數(shù)字信號處理課程設(shè)計任務(wù)書(1)

1、數(shù)字信號處理課程設(shè)計指導(dǎo)一、課程設(shè)計目的：綜合運用本課程的理論知識進行頻譜分析以及濾波器設(shè)計，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為工具進行實現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)的理論知識，提高對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，并從實踐上初步實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。二、課程設(shè)計任務(wù)：每位同學(xué)在“四、課程設(shè)計內(nèi)容”中的題目中任選一題或自行選擇題目，每個題目最多4個人選。自行選擇的題目需經(jīng)過指導(dǎo)老師確認(rèn)。班長于第五天把統(tǒng)計好的題目提交給指導(dǎo)老師。三、課程設(shè)計時間安排：第一天：布置設(shè)計任務(wù)，講解設(shè)計要求，提示設(shè)計要點。第二五天：選定題目，查閱資料（在圖書館或上網(wǎng)），弄清題目要求，提出解決方案。)第五十二天：根據(jù)

2、題目要求，將理論推導(dǎo)與編程實現(xiàn)相結(jié)合，寫出設(shè)計報告和ppt，可以申請去實驗室進行課程設(shè)計，也可以自己安排。第十三至十五天：答辯。四、課程設(shè)計內(nèi)容：1. 設(shè)計題目一：編程實現(xiàn)任意確定信號的頻譜分析算法(1) 對給定的CEG和弦音音頻文件取合適長度的采樣記錄點，然后進行頻譜分析（信號的時域及幅頻特性曲線要畫出）。(2) 分析CEG和弦音頻譜特點，對該信號頻譜能量相對較為集中的頻帶（分低、中、高頻）實現(xiàn)濾波（分別使用低通，帶通及高通），顯示濾波后信號的時域和頻域曲線，并對濾波后的信號與原信號的音頻進行聲音回放比較。(3) 在低、中、高三個頻帶中，各濾出三個能量最集中的頻簇，顯示濾波后信號的時域和頻域

3、曲線。(4) 任意選擇幾個濾出的頻帶（或頻簇）進行時域信號重建（合成），與原信號的音頻進行聲音回放比較。討論：根據(jù)上述結(jié)果，分析什么是和弦音。2. 設(shè)計題目二：設(shè)計并實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設(shè)計算法要求：輸入數(shù)字濾波器指標(biāo)，包括濾波器類型（低通、帶通、帶阻或高通等），通帶截止頻率，通帶最大波動，阻帶開始頻率，阻帶衰減， 設(shè)計得到FIR濾波器，并畫出設(shè)計得到的濾波器的增益曲線圖（要有坐標(biāo)標(biāo)度）。為了使編制的程序操作方便，設(shè)計處理系統(tǒng)的用戶界面：在所設(shè)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(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇輸入信號并顯示相應(yīng)的輸出信號等。討論：對不同窗函數(shù)、不同階數(shù)的

4、設(shè)計結(jié)果的參數(shù)及性能進行比較。3. 設(shè)計題目三：語音信號的處理與濾波內(nèi)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(biāo)，采用 窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)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；換一個與你性別相異的人錄制同樣一段語音內(nèi)容，分析兩段內(nèi)容相同的語音信號頻譜之間有什么特點；再錄制 一段同樣長時間的背景噪聲疊加到你的語音信號中，分析疊加前后信號頻譜的變化，設(shè)計一個合適的濾波器，能夠把該噪聲濾除。

5、基本步驟：(1) 語音信號的采集熟悉并掌握MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、播放、存儲和讀取的函數(shù)，在MATLAB環(huán)境中，使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制3秒左右自己的聲音。(2) 語音信號的頻譜分析要求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，從而加深對頻譜特性的理解。(3) 設(shè)計數(shù)字濾波器并畫出其頻率響應(yīng)給出各濾波器的性能指標(biāo)： (i)低通濾波器性能指標(biāo)：fb1000 Hz，fc1200 Hz，As100dB，Ap1dB。 (ii)高通濾波器性能指標(biāo)：fc4800 Hz，fb5000 Hz As100dB，Ap1dB。 (iii)帶通濾波器性能指標(biāo)：fp11

6、200 Hz，fp23000 Hz，fsc11000 Hz，fsc23200Hz，As100dB，Ap1dB。要求用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計上面要求的3種濾波器。在Matlab中，使用函數(shù)butter，cheby1等函數(shù)設(shè)計IIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。(4) 用濾波器對信號進行濾波要求用自己設(shè)計的各種濾波器分別對采集的信號進行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。(5) 比較濾波前后語音信號的波形及頻譜要求在一個窗口同時畫出濾波前后的波形及頻譜。(6) 回放語音信號

7、在Matlab中，使用相關(guān)聲音函數(shù)對聲音進行回放。辨別濾波前后的聲音有何變化。(7) 男女聲語音信號頻譜特點分析換一個與你性別相異的人錄制同樣一段語音內(nèi)容，分析兩段內(nèi)容相同的 (8) 背景噪聲濾除再錄制一段同樣長時間的背景噪聲（頻譜能量集中在某個小范圍內(nèi)）疊加到你的語音信號中，分析疊加前后信號頻譜的變化，設(shè)計一個合適的濾波器，能夠把該噪聲濾除。4. 設(shè)計題目四：基3-FFT算法實現(xiàn) 設(shè)計N=3k點數(shù)據(jù)的基3-FFT算法，分析算法所需的加法和乘法次數(shù)，畫出9點基3-FFT算法的信號流圖，并標(biāo)出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子。5. 設(shè)計題目五：用FFT實現(xiàn)快速卷積 FFT的出現(xiàn)，使DFT在數(shù)字通信、語音信號處理、

8、圖像處理、功率譜估計、系統(tǒng)分析與仿真、雷達信號處理、光學(xué)、地震及數(shù)值分析等各個領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。然而，各種應(yīng)用一般都以卷積和相關(guān)運算為依據(jù)。在實際應(yīng)用中，為了分析時域離散LTI系統(tǒng)或者序列濾波時，需要計算兩個序列的線性卷積。為了提高運算速度，可以利用FFT來實現(xiàn)。查找資料，編寫程序?qū)崿F(xiàn)利用DFT實現(xiàn)線性卷積的兩種方法：重疊保留法和重疊想加法。6. 設(shè)計題目六：揭示聲波測距的秘密聲波測距的原理很簡單：聲波發(fā)射器發(fā)出聲波，接受器接收反射回波，計算中間的時延，乘以聲波速度再除以2，就得到了距離。在這里要求用喇叭和麥克風(fēng)來搭建一個最簡單的聲波測距系統(tǒng)。要求：（1）合成測距用的chirp信號；（2）將

9、系統(tǒng)對準(zhǔn)天花板播放chirp信號并采集回波；（3）用相關(guān)方法來識別回波信號位置；（4）根據(jù)回波位置折算距離。7. 設(shè)計題目七：鋼琴琴鍵聲音合成鋼琴聲音優(yōu)美號稱“樂器之王”，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)鋼琴的聲音是若干基本頻率的倍頻合成的。筆者對此進行了分析試驗，彈奏鋼琴產(chǎn)生16個音符，分別是“Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do(高)/ Do(高)/Si/La/So/Fa/Mi/Re/Do”，對此信號進行STFT，時頻譜如下圖所示：試驗很好的驗證了上述理論。根據(jù)上述論述題目的基本要求如下：(1) 找到Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do(高)的基頻；(2) 找出基頻與倍頻之間能量比率的關(guān)系；

10、(3) 編寫函數(shù)，用正弦波來合成鋼琴的聲音。8. 設(shè)計題目八：經(jīng)典濾波器的設(shè)計和使用自行產(chǎn)生一個數(shù)字信號，要求：(1) 必須包含低頻、中頻、高頻分量；(2) 畫出數(shù)字信號的時域波形圖和頻譜圖；(3) 對數(shù)字信號進行采樣，并進行頻譜分析；(4) 分別設(shè)計低通、帶通、高通三種濾波器，畫出三個濾波器的頻率響應(yīng)；(5) 對信號進行濾波處理，觀察濾波后信號的頻譜。9. 設(shè)計題目九：信號譜分析研究高密度譜與高分辨率頻譜。對連續(xù)確定信號：以采樣頻率fs=32kHz對信號采樣得離散信號，分析下列三種情況的幅頻特性。(1) 采集數(shù)據(jù)長度取N=16點，編寫程序計算出的16點DFT,并畫出相應(yīng)的幅頻圖(2) 采集數(shù)

11、據(jù)長度N=16點，補零加長至M點(長度M自己選)，利用補零DFT計算 的頻譜并畫出相應(yīng)的幅頻圖。 (3) 采集數(shù)據(jù)長度取為M點（注意不是補零至M），編寫程序計算出M點采集數(shù)據(jù)的的頻譜并畫出相應(yīng)的幅頻圖。 10.設(shè)計題目十：信號識別識別含噪正弦信號的頻率和幅度。對于含噪正弦信號，我們可以建模為：。本項目要求對上述信號進行采樣，然后通過信號處理方法識別出正弦信號的幅度和頻率。四、課程設(shè)計要求：1設(shè)計說明書（約30004000字），包括：（1）封面；（2）目錄；（3）摘要；（4）正文。設(shè)計內(nèi)容（簡述本設(shè)計的任務(wù)和要求，可參照任務(wù)書和指導(dǎo)書）；設(shè)計原理（簡述設(shè)計過程中涉及到的基本理論知識）；設(shè)計過程（

12、按設(shè)計步驟詳細介紹設(shè)計過程，即任務(wù)書和指導(dǎo)書中指定的各項任務(wù)）I程序源代碼：給出完整源程序清單；II調(diào)試分析過程描述：包括測試數(shù)據(jù)、測試輸出結(jié)果，以及對程序調(diào)試過程中存在問題的思考（列出主要問題的出錯現(xiàn)象、出錯原因、解決方法及效果等）；III結(jié)果分析：對程序結(jié)果進行分析，并與理論分析進行比較。（5）結(jié)論：包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲、對Matlab語言和本次課程設(shè)計的認(rèn)識以及自己的建議等內(nèi)容； （6）參考文獻。2附件：（可以將設(shè)計中得出的波形圖和頻譜圖作為附件，在說明書中涉及相應(yīng)圖形時，注明相應(yīng)圖形在附件中位置即可；也可不要附件，所有內(nèi)容全部包含在設(shè)計說明書中。所有的實驗結(jié)果圖形都必須有

13、橫縱坐標(biāo)標(biāo)注，必須有圖序和圖題。）3課程設(shè)計報告提交電子版和打印版各一份。About the class projectsThe class includes a programming project. Your choice of project should be agreed with me; the easiest way is probably via email. Some ideas are given at the bottom of this page, but they are only to get you thinking; your project can be o

14、n any topic that interests you, and I encourage you to choose something that will help harness your enthusiasm. The biggest benefit of doing a project is that it will expose you to a broader range of the activities that come up in real engineering applications of signal processing, instead of the na

15、rrow core weve mostly covered in class. For this reason, the core requirement is that you do some kind of processing of some kind of real signal - i.e., I dont want a purely theoretical discussion, and I dont want experiments on ideal signals. In some cases, its useful to work with synthetic signals

16、 (ones you have constructed yourself, rather than gathered from the real world), but they should be as real as possible, i.e., by adding random noise etc. I strongly recommend you do your project in Matlab because it frees you from many of the low-level details, but other languages or systems can be

17、 used by prior arrangement.Projects can be done individually, or by a small team (typically two students). I encourage you to consider teaming up, primarily because it will allow you to do a more interesting project. I will naturally be judging two-person projects differently from individual project

18、s, but I wont be applying a tougher standard - just looking for a more extensive investigation. The best arrangement is to choose a division of the project so that each of you can work on separate but interlocking parts. Learning teamwork is also one of the goals of an engineering education, so team

19、 projects will pick up points for demonstrating a successful ability to work with others. The projects will be graded based on a project report (of around 5 pages) as well as an optional in-class presentation. If you do a presentation, I will accept the presentation slidepack as part of the report,

20、although I would still want a few pages of narration to explain the slides and to cover the points below. I do encourage you to make in-class presentations - its particularly fun if you have demonstrations such as sound examples. However, we wont have time for everyone to make presentations, so plea

21、se let me know as soon as possible.Your report must have the following structure, using these section headings: 1. Introduction: A general description of the area of your project and why youre doing it.2. Problem Specification: A clear and succinct technical description of the problem youre addressi

22、ng. Formulating a general problem (e.g., transcribing music) into a well-defined technical goal (e.g., reporting a list of estimated fundamental periods at each time frame) is often the most important part of a project.3. Data: What are the real-world and/or synthetic signals you are going to use to

23、 develop and evaluate your work?4. Evaluation Criteria: How are you going to measure how well your project performs? The best criteria are objective, quantitative, and discriminatory. You want to be able to demonstrate and measure improvements in your system.5. Approach: A description of how you wen

24、t about trying to solve the problem. Sometimes you can make a nice project by contrasting two or more different approaches.6. Results and Analysis: What happened when you evaluated your system using the data and criteria introduced above? What were the principal shorfalls? (This may require you to c

25、hoose or synthesize data that will reveal these shortcomings.) Your analysis of what happened is one of the most important opportunities to display your command of signal processing concepts.7. Development: If possible, you will come up with ideas about how to improve the shortcomings identified in the previous section, and the