 Matlab 中 补零可以用 zeros 函数实现 例如 x x zeros 1 N 为在原 x 序列后补 N 个 0 x zeros 1 M x zeros 1 N 为在原
13、 x 序列前补 M 个 0 后补 N 个 0 4 线性卷积函数 conv x h FFT 和逆 FFT 函数 fft x 或 fft x N ifft x 或 ifft x N N 表示 N 点长 FFT 或逆 FFT 报告要求 报告要求 1 画出程序流程图 2 回答问题并写明计算依据 此部分手写 3 对结果进行分析和比较 4 总结实验所得的主要结论 5 绘出实验得到的图形 6 附上相应的源程序 题目二 题目二 8 用切比雪夫 I 型原型利用脉冲响应不变法设计一个低通数字滤波器满足下面的要求 通带截止频率 p 0 2 阻带截止频率 s 0 3 通带波纹 Rp 1dB 阻带衰减 As 15dB
14、绘出滤波器的幅频响应曲线 并用杆形图画出单位脉冲响应 h n 讨论 T 在冲激响应不变法中的影 响 注 注 利用脉冲响应不变法的设计步骤 已知数字低通滤波器的设计要求为 通带截止频率 p 阻带截止频率 s 通带波纹 Rp 阻 带衰减 As 通过首先设计一个等效的模拟滤波器 然后将它映射为所期望的数字滤波器来确定 H z 步骤为 1 选取 T 并确定模拟频率 T 可以取 1 p p s s T T 2 利用通带截止频率 阻带截止频率 通带波纹 阻带衰减设计切比雪夫 I 型模拟滤波器 Ha s 在 Matlab 中 切比雪夫 I 型滤波器函数 b a cheby1 N As wn s 这个函数设计
15、一个阻带衰 减为 As 分贝的 N 阶的低通模拟切比雪夫 I 型滤波器 并在长度为 N 1 的向量 b 和 a 中得到滤波器 的系数 wn 为截止频率 3 利用部分分式展开 将 Ha s 展开为 1 N k a k k R Hs sp 4 将模拟极点 pk 变换为数字极点 k p T e 得到数字滤波器 1 1 1 k N k p T k TR H z ez 报告要求 报告要求 1 写明设计步骤 此部分手写 2 写出设计参数的计算过程 此部分手写 3 画出程序流程图 此部分手写 4 编程实现滤波器的设计 9 5 绘出滤波器的频率响应曲线 并用杆形图画出单位脉冲响应 h n 6 写出讨论结果 7
16、 附上相应的源程序 题目三 题目三 利用窗函数法设计数字带通滤波器 指标为 低阻带 1s 0 2 As 60dB 低通带 1p 0 35 Rp 1dB 高通带 2p 0 65 Rp 1dB 高阻带 2s 0 8 As 60dB 分析每一种窗的时域情况和频域抑制旁瓣情况 选择一种合适的窗函数 画出滤波器的频率响应曲 线和单位脉冲响应曲线 给出实际窗长度 通带衰减和阻带衰减 注 注 窗函数法设计的基本思想是要选取一种合适的理想频率选择性滤波器 这种滤波器是非因 果的 其单位脉冲响应为无限长序列 然后将它的单位脉冲响应截断 或加窗 以得到一个线性 相位和因果的 FIR 滤波器 这种方法的重点在于选择某种恰当的窗函数和一种合适的理想滤波器 窗函数法设计的基本步骤是 对于给定的滤波器技术要求 选择滤波器长度 M 和具有最窄主 瓣宽度和尽可能最小的旁瓣衰减的某个窗函数 在 Matlab 中 各个窗的函数如下 矩形窗函数 w boxcar M 三角形窗函数 w bartlett M Hanning 窗函数 w hanning M Hamming 窗函数 w hamming M Blackman 窗函
