基于Matlab的數(shù)字濾波器設(shè)計研究型實驗探討

1引言

"數(shù)字信號處理"是電子信息專業(yè)的一門理論和實踐性都很強的主干課程，該課程一般安排在三、四年級，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時，普遍感到概念抽象，公式繁多。因此，如果在實驗課程中讓學(xué)生動手動腦進行一些綜合性的研究型實驗，則可幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念，基本分析方法，地方學(xué)生的動手能力，科研能力和創(chuàng)新能力。數(shù)字信號處理實驗可分為基于dsp的硬件實驗和基于matlab的軟件仿真實驗，以數(shù)字濾波器設(shè)計軟件仿真實驗為例進行研究型實驗探討。

2 研究型實驗特點
研究型實驗要求學(xué)生帶著問題測取數(shù)據(jù)，查閱資料，摸索實驗規(guī)律，得出結(jié)論，這種實驗是一種開放型的，其完成的過程接近實際科研探索過程。其特點是，教師提出實驗課題和實驗項目，實驗室提供條件，學(xué)生自行推證有關(guān)理論，自行確定實驗方案，寫出完整的實驗報告，學(xué)生通過實驗，能加深對課程的理解，提高綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，得出科學(xué)研究的前期訓(xùn)練。

3 數(shù)字濾波器設(shè)計研究型實驗
該實驗項目的構(gòu)想是，首先采集含噪信號，例如語音信號或人體心電圖信號，根據(jù)含噪信號的頻譜，用窗函數(shù)法或雙線性變換法設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字濾波器進行濾波，得出濾波前后的頻譜，分析信號的變化，最后設(shè)計一個信號處理系統(tǒng)界面。以對含噪語音信號的處理為例，給出了實驗的過程和結(jié)果。
3.1 采集語音信號
利用計算機windows下的錄音機設(shè)備，可以采集語音信號并采樣，得出數(shù)據(jù)文件hysy.wav在matlab的搜索路徑下，鍵入：
[x，fs，nbits] =wavread（′hysywdx.wav′）；
得到聲音數(shù)據(jù)變量x，同時也罷x的采樣頻率fs=8khz和數(shù)據(jù)位nbits=8bit放進了matlab的工作空間。下面構(gòu)造干擾信號：cl=10※sin（2※pi※2000※t）；
把聲音數(shù)據(jù)變量x和干擾信號變量c1相加得含有噪聲的語音信號x1并播放：
sound（x1，fs）；
通過揚聲器可以明顯聽到"衡陽師院"的聲音下伴隨較尖銳的干擾嘯叫聲。圖1（b）是伴有噪聲的語音信號x1的頻譜。x1的頻譜在2000hz處有一高峰，這正是干擾所造成的。
3.2設(shè)計數(shù)字濾波器
根據(jù)待處理語音信號x1的特點，應(yīng)該設(shè)計數(shù)字帶阻濾波器進行濾波處理，給出數(shù)字帶阻濾波器歸一化的性能指標(biāo)：
fo=2000/4000；fc=100/4000
ws=[fo-0.5※fc fo+0.5※fc]；wp=[fo-fc fo+fc]；
rp=1；rs=30；
可以采用fir或iir數(shù)字濾波器來實現(xiàn)，利用matlatwb軟件，采用iir數(shù)字濾波器設(shè)計方法，實現(xiàn)帶阻濾波器的設(shè)計、程序如下：
[n，wc]=buttord（wp，ws，rp，rs）；=求出巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)頻率參數(shù)
[b，a]=butter（n，wc，stop）；%設(shè)計帶阻濾波器的系數(shù)
[h，w]=freqz（b，a，fs）；
3.3 用濾波器對含噪語音信號進行濾波
利用設(shè)計的帶阻濾波器對采集的語音信號x1進行濾波并進行fft變換：
x2=filter（b，a，xl）；
y2=fft（x2，fs）
sound（x2，fs）
通過揚聲器重播經(jīng)過濾波的語音信號，可以聽到不含噪聲的"衡陽師院"的聲音，圖1（d）是濾去干擾噪聲的語音信號x2的頻譜。由圖1（a）（b）（d）的頻譜對比可看出，濾波器成功地抑制了語音信號中的干擾。
圖1在濾波器濾波過程，其中，（a）圖對應(yīng)原始語音信號頻譜；（b）圖對應(yīng)含噪語音信號頻譜；（c）圖對應(yīng)帶阻濾波器幅頻特性；（d）圖對應(yīng)濾波后的語音信號頻譜。
3.4 設(shè)計gui界面
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參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇信號等，因?qū)W生能力不同，該項內(nèi)容可以選做。
3.5 實驗總結(jié)
要求學(xué)生實驗后寫出總結(jié)報告，本實驗的報告包含以下幾個方面：
（1）寫出實驗的過程。
（2）對信號采集、采樣的認(rèn)識。
（3）對數(shù)字濾波器設(shè)計的認(rèn)識。
（4）對信號濾波效果的分析。
（5）本實驗對科研思路的啟示。

4 結(jié) 語

在完成本實驗的過程中，教師只給出了實驗的思路，實驗中信號的太極，濾波器的設(shè)計及濾波前后頻譜的變化和濾波效果都是學(xué)生自己提出問題，一起討論，查閱資料，修改參數(shù)，進一步食言而完成的。通過實驗，學(xué)生對信號的采集，處理、傳輸，現(xiàn)實和存儲等也有一個較系統(tǒng)的掌握和理解，加深了對課堂抽象知識的理解，鞏固了數(shù)字信號處理和理論知識。