数字信号处理课程设计指导书1.docx
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数字信号处理课程设计指导书1
数字信号处理
课程设计指导书
哈尔滨工业大学（威海）
电子与信息工程系
2012年11月
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目录
一.课程设计的目的1
二.设计要求2
三.进度安排3
四.考核及评分标准4
五.课程设计内容与要求5
题目一：
语音信号的采集与处理5
题目二：
简易FFT分析仪6
题目三：
数字调音台7
题目四：
舒曼谐振信号的分析与提取7
题目五：
数字听诊器信号分析8
题目六：
语音信号增强9
题目七：
语音信号变声处理系统10
题目八：
语音信号的数字水印技术10
题目九：
语音信号的保密传输11
题目十：
现场录音中语音信号的干扰去除12
六.课程设计文档提交与要求13
一.课程设计的目的
数字信号处理是一门理论和技术发展十分迅速、应用非常广泛的前沿性学科，在雷达、通信、医学、地震等众多领域都有广泛的应用。
《数字信号处理》课程是电子、通信、信号处理等专业的专业基础课程，数字信号处理课程设计是完成数字信号处理相关理论的学习后进行的综合性训练课程，使学生能够对信号的采集、处理、传输、显示和存储等相关理论及技术实现有一个系统地掌握和理解。
本课程设计的目的为：
1、巩固和加深学生对数字信号处理的基本概念、基本原理、基本分析方法的理解；
2、培养学生根据设计题目的要求，综合利用数字信号处理技术的能力，提高学生综合运用所学知识，解决实际工程技术问题的能力；
3、通过课程设计，培养学生查阅文献、资料，独立解决实际问题的能力。
通过课程设计，要求学生综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB或LabView作为编程工具进行计算机实现，从而加深对所学知识的理解，建立概念，使学生基本掌握以下内容：
1、学会MATLAB或LabView的使用，掌握其程序设计方法。
2、掌握在Windows环境下语音信号采集的方法。
3、掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。
4、掌握设计FIR和IIR数字滤波器的方法。
5、学会用MATLAB或LabView对信号进行分析和处理。
二.设计要求
1、按照设计任务书要求，使用Matlab或LabView软件独立完成设计任务，鼓励使用C语言编程实现；
2、根据设计任务写出设计工作小结，对设计过程所进行的有关步骤进行理论分析，并对完成的设计作出评价，总结自己整个设计工作中的经验教训、收获；
3、编写课程设计说明书，说明书必须按照统一格式打印，装订成册，字数一般不少于三千字；
三.进度安排
本课程设计时间为2周；
序号
设计内容
所用
时间
1
熟悉所用仿真软件使用方法
2天
2
设计实验方案（利用已掌握基本知识、原理，提出设计具体方案，拟订设计步骤，独立完成操作，记录数据，分析结果）
●分析题目，查找相关资料。
●确定方案：
流程图、使用工具、基本算法，公式等等。
●进行设计，编写程序代码。
3天
3
上机调试程序，修改并完善设计
3天
4
编写文件、完成设计报告、验收答辩
2天
合计
2周
四.考核及评分标准
课程考核分三部分，一部分是上机率，占10%；第二部分是课程设计完成情况验收成绩，最后两次上机为验收时间，占60%；第三部分为课程设计报告，占30%。
课程设计总评分成绩如下表。
评定项目
分值
评分成绩
1
设计上机验收成绩、答辩
60%
2
设计报告的规范化、参考文献充分
30%
3
平时成绩
10%
总分
备注：
成绩等级：
优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、及格（60分—69分）、60分以下为不及格。
课程设计上机验收成绩评分标准如下表。
序号
验收项目
分值
得分
1
设计内容合理、目的明确
10分
2
实现了课程设计的基本要求，演示结果正确
50分
3
对课程设计中所涉及的知识理解正确
10分
4
方案正确，在基本要求基础上有改进、创新
20分
5
界面设计合理、美观
10分
总分
100分
五.课程设计内容与要求
本课程设计包含有10个可选内容，请根据自己兴趣爱好选择其中的一个内容独立完成。
题目一：
语音信号的采集与处理
1、语音信号的采集
利用Windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在1s内，然后在Matlab软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。
2、语音信号的频谱分析
在Matlab中，可以利用函数fft对信号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，要求学生首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。
3、设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标；
给定滤波器的性能指标如下：
（1低通滤波器的性能指标：
fb=1000Hz,fc=1200Hz,As=100dB,Ap=1dB.
（2）高通滤波器的性能指标：
fc=4800Hz,fb=5000Hz,As=100dB,Ap=1dB.
（3）带通滤波器的性能指标：
fb1=1200Hz,fb2=3000Hz,fc1=1000Hz,fc2=3200Hz,As=100dB,Ap=1dB.
采用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器，并画出滤波器的频率响应；
4、用滤波器对信号进行滤波
然后用自己设计的滤波器对采集到的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形及频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；
5、回放语音信号，分析滤波前后的语音变化；
6、设计系统界面
为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面，在所设计的系统界面上可以实现上述要求中的包括采集、分析、滤波等全部内容，并能够选择滤波器的类型，输入滤波器的参数、显示滤波器的频率响应等。
题目二：
简易FFT分析仪
设计一个20Hz~20KHz范围内的频谱分析仪（用计算机声卡）；
要求：
1）用计算机声卡实时采集语音信号，并实时显示时域波形信号；
2）可以从计算机中读取语音信号文件，并能够实时显示时域波形信号；
3）实现对信号进行幅度上的放大、缩小显示，存储等；
4）实时显示信号的频谱，信号的频谱分辨率可以进行设置；
5）采用常见的低通、高通、带通、带阻（50hz）滤波器对信号进行滤波，滤波器阶数可调，带宽可调，观察信号频谱的变化；
6）对信号频谱进行非实时高分辨率分析；
7）编制GUI用户界面，能够在用户界面上实现上述所有功能。
8）其它功能可参考商用FFT分析仪添加（提高部分）；
题目三：
数字调音台
请任选一首你喜爱的歌曲，采用已经学过的信号处理知识，设计高通、带通、低通、带阻几种滤波器，对其进行数字信号滤波，观察信号的变化；
1）通过菜单选择待处理的歌曲；
2）实时显示处理前的信号时域波形文件，能够对波形文件进行缩放显示；
3）实时显示处理前的信号频谱，采用柱状显示，类似于音乐播放器软件上的频谱显示；
4）采用常见的低通、高通、带通、带阻（50hz）滤波器对信号进行滤波，滤波器阶数可调，带宽可调，观察处理后的信号频谱的变化；
5）通过扬声器播放处理过的信号，听信号有什么变化；
6）编制GUI用户界面，在用户界面上实现上述所有功能。
7）其它功能可参考商用调音台功能添加（提高部分）。
思考：
为什么电话中唱歌，不好听？
为什么调频广播的音质优于调幅广播？
题目四：
舒曼谐振信号的分析与提取
在地球-电离层空腔中，由于雷电放电激励，在信号波长与地球周长相同或呈倍数关系时，信号出现谐振现象。
现有一地面电磁监测设备记录到带宽为0~35Hz的电磁信号，采样率为100Hz。
在该频段中可观测到前四阶舒曼谐振，谐振频率分别为7.8、14、20、25.3Hz，带宽约为1Hz。
为了分析各阶舒曼谐振的日变化特点，请设计FIR带通滤波器，提取舒曼谐振信号。
由于信号观测时间较长，在频域分析时很难对所有数据做fft分析。
为了加快分析的速度，请采用学过的分段方法进行分析，通过对分段的幅度谱积累，提高信号幅度谱的信噪比。
采用滤波技术提取一阶舒曼信号（中心频率7.8Hz，带宽2Hz），分析仪结舒曼谐振信号的幅度日变化规律。
1）根据给定的数据格式对数据进行读取；
2）对时域波形进行显示；
3）可对波形进行分段放大显示（提高部分）；
4）对信号进行频谱分析，获得舒曼谐振信号中心频率；
5）设计带通滤波器提取前三阶舒曼谐振信号，观察各阶信号日变化特点；由于信号观测时间较长，在频域分析时很难对所有数据做fft分析。
为了加快分析的速度，请采用学过的分段方法进行分段分析。
6）提高：
考虑如何去除噪声，提高舒曼谐振信号信噪比；若存在窄带干扰，如何去除干扰。
7）编制GUI用户界面。
注：
数据为三方向观测数据，可以仅分析NS向数据，参加数据中readme.txt文件。
题目五：
数字听诊器信号分析
目前大夫主要以听诊器倾听病人的气管、肺部区域的声音，对病人的疾病进行判断；请设计一个听诊的软件，要求如下：
1）可记录病人的姓名、年龄、性别、病史、不同疾病部位等状况；
2）对病人的气管、肺部等区域的声音进行采集、分析、存储（前端听诊部分不用考虑，只考虑数据采集部分）。
3）可分析不同声音分量的大小，给出频谱图，以及主要频率的幅度，便于大夫分析和验证；
4）由于采集到的信号经常存在某些干扰信号，比如心脏的震动，请设计低通、带通、带阻滤波器对信号处理，滤波器参数在用户界面中可以进行设置，方便医生进行使用；
5）编制GUI用户界面，实现上述所有功能。
6）其它功能可查阅文献添加（提高部分）。
题目六：
语音信号增强
某电视台记者进行暗访，由于录音设备小，藏在隐蔽部位，由于被访人距离录取设备的远近不同，造成一段声音信号中不同人的声音大小不同，所录声音随不同被访人的说话时间忽大忽小，请采取一定的措施，将其调整到基本一致的状态；
1）通过同一声音录取装置录取不同远近的不同人的声音，使声音片断时大时小（至少要两人）；或从网络中下载类似声音片断，人为更改为不同大小声音。
2）对不同被访人的声音特征进行识别（盲源信号分离或者根据不同说话人的语音信号的频谱特性进行区别），据此来区别不同说话者，对其语音进行分别增强；
3）要求用matlab做出界面，能够对信号时域波形及频域特性进行观察。
4）编制GUI用户界面。
题目七：
语音信号变声处理系统
电视台经常针对某些事件的知情者进行采访，为了保护知情者，经常改变说话人的声音，请利用所学的知识，将其实现。
1）自己录制一段正常的声音文件，或者通过菜单选择的方式选择一段正常声音文件；
2）能够播放该文件；
3）对语音信号进行处理，要求处理后的语音信号基本不影响正常收听与理解；
5）对处理参数能够通过matlab界面进行调节，以对比不同处理效果；
6）能够对处理后的声音文件与原始声音文件的频谱进行观察、分析。
7）编制GUI用户界面。
题目八：
语音信号的数字水印技术
在保密数据传递等应用中，有时采用将一句话或一段文字或一段音乐隐藏在另一段音乐中，然后利用专门的算法来提取所传的信息，这种方法也称为数字水印技术。
这种方法的好处是信息隐藏在极为平常的声音或其它媒介中，不易被察觉。
1）利用语音获取设备获取需要传送的保密语音信号；
2）选择用于传输保密语音信号的普通声音载体，可以是广为流传的歌曲、音乐或其他声音文件；
3）采用数字水印技术进行信息处理，这个处理过程可以选用多种方式，可查阅参考相应文献，最简单的办法就是将需要传送的语音信号的每一个比特分别加入到载体信号每一个采样的最低位，这样对载体信号的影响最小，保密信息也可以被简单的提取。
同时也可以考虑在频域对其进行处理；
4）对加入水印信息的文件及未加之前文件的频域及时域信号进行对比，分析其影响；
5）对加入水印信息的文件进行各种滤波处理，然后再对其进行水印提取，观察其结果；
6）编制用户界面。
题目九：
语音信号的保密传输
对语音信号进行频谱倒置等多种方法加密操作，在接收端进行反向操作恢复出原始信号；
要求：
1）自己录制一段正常的声音文件，或者通过菜单选择的方式选择一段正常声音文件；
2）显示原始信号时域波形、频域特性；
3）显示加密后信号的时域波形、频域特性；
4）显示解码后时域波形、频域特性；
5）通过播放对原始信号、加密后信号以及解码后的信号的声音进行对比，对原始信号与解密后信号的失真进行评价；
6）编制GUI用户界面。
题目十：
现场录音中语音信号的干扰去除
在某现场直播节目的录制过程中，由于现场录制工作人员的失误，造成了MIC中串入了交流干扰，要求在语音信号中去除该干扰；
1）自己录制一段正常的声音文件，或者通过菜单选择的方式选择一段正常声音文件；
2）加入50Hz交流干扰信号；
3）通过播放对比加入干扰前后声音的变化；
4）显示原始信号与加入干扰后信号的频谱图；
5）选择适当的方法对干扰进行去除，比较不同处理方法的效果；
6）（提高部分）选择实际受干扰信号，对信号进行频谱分析，确定干扰的频率；根据干扰的特点采用不同的滤波器对信号进行处理；
7）编制GUI用户界面。
六.课程设计文档提交与要求
1、设计完成后，要提交相关的文档：
1）课程设计报告书（纸质和电子版各一份）；
2）源程序代码（电子版）。
2、课程设计报告的格式要参考课程设计报告模板的要求编写，要包含以下内容：
1）设计题目
2）设计目的及要求
3）设计内容原理及方案
4）详细设计过程，根据课程设计内容和要求给出设计过程和结果，并对实验结果进行描述和分析详细分析、论证设计结果，并且总结实验方法；
5）设计心得体会；
6）参考文献（书籍、网络资料等）。
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