1　《數(shù)字信號(hào)處理》課程的特點(diǎn)

　　《數(shù)字信號(hào)處理》課程是一門理論和技術(shù)發(fā)展十分迅速、應(yīng)用非常廣泛的前沿性學(xué)科,他的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng),他的特點(diǎn)是：

　　(1)要求的數(shù)學(xué)知識(shí)多,包括高等代數(shù)、數(shù)值分析、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程等。

　　(2)要求掌握的基礎(chǔ)知識(shí)強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)是本課程的理論基礎(chǔ)。

　　(3)與其他學(xué)科密切相關(guān),即與通信理論、計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)不可分,又是人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一。

　　數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。

　　數(shù)字信號(hào)處理的算法需要利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。

　　數(shù)字信號(hào)處理的算法是離散傅立葉變換（DFT），是DFT使信號(hào)在數(shù)字域和頻域都實(shí)現(xiàn)了離散化，從而可以用通用計(jì)算機(jī)處理離散信號(hào)。而使數(shù)字信號(hào)處理從理論走向?qū)嵱玫氖强焖俑盗⑷~變換（FFT），F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量，使實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理成為可能、極大促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。

　　學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí),普遍感到數(shù)字信號(hào)處理的概念抽象,對(duì)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(xué)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(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,是本課程教學(xué)中所要解決的關(guān)鍵問題。為了配合《數(shù)字信號(hào)處理》基礎(chǔ)課的理論教學(xué),我們?cè)陔娮有畔⒐こ探虒W(xué)計(jì)劃中安排了二周的《數(shù)字信號(hào)處理》課程設(shè)計(jì),他是針對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》的基礎(chǔ)理論和算法進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)的一個(gè)綜合訓(xùn)練,以便學(xué)習(xí)鞏固所學(xué)的知識(shí),加強(qiáng)理論和實(shí)際結(jié)合的能力,培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力與實(shí)際工作能力。

　　Matlab語言是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析 領(lǐng)域的新型語言,Matlab功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)、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(hào)分析工具箱,不需具備很強(qiáng)的編程能力,就可以很方便地進(jìn)行信號(hào)分析、處理和設(shè)計(jì)。因此,選擇用Matlab進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

　　2　基于Matlab的課程設(shè)計(jì)

　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的技術(shù)計(jì)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(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行就可以用。

　　為了鞏固所學(xué)的數(shù)字信號(hào)處理理論知識(shí),使學(xué)生對(duì)信號(hào)的采集、處理、傳輸、顯示和存儲(chǔ)等有一個(gè)系統(tǒng)的掌握和理解,精心地安排了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容：錄制一段個(gè)人自己的語音信號(hào),并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣;畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖;給定濾波器的性能指標(biāo),采用窗函數(shù)法和雙線性變換設(shè)計(jì)濾波器，然后用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波,畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜,并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,分析信號(hào)的變化;回放語音信號(hào);,設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)界面。

　　2．1　語音信號(hào)的采集

　　要求學(xué)生利用Windows下的錄音機(jī),錄制一段自己的話音,時(shí)間在1 s內(nèi)。然后在Matlab軟件平臺(tái)下,利用函數(shù)wavread對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣,記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過wavread函數(shù)的使用,學(xué)生很快理解了采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。

　　2．2　語音信號(hào)的頻譜分析

　　要求學(xué)生首先畫出語音信號(hào)的時(shí)域波形;然后對(duì)語音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到信號(hào)的頻譜特性,從而加深學(xué)生對(duì)頻譜特性的理解。其程序如下：

　　2．3　設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)

　　給出各濾波器的性能指標(biāo)：

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

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

　　(3)帶通濾波器性能指標(biāo)　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(xué)生用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計(jì)上面要求的3種濾波器。在Matlab中,可以利用函數(shù)fir1設(shè)計(jì)FIR濾波器,可以利用函數(shù)butte, cheby1和ellip設(shè)計(jì)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)。程序如下：

　　2．4　用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波

　　要求學(xué)生用自己設(shè)計(jì)的各濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波,在Matlab中,FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

　　2．5　比較濾波前后語音信號(hào)的波形及頻譜

　　要求學(xué)生在一個(gè)窗口同時(shí)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(hào)

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

　　2．7　設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

　　為了使編制的程序操作方便,要求有能力的學(xué)生,設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面。在所設(shè)計(jì)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),選擇信號(hào)等。

　　3　結(jié)語

　　筆者在電信97,98,99,00四屆學(xué)生中,采用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì),實(shí)踐證明,使學(xué)生加深了對(duì)課堂抽象概念的理解,鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識(shí),并能很好地理解與掌握數(shù)字信號(hào)處理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。在課程設(shè)計(jì)中,讓學(xué)生錄制自己的聲音,設(shè)計(jì)濾波器對(duì)聲音進(jìn)行處理,大大激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生很快地掌握編程方法和解決實(shí)際問題的技巧,取得了良好的教學(xué)效果。