信号、系统与信号处理课程设计指导书(2013)

信号、系统与信号处理
课程设计
指
导
书
信息工程学院
一、信号、系统与信号处理课程设计目的
通过课程设计，主要达到以下目的：
1、使学生进一步掌握信号处理课程的基本理论、基本方法和基本技术。

2、使学生增进对MATLAB的认识，利用MATLAB加深对理论知识的理解。

3、使学生了解和掌握使用MATLAB的应用过程和方法，为以后的设计打下良好基础。

4、通过课程设计，培养学生能根据设计要求，进行理论知识分析、设计方法总结、典型实例设计等方面的设计综合能力。

二、信号、系统与信号处理课程设计说明及要求
1、课程设计选题方面，学生可以从老师的命题参考中任选一题进行课程设计；也可自已命题，但必须符合指导书要求。

2、课程设计以MATLAB软件为设计工具，要求学生能熟练掌握MATLAB软件的使用方法。

3、课程设计主要包括理论分析、方法总结、典型实例设计等三方面内容。

要求学生根据设计要求，进行理论知识分析，归纳设计方法，选择好典型实例并进行设计。

实例设计要求有源程序，对设计结果或数据波形要进行分析论证。

4、要写出详细的设计报告。

要求学生能独立写出文理通顺的、有理论根据的、实事求是的、科学严谨的课程设计报告。

字数不少于三千字，发现雷同或类同现象的各方都一律重做，且成绩不能评定为良好及以上等级。

三、信号、系统与信号处理课程设计过程
课程设计包括理论和实践两个方面。

学生对设计任务进行分析、设计、制作与调试等工作是课程设计的实践部分；撰写课程设计的总结报告，即将分析、设计、制作和调试过程进行全面总结，是把实践内容提升到理论高度的过程，是课程设计的理论部分。

通过课程设计报告，可以培养学生的理论学习能力、资料查阅能力、技术归纳能力、结论分析能力、论文撰写能力和工作总结能力。

课程设计大致包括以下几个环节：
1、选择题目：根据自己掌握的知识和具备的能力，选择合适的题目。

2、明确任务：根据选择的题目，进一步明确设计任务或技术指标。

3、理论分析：从理论方面分析和解决设计任务。

4、技术实现：从实践方面达到或实现理论分析。

5、得出结论：列出程序结果或数据波形，得出设计结论。

6、设计总结：结合以上设计环节，写出设计报告，总结经验方法，得出设计结论，概括成果意义等等，指出存在的问题或努力的方向。

四、数字信号处理课程设计题目
1、基于FIR的语音信号处理系统（参考）
例：设计一个简单的语音信号分析系统，实现对语音信号时域波形显示、进行频谱分析，利用滤波器滤除噪声等功能。

采用Matlab设计语言信号分析相关程序。

具体任务：
(1) 采集语音信号，录制自己的声音（5s以内），并进行采样；
(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) 产生噪声信号并加到语音信号中，得到被污染的语音信号，并回放语音信号；
(4) 污染信号的频谱分析，画出被污染的语音信号时域波形和频谱；
(5) 针对语音信号频谱及噪声频率，设计合适的FIR数字滤波器滤；
(6) 用自己设计的滤波器对被污染的语音信号进行滤波；
(7) 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；
(8) 回放滤波后语音信号。

2、选题方向可参考下列（不局限），并参考上例设计具体任务并实现。

①频分复用
②抽样定理的工程应用
③音乐合成
④音乐回响、混响
⑤音频加解扰
⑥回音消除
⑦图像信号加解扰
⑧数字式自激振荡器及其应用
五、对课程设计报告的要求
1、课程设计报告封面，包括：题目、班级、学生姓名、指导老师姓名及时间（年、月、日）等；
2、课程设计报告的内容主要包括设计题目、设计要求及任务、设计原理、设计方法、技术实现、设计结果、数据波形、收获与体会和参考文献（不少于3篇）等项目；
3、以上项目多少与格式不作统一限制，但要求用A4纸打印。

电子文档以班级姓名作为文件名（如：13电信卓-王欢），上传至网络教学平台。

课程设计于本学期第14周内完成，并进行答辩；
4、课程设计1~2人一组，可选择相同题目，进行设计环节（1人一题有加分）。

六、参考资料
[1] 陈怀琛,吴大正,高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用(第2版)[M].北京:电子工业出版社, 2004
[2] 高西全,丁玉美.数字信号处理(第三版)[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008
[3] 刘顺兰,吴杰.数字信号处理(第二版)[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008
[4] 吴湘淇.信号、系统与信号处理(上、下)[M].北京:电子工业出版社,2000
[5] 张志勇.精通MATLAB6.5[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003
[6] 门爱东,杨波,全子一.数字信号处理[M].北京：人民邮电出版社, 2003
[7] 吴湘淇.信号与系统(第3版)[M].北京:电子工业出版社, 2009
[8] 吴湘淇,肖熙，郝晓莉.信号、系统与信号处理的软硬件实现[M].北京:电子工业出版社, 2002
[9] 万建伟,王玲.信号处理仿真技术[M].长沙:国防科技大学出版社, 2008
[10] John G. Proakis,Dimitris G. Manolakis. 数字信号处理[M].方艳梅,刘永清译.北京:电子工业出版社, 2007
[11] Sanjit K Mitra. 数字信号处理实验指导书[M].孙洪等译.北京:电子工业出版社,2006
另外：请同学们根据自己的选题，确定好关键词，在网上搜索一些参考内容，也可在校园网图书馆中的数字资源搜索下载自己需要的参考文章。

附：课程设计报告范文
《信号、系统与信号处理》
课程设计报告
FIR数字滤波器设计及MATLAB实现
班级：
姓名：
学号：
同组人：
指导教师：
FIR 数字滤波器设计及MATLAB 实现
一、设计目的
MATLAB 是一种以数值计算和数据图示为主的计算机软件，并包含适应多个学科的专业软件包，以及完善程序开发功能。

在MATLAB 中设计并实现FIR 数字滤波器，就是MATLAB 软件在信号处理中的应用。

通过这次课程设计，以期我们能更加熟悉MATLAB 的功能，掌握MATLAB 程序设计，为以后的毕业设计奠定一定的基础。

二、设计要求及任务
用窗函数法设计线性相位FIR 低通滤波器，该滤波器的通带截止频率4/π=w c ，单位脉冲响应h(n)的长度M=21，并绘出h(n)及其幅度响应特性曲线。

三、设计原理
① 窗函数设计法的基本原理：为了用∑-=-=1
)()(M n jnw
jw
e
e n h H 逼近理想的频率响应
e
h e H jnw
n d jw
d n -∞
-∞
=∑=
)()(，获取有限长序列h(n)的最有效方法是用一个有限长的窗口函数
序列w(n)来截取无限长序列),(n h d 即： h(n)=w(n))(n h d 其中：
⎪⎩⎪⎨
⎧≤<≤=-π
αw w w w e e c c
w
j iw 0)(H d
e e H h jnw
w j d d w w n c c )(21)(απ--⎰=
dw =[]
)
()(sin απα--n n w c ② 在MATLAB 信号处理工具箱中为用户提供了Boxcar(矩形)，Bartlet(巴特利特)，
Hanning(汉宁)等函数，这些函数可通过“help signal ﹨signal ”获取。

由于这些窗函数调用格式相同，下面仅以矩形函数为例说明其调用格式。

格式：w=boxcar(M)
功能：返回M 点矩形窗序列。

窗的长度M 又称为窗函数设计FIR 数字滤波器的阶数。

根据卷积理论可知，
)(e jw
H =
θπ
θθπ
π
d W e
e H w j j d )()(21)
(--
⎰
因此，)(
e
jw
H 逼近程度的好坏完全取决于窗函数的频率特性。

表（1）给出了部分窗函数
的频率特性。

表（1） 在相同条件下，部分窗函数的频率特性
名称 主 瓣 带 宽 过 渡 带 宽 最 小 阻 带 衰 减 Boxcar （矩形） 4π/M 1.8π/M 21dB Bartlet (巴特利特) 8π/M 4.2π/M 25dB Hanning (汉宁) 8π/M 6.2π/M 44dB Hamming(哈明) 8π/M 6.6π/M 51dB Blackman(布莱克曼) 12π/M
11π/M
74dB
四、设计过程
在这里我假设低通滤波响应的频率响应为
⎪⎩⎪⎨
⎧≤<≤=-π
αw w w w e e
c c
w j iw
0)(H d
中心点2/)1(-=N α=(21-1)/2=10 ;
4/π=w c
相应的单位脉冲响应)(n h d 为
e e H h jnw
w j d d w w n c c )(21)(απ--⎰=
dw=[]
)
()(sin απα--n n w c =
[])
10()10(4/sin --n n ππ
对于滤波器窗函数序列的形状及长度的选择很关键，一般希望窗函数满足以下两项要求：
⑴ 窗函数主瓣尽可能地窄，以获取较陡的过渡带。

⑵ 尽量减少窗谱的最大旁瓣的相对幅度。

也就是能尽量集中于主瓣，这样使肩峰和波纹减少，就可增大阻带的衰减。

但是这两项是不能同时都满足的。

当选用主瓣宽度较窄时，虽然得到较陡的过渡带，但通带和阻带的波动明显增加；当选用最小的旁瓣幅度时，虽能得到平坦的幅度响应和较小的阻带波纹，但过渡带会加宽，也即主瓣会加宽。

因此，对于这个设计，我决定采用矩形窗设计。

)()()(n w n n h h d = 01-≤≤N n 而对于矩形窗
==)()(n n w R N ⎪⎩⎪⎨⎧≤≤其他
020
01n
e
W e W jw
R jw R w 10)()(-=
)
2/sin()
2/21sin()(w w w W R =
)()()(n w n n h h d =
=
[])
10()10(4/sin --n n ππ)(n R
N
FIR 滤波器的系统函数H(z)
z n
n n h z H -=∑=20
)()(=∑
=20
0n [])
10()10(4/sin --n n ππ)(n R N z n
-
MATLAB 源程序为：
M=21;wc=pi/4; %理想低通滤波器参数 n=0:M-1;r=(M-1)/2; nr=n-r+eps*((n-r)==0);
hdn=sin(wc*nr)/pi./nr; %计算理想低通单位脉冲响应hd(n)
if rem(M,2)~=0,hdn(r+1)=wc/pi;end; %M 为奇数时，处理n=r 点的0/0型 wn1=boxcar(M); %矩形窗 hn1=hdn.*wn1'; %加窗 subplot(2,1,1);stem(n,hn1,'.');line([0,20],[0,0]); xlabel('n'),ylabel('h(n)'),title('矩形窗设计的h(n)'); hw1=fft(hn1,512);w1=2*[0:511]/512; %求频谱 subplot(2,1,2),plot(w1,20*log10(abs(hw1)))
xlabel('w/pi'),ylabel('幅度（dB）');title('幅度特性（dB）');
程序运行结果如下图：
结论:
通过这次课程设计，我们可总结得知窗函数设计FIR滤波器的步骤：
①根据技术要求确定待求滤波器的单位取样响应。

②由过渡带及阻带衰减的要求，选择窗函数的形式，并估计窗口长度N。

③计算滤波器的单位取样响应。

④验算技术指标是否满足要求。

而在用窗函数设计FIR数字滤波器的时候，我们应该特别注意窗函数序列的形状及长度的选择。

即设计窗函数的时候，窗函数形式的选择最为关键。

五、收获与体会
因为这次课程设计，我重新温习了有关FIR滤波器的这部分内容，以前遗留下的很多疑问再通过这次作业，有一部分已得到解决。

用MATLAB设计滤波器，使我对MATLAB 这个软件有了更深层次的了解，相信如果以后还要用MATLAB这个软件的话，特别是写有关数字信号处理方面的程序，应该不是问题。

这是我第二次写课程设计报告，虽说写的不怎么样，但我还较满意。

因为我享受了过程，几天忙着找资料，有很努力的去做，想想如果把这种认真放到做别的事情，就算最后没成功也会很高兴，比起不努力去做总是会有成效的。

六、参考文献
[1] 吴湘淇.信号与系统(第3版)[M].北京:电子工业出版社, 2009
[2] 吴湘淇,肖熙，郝晓莉.信号、系统与信号处理的软硬件实现[M].北京:电子工业出版社, 2002:45-78
[3] John G. Proakis,Dimitris G. Manolakis. 数字信号处理[M].方艳梅,刘永清译.北京:电子工业出版社, 2006:282-295
[4] 万建伟,王玲.信号处理仿真技术[M].长沙:国防科技大学出版社, 2008:77-88
[5] 赵彦斌,张永瑞.信号谱分析中参数选择对频率分辨率的影响[J].电子科技, 2005,194(11)：6-9
[6] 栗学丽,刘琚.“数字信号处理”教学中易混淆的问题讨论[J].电气电子教学学报，2009,31(4)：39-41
[7] 汉泽西,姚英彪.用DFT分析正弦信号频谱时应注意的几个问题[J].西安石油学院学报，2003,18(2)：67-70
[8] 张志勇.精通MATLAB6.5[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003
[9] 高西全,丁玉美.数字信号处理(第三版)[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008：95-105
[10] 刘顺兰,吴杰.数字信号处理(第二版)[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008：137-145。