信号分析与处理实验报告

信号分析与处理实验报告（精选9篇）

信号分析与处理实验报告 篇1

学号姓名注：1）此次实验作为《数字信号处理》课程实验成绩的重要依据，请同学们认真、独立完成，不得抄袭。

2）请在授课教师规定的时间内完成；

3）完成作业后，请以word格式保存，文件名为：学号+姓名

4）请通读全文，依据第2及第3 两部分内容，认真填写第4部分所需的实验数据，并给出程序内容。

1.实验目的(1)学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法

(2)掌握在windows环境下语音信号采集的方法

(3)掌握MATLAB设计FIR和IIR滤波器的方法及应用

(4)学会用MATLAB对语音信号的分析与处理方法

2.实验内容

录制一段自己的语音信号，对录制的语音信号进行采样，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图，确定语音信号的频带范围；使用MATLAB产生白噪声信号模拟语音信号在处理过程中的加性噪声并与语音信号进行叠加，画出受污染语音信号的时域波形和频谱图；采用双线性法设计出IIR滤波器和窗函数法设计出FIR滤波器，画出滤波器的频响特性图；用自己设计的这两种滤波器分别对受污染的语音信号进行滤波，画出滤波后语音信号的时域波形和频谱图；对滤波前后的语音信号进行时域波形和频谱图的对比，分析信号的变化；回放语音信号，感觉与原始语音的不同。

3.实验步骤

1）语音信号的采集与回放

利用windous下的录音机或其他软件录制一段自己的语音（规定：语音内容为自己的名字，以wav格式保存，如wql.wav），时间控制再2秒之内，利用MATLAB提供的函数wavread对语音信号进行采样，提供sound函数对语音信号进行回放。

[y,fs,nbits]=wavread(file),采样值放在向量y中，fs表示采样频率nbits表示采样位数。Wavread的更多用法请使用help命令自行查询。

2）语音信号的频谱分析

利用fft函数对信号进行频谱分析

3）受白噪声干扰的语音信号的产生与频谱分析

①白噪声的产生：

N1=sqrt（方差值）×randn(语音数据长度，2)（其中2表示2列，是由于双声道的原因）然后根据语音信号的频谱范围让白噪声信号通过一个带通滤波器得到一个带限的白噪声信号N2；

带通滤波器的冲激响应为：

hB（n）=c2

sinc(c2

(n))c1

sinc(c1

(n))其中ωc1为通带滤波器的下截止频率，ωc2为通带滤波器的上截止频率。其中下截止频率由每个人的语音信号的最高频率确定 滤波器的长度N由滤波器的过渡带确定，一般不宜太小（大于1000），α=（N-1）/2； ②信号y通过低通滤波器，得到信号为x1

低通滤波器的冲激响应为：

hL(n)c1sinc(c1

(n))其中的ωc1与上面的带通滤波器的下截止频率一致，滤波器的长度N也于上面的带通滤波器一致，α=（N-1）/2

③将N1加上x1得到一个受到噪声污染的声音信号

4）据语音信号的频带情况，设计FIR和IIR两种滤波器

5）用滤波器对受污染语音信号进行滤波

FIR滤波器fftfilt函数对信号进行滤波，IIR滤波器用filter函数对信号进行滤波

6）比较滤波前后信号的波形与频谱

7）回放滤波后的语音信号

4.实验数据及实验程序

实验数据

1）原始语音信号的时域波形和频谱图及语音信号的频带范围

2）带限白噪声信号的时域波形和幅频特性

3）受污染语音信号的时域波形和幅频谱图

4）滤波器的频响特性图

FIR滤波器的幅频响特性图

IIR滤波器的幅频响特性图

5）滤波后语音信号的时域波形和频谱图

6）滤波前后的语音信号时域波形对比图和幅频谱对比图

7）将实验的资料的电子文档交给班长（建立一个文件夹，里面包括：①实验报告的电子版；②采集的语音信号电子文件；③受污染的语音信号及滤波后的语音信号存在文件名为“姓名+学号.mat”文件的文件中）

实验程序：

1）实验主程序

2）FIR滤波器子程序

信号分析与处理实验报告 篇2

“信号分析与处理”是电气工程类专业本科生的必修主干课程,其中配套实验对于学生更好地理解该课程抽象的概念和分析方法具有重要的作用。一方面,信号分析与处理是一门应用性较强的课程,而传统的实验设计往往以验证性实验为主[1,2,3,4],不利于学生综合创新能力的培养;另一方面,实验需要使用实验室的仪器设备,而实验室不是全天开放,而且由于课程的相关应用往往牵涉到其它的专业知识,这些因素都制约了综合性实验的开展。

传统的心电信号采集设备采用单片机或采集卡等途径将信号输入计算机[5,6,7,8],有些被开发为实验设备,学生仅需使用,参与度不够高。本文提出基于myDAQ的心电信号分析与处理综合实验方案,学生根据实验原理和基本的模拟电子电路基础知识完善实验电路,利用myDAQ和计算机,可在实验室以外场所进行实验。

1 NI myDAQ

NI myDAQ是由美国国家仪器公司(NI)开发的一种低成本便携式数据采集和数据输出设备,具有万用表、模拟信号输入输出、数字信号输入输出、音频输入输出与电源等功能[9]。通过USB接口,myDAQ可以和计算机相连。通过myDAQ的相关接口和配套的软件,学生可以使用数字万用表(DMM)、示波器(Scope)、函数发生器(FGEN)、Bode分析仪、动态信号分析仪(DSA)、任意波形发生器(ARB)、数字读取器(DigIn)、数字写入器(DigOut)等功能[10]。学生可将实际信号通过myDAQ引入计算机,通过配套的软件对信号进行测量和分析,并通过与计算机上的NI LabVIEW或其它软件相配合,进一步分析和处理获取的数据。

实验设计

心电信号是一种微弱信号,通常在0.01~100Hz范围内,幅值在50μV~5mV之间[11]。心电信号极易受干扰,其中通过人体与导连线耦合的工频干扰是心电采集过程中的最大干扰因素[12]。为了信号的有效性,实验系统应可以实时、无失真地采集心电信号,并对信号进行放大、干扰抑制等处理,同时应该保证被测试人员的安全。

本实验设计针对心电信号检测的实际应用环境,同时结合模块化的设计思想,其系统结构框图如图2所示。

实验平台提供了电源模块、缓冲模块、最终放大模块及myDAQ连接模块,并提供了前置放大模块、右腿驱动模块、滤波模块的参考设计方案,参考设计模块之间通过跳接线相连,学生可屏蔽相关模块,并采用自己的设计方案,实际电路板如图3所示。

为减小电源引入的干扰,并保证系统对低频信号的采集能力,电源模块采用电池供电,并通过电荷泵芯片LT1054C将单电源转为正负电源为运算放大器提供工作电源,如图4所示。

为了将人体与电路进行隔离,同时进行阻抗变换,在人体与放大电路之间加入缓冲模块,采用电压跟随器与一个20kΩ电阻的串联实现。缓冲模块增大了输入阻抗,同时增强了系统对由于导连线不稳定而产生的干扰信号的抑制效果。如图5所示。

最终放大模块承担了信号放大的主要工作,采用反相放大电路实现,如图6所示。其增益由反馈电阻R15与反相端输入电阻R14与R16之和的比值确定。

由于通过两个电极采到的原始信号中具有很强的工频干扰,对于所要采集的心电信号来说是一个很强的共模成分,利用仪用放大器INA118的高共模抑制比的特点,可以一定程度减小信号的干扰。其增益G由增益控制电阻RG确定。

G=1+(50kΩ)/RG

实验平台给出了一种参考实现方式,其原理图如图7所示,学生也可自行设计电路替换。

为了减小由于空间存在的工频电磁波在人体耦合形成的工频干扰信号,需要引入右腿驱动电路。右腿驱动电路从增益控制电阻R5与R6的中点取出信号,经放大后再输回人体作为参考电位,使用右腿驱动电路可以大大减小工频干扰的强度。信号首先经过电压跟随器,去除后级电路的负载作用,通过反相放大后,经过电阻的隔离后与人体右腿相连,起到提供参考电位的作用。参考电路原理图如图8所示。

为了减小高频的电磁干扰信号与基线漂移等极低频的干扰信号,需要引入滤波器模块。实验平台给出了一种参考实现方式,其原理图如图9所示。该模块由二阶有源低通滤波器与二阶有源高通滤波器级联组成。

取R10=R11=1MΩ,C1=C2=10μF,则高通滤波器截止频率为

3 实验过程

学生首先进行文献查阅,对心电信号的特征及信号检测环境进行了解,明确对心电信号采集系统的功能及性能需求。然后,学习实验指导书提供的心电信号采集实现方案,学习实验指导书中电路的实现原理。根据系统功能需求,结合模拟电子技术基础相关理论知识,并可结合电路设计仿真软件,对前置放大模块、右腿驱动模块、滤波器模块进行设计。

学生设计完各模块之后,根据原理图在面包板或万用板上搭建实验电路。实验电路测试通过后,将所设计的模块与实验平台相连接,如图10所示,并在真实环境下通过专用电极采集人体表的心电信号。

当硬件电路成功采集到心电信号后,学生可利用myDAQ将采集到的心电信号输入LabVIEW,在LabVIEW中编写VI,进行心电信号的分析,也可将采集信号储存后供MATLAB等软件进行分析。

学生可以在LabVIEW中对采集到的心电图波形进行实时显示,并进行基线漂移去除、干扰信号滤除等操作,如图11所示。

学生可以从频域分析信号,寻找不同心电信号在频域的特征。图12所示即为QRS波群的傅里叶变换频谱。

4 结语

基于myDAQ的心电信号分析与处理综合实验,改进了传统信号分析与处理教学实践中存在的实验改进了传统信号分析与处理教学实践中存在的实验内容单一、理论与应用联系不紧密的缺陷。在确定内容单一、理论与应用联系不紧密的缺陷。在确定的硬件设计框架下,通过自行设计信号调理电路和的硬件设计框架下,通过自行设计信号调理电路和模拟滤波器,使学生直接参与信号获取和处理的实模拟滤波器,使学生直接参与信号获取和处理的实现过程,这种实验平台各模块设计的灵活性可激发现过程,这种实验平台各模块设计的灵活性可激发学生的创新思维,同时降低了实验的难度。学生可学生的创新思维,同时降低了实验的难度。学生可对获取的信号进一步进行数字化滤波或频谱分析与对获取的信号进一步进行数字化滤波或频谱分析与处理等操作,处理的方法具有可扩展性。同时专用实验平台的设计可使学生脱离实验室,配合笔记本电脑可以随时随地、更方便地进行实验。与传统实验设计相比,本实验中学生有更大发挥空间,并促使学生将所学知识与实际应用相结合。这种实验设计方式有利于学生综合能力的发展和创新能力的培养,并有助于学生解决实际问题能力的提高。

摘要：针对传统信号分析与处理实验以验证性实验为主,综合性实验不易开展的缺陷,提出基于myDAQ的心电信号分析与处理综合实验设计方案。学生设计部分实验电路,心电信号经实验电路调理后通过myDAQ进入计算机,由后续软件进一步处理。整个实验可在实验室以外的场所进行。实践证明,本方法更加灵活高效,在加深学生对理论理解的基础上,加强了学生的工程实践能力与创新能力的培养。

信号分析与处理实验报告 篇3

关键词:双语教学;信号分析与处理;课程改革

1.前言

双语教学和研究性教学是当前教育教学研究的热点之一。结合北京航空航天大学(简称北航)《信号分析与处理》双语课程的教学实践,重点探讨了如何把双语教学与研究性教学两者相结合,以利于充分发挥两者在课程教学中的优势,从而较大提高教学质量。

2001年8月,教育部在《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》中提出:“为适应经济全球化和科技革命的挑战,本科教育要创造条件使用英语等外语进行公共课和专业课教学。对高新技术领域的生物技术、信息技术等专业,更要先行一步,力争三年内,外语教学课程达到所开课程的5%～10%。”教育部本科教学评价方案中也规定,达到优秀标准的学校,双语教学的课程要占到8%以上。2004年2月21日,教育部高教司在其主办的高校双语教学工作研讨会上决定将双语教学开展情况作为高等学校状态数据十项指标之一。

所谓双语教学,即用非母语进行部分或全部非语言学科的教学,其实际内涵因国家、地区不同而存在差异。我国及不少亚洲国家和地区正在探索试验的双语教学,一般是指用英语进行学科教学的一种体系。因此,目前开始试验推广的双语教学的内涵也应属这一范畴。国际通行的一般意义的双语教育的基本要求是:在教育过程中,有计划、有系统地使用两种语言作为教学媒体,使学生在整体学识、两种语言能力以及这两种语言所代表的文化学习及成长上,均能达到顺利而自然的发展。在这里,第二种语言是教学的语言和手段而不是教学的内容或科目。

2.开展《信号分析与处理》双语教学的必要性

北航仪器科学与光电工程学院本科生核心课程《信号分析与处理》采用国外具有代表性和先进性的原版教材为参考书,并采用双语进行讲授、交流和阶段考核。通过双语教学,可使学生初步具备离开字典直接阅读专业英文版教材、外文期刊资料的能力;促使学生多渠道、特别是借助互联网,了解国外本专业最新的学术动态和各种学术观点,扩大学生的专业视野;有助于学生利用最新的外文资料进行学术研究。我们在进行双语教学探索的同时考虑以下三个因素:

(1)选择优秀的英文原著作为参考教材;

(2)培养一批高素质的任课教师,特别是具有一年以上较长期国外留学经历的青年教师;

(3)引导学生相互学习和自我学习。

世界各国的教学研究证明,双语教学能够使学生在学术视野,认知能力,口语表达能力,解决问题的能力,思维的抽象化和思考的全面性等方面优于其他同龄的非双语学习者,这种优势有助于他们更好地适应环境和更快地发展。

同时,国外的一些双语教育实践证明,双语教育能够比较省时、省力地培养学生的语言能力,尤其是第二语言的能力。例如,加拿大法语沉浸式双语教育课程的结果显示,那些以英语为母语参加课程的学生,通过七、八年的学校教育,其法语水平和以法语为母语的学生相差无几。同专门把法语作为一门第二语言而学习的英语为母语的学生相比,他们的法语水平远远超越后者。香港的一些国际学校的实践结果也可以对此佐证。教学语言对生成语言能力的促进作用由此可窥一斑。

我校教师可以从双语教学的过程中借鉴国外现代的教学理念、先进的教学方法和手段,更新教育思想,并与国际人才培养新体系相接轨,从而实现自身职业的永续发展。学校通过实施双语教学能够拥有一批同时具备语言和学科专业授课能力的优秀双语教师队伍,有效提高其国际竞争力。此外,使用双语授课还能够不断提高师资队伍的教学水平及学术水平,加速教材更新,起到促进学校专业建设和教学改革的作用。目前,我国教育正在逐步走向国际化。双语教学既有利于培养具备国际竞争力的本土人才,又能吸引更多的国际学生,进而有效地提高我国高等教育的国际竞争力。

3.开展《信号分析与处理》双语教学的方式

目前北航《信号分析与处理》课程开设在大三,因为大三学生的外语水平一般都已达到大学英语四、六级水平,而且对本专业的知识已经有了较为深刻的理解和认识,而大一、大二的学生英语水平还在提高阶段,对本专业知识的理解较为浮浅,大四的学生面临考研、找工作等现实压力。选择在大三学年针对《信号分析与处理》科目开展双语教学是最佳时期。因此,北航仪器科学与光电工程学院把本科三年级下学期的《信号分析与处理》课程作为双语教学和研究性教学的试点课程之一。另外,北航的大学英语开设在一、二年级,大三时学生普遍已有了较好的英语基础。双语教学可延续英语的学习,符合大学英语四年连续学习的指导方针,对英语的掌握可起到一定的促进和提高的作用。而且可在基础英语学习之后,将学生的英语学习兴趣转移到自己的专业上来。学生也基本上完成了专业基础课和专业主干课程的学习,具备了相应的专业基础知识,正是学生渴望探究科学原理过程的时候,此时进行研究性教学也是最佳时机。

北航的《信号分析与处理》双语教学的方式主要采用以下方式进行:

(1)渗透型双语教学

渗透型双语教学,是在正常教授《信号分析与处理》课程中适当穿插使用英语。这种方法主要在授课初期和本科教学时使用,因学生的英语水平有限,作为双语教学的过渡,教师在讲授中使用一些常规的英语课堂用语,或是用英语讲解一些名词术语,并辅以中文解说。

(2)穿插型双语教学

穿插型双语教学,交替使用中英文两种语言教授《信号分析与处理》。在讲授过程中,根据教材的难易和学生的接受能力,较难的部分以中文讲授为主,在学生理解专业知识的基础上适当用英文作为补充解释;在学生较易接受的部分,主要以英文讲授为主,适当加以汉语解释和说明。

4.《信号分析与处理》双语教学的结果分析

北航的《信号分析与处理》课程由具有丰富国外研究经历的教授和讲师担任任课教师。在授课过程中,任课教师首先介绍本节课的主要内容、重点难点,然后,再结合实例详细讲解每一个知识点。知识点讲授完后,进行提问或者给出若干思考题目供大家思考、讨论。国外教学模式和我国教学模式有着一定的区别,由于我们的学生是刚刚开始接触部分、全英文授课,需要根据学生和课程的特点,选择适合的教学模式和方法。

双语教学的目的在于提高学生利用英文获取新知识、新技能的能力,使学生通过广泛的英文阅读接触国际上本专业或相关领域最新的科技发展动态,因此,教师必须对专业发展现状有很好的把握,对专业发展前沿有深刻的了解。

在推行双语课的初期,选择双语课的学生可能会对期末考试有一定顾虑,由于我校初步探索双语教学的方式,我们认为以提高学生的综合素质为最终教学目的是必要的。因此,双语课的期末考试可以采用英汉并用的形式,每一道题既有英语形式又有汉语形式,而学生答题时既可以选择英语也可以选择汉语,这既解决了学生的语言障碍,又体现了双语教学。初期过后在对学生的双语学习评价方面,可以从技能考核和学科考试两方面进行。其中技能考核包括英语书写的听课、读书笔记、课前对话演讲、原版教材课外阅读和积累情况、实践能力等;对于学科考试,期末教师可制定开卷考试试题,可查看外文资料、字典等工具书,内容可有用英文解释名词、写出关键词、简答题等。这种开放性的考试方法和多元化的评价形式,再加上科学化的阅卷等手段加强了对学生学习过程的评价。

在课堂上,对于教师的提问学生要用英语作答。这样,一方面培养学生对专业内容用英语思维的能力,另一方面,教师也能够及时地了解学生的学习状况,不断地调整教学方法。在讲完每一节的内容之后布置相应的作业题,要求部分作业用英语作答。同时,要求学生善于学习教材上对问题描述的方式,将其应用到自己作业解答中去,进而提高英文写作的能力。

指定一些相关教材的内容让学生去阅读,写读书摘要。摘要不是对其中的内容简单地摘抄,而是用自己的语言(英语)进行简明扼要的复述。注重课堂总结和课后阅读相结合,譬如英文文献的翻译阅读,学会检索相关领域的文献。相信,随着计算机技术的迅猛发展和日益普及,双语教学的探索与实践可为工科大学生的毕业设计以及将来走向社会奠定较宽广的专业基础知识。

在条件容许的情况下,我们推荐学生做与他们所学专业相关的国际学术会议的志愿者,熟悉国际会议的组织程序,通过与参加国际会议的专家进行交谈,了解各专家的研究方向,了解与会议相关主题的发展动态,熟悉国际会议文章的一些写作特点,感受应用英语进行学术交流的氛围和乐趣。实践证明,通过上述形式多样的训练方式,学生的专业英语阅读能力、专业英语语言表达能力和专业知识水平在实践中逐步提高。为进入研究生阶段更好的快速融入科研生活做好充分的准备。

5.《信号分析与处理》双语教学的未来发展

我校的《信号分析与处理》双语教学正处于探索与实践的初期阶段,我们仍然面临以下几点问题:

(1)提高教师队伍的英语授课能力。我们的授课教师选择的是具有国外研究背景的教授和讲师,但是作为一名大学教师,需要进一步揣摩大学生的英语接受能力,了解18岁到22岁学生的英语基础。既要学生们能够学习《信号分析与处理》的学科知识,又可以进一步提高他们的英语综合水平。

(2)消除学生对双语教学的紧张情绪和厌烦心理。作为非母语的授课方式,绝大多数同学可能在初期会产生紧张情绪,或者是厌烦心理。我们的教学目的以《信号分析与处理》课程的教学内容和任务为主,英语学习能力的提高为辅。不过分强调英语考核,做到既能考察学生学习的情况,又能让大家不会为考试而学英语,从而避免把专业课的双语教学推向英语课的一边。

(3)选择双语教学中的听说读写中的重要性排序,目前以我们的教学结果分析来看,教学中阅读能力是很重要的环节,本科学生面临着继续深造和毕业工作的双重选择。研究生的自我学习能力中,很大一部分包含了英文材料的阅读和理解,这是研究型工作的基础部分。毕业工作的同学同样面临着要求从事研究、开发等工作,能够用英语熟练地检索、阅读、理解有关的理论、方法以及各种手册,并能用英语娴熟地撰写比较地道的学术论文、技术报告和文档。综上所述,我们在教学中以阅读能力的提高为首要工作任务。

6.结语

信号与系统实验报告总结 篇4

实验一常用信号的观察

方波：

正弦波：

三角波：

在观测中，虚拟示波器完全充当实际示波器的作用，在工作台上连接AD1为示波器的输入，输入方波、正弦波、三角波信号时，可在电脑上利用软件观测到相应的波形，其纵轴为幅值可通过设置实现幅值自动调节以观测到最佳大小的波形，其横轴为时间，宜可通过设置实现时间自动调节以观测到最佳宽度的波形。实验四非正弦周期信号的分解与合成

方波DC信号：

DC信号几乎没有，与理论相符合，原信号没有添加偏移。

方波基波信号：

基波信号为与原方波50Hz信号相对应的频率为50Hz的正弦波信号，是方波分解的一次谐波信号。

方波二次谐波信号:

二次谐波信号频率为100Hz为原方波信号频率的两倍，幅值较一次谐波较为减少。

方波三次谐波信号：

三次谐波信号频率为150Hz为原方波信号的三倍。幅值较一二次谐波大为减少。

方波四次谐波信号:

四次谐波信号的频率为200Hz为原方波信号的四倍。幅值较三次谐波再次减小。

方波五次谐波信号：

五次谐波频率为250Hz为原方波信号的五倍。幅值减少到0.3以内，几乎可以忽略。

综上可知：50Hz方波可以分解为DC信号、基波信号、二次、三次、四次、五次谐波信号…，无偏移时即无DC信号，DC信号幅值为0。分解出来的基波信号即一次谐波信号频率与原方波信号频率相同，幅值接近方波信号的幅值。二次谐波、三次谐波、四次谐波、五次谐波依次频率分别为原方波信号的二、三、四、五倍，且幅值依次衰减，直至五次谐波信号时几乎可以忽略。可知，方波信号可分解为多个谐波。方波基波加三次谐波信号：

基波叠加上三次谐波信号时，幅值与方波信号接近，形状还有一定差异，但已基本可以看出叠加后逼近了方波信号。

方波基波加三次谐波信号加五次谐波信号：

基波信号、三次谐波信号、五次谐波信号叠加以后，比基波信号、三次谐波信号叠加后的波形更加接近方波信号。

综上所述：方波分解出来的各次谐波以及DC信号，叠加起来以后会逼近方波信号，且叠加的信号越多，越是接近方波信号。说明，方波信号可有多个谐波合成。

三角波DC信号：

三角波基波信号：

三角波二次谐波信号：

三角波三次谐波信号：

三角波四次谐波信号：

三角波五次谐波信号：

三角波基波加三次谐波信号：

三角波基波加三次谐波加五次谐波信号：

三角波信号的分析与方波信号的分析基本一致，可以看出三角波也可以分解为多个谐波，并且相应的多个多次谐波可以合成三角波信号，且参与合成的波形越多，合成波越是逼近三角波信号。

综合两个波形来看，可知任何周期性函数均可分解为相应的傅里叶展开式里所包含的直流分量和各次谐波项。且任何周期性函数均可由锁对应的直流分量和各次谐波项所合成，参与合成的信号越多，结果越逼近周期性函数的图形。

实验思考题

1．什么样的周期性函数没有直流分量和余弦项；

答：无偏移的周期性函数没有直流分量，当周期性函数为奇函数时没有直流分量和余弦项。

2．分析理论合成的波形与实验观测到的合成波形之间误差产生的原因。

答：理论合成的波形不能把所有无限个谐波合成起来，故必然产生误差，且实验设备、实验方法也存在一定的误差。

实验二 零输入、零状态级完全响应

零输入响应下降沿采样：

零输入响应上升沿采样：

《信号分析与处理》教案 篇5

课程名称 ：信号分析与处理

本章节授课内容：绪论（信号概述）

教学日期 授课教师姓名：李歧强

职称：教授

授课对象：自动化09级

授课时数：3 教材名称及版本：信号分析与处理

杨西侠、柯晶编著

授课方式（讲课√

实验

实习

设计）

本单元或章节的教学目的与要求

本章主要介绍有关信号的基本概念 —— 信号、信号的分类，并介绍信号分析和信号处理的相关知识。

要求学生掌握信号、信息的概念及其相关之间的关系，理解信号分析和信号处理的概念。

授课主要内容及学时分配（2学时）

1．1 信号 1．2 信号的分类 1．3 信号分析与处理

辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）多媒体课件

主要外语词汇

signal, periodic signal, nonperiodic signal, digital signal, analog signal, signal process

参考教材（资料）

1.周浩敏．信号处理技术基础．北京：航空航天大学出版社，2001

2.郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统（第二版）．北京：高等教育出版社，2000 3．Oppenheim A V, Willsky A S with Nawab S H.Signals and Systems(Second Edition).Prentic Hall,1999（清华大学出版社影印本）

4．Orfanidis S.J.Introduction to Signal Processing.Prentic Hall International,Inc,1996（清华大学出版社影印本）

5．陈行禄，秦永年．信号分析与处理．北京：航空航天大学出版社，1992 6．徐守时．信号与系统理论、方法和应用．合肥：中国科技大学出版社，1999

山东大学授课教案

课程名称 ：信号分析与处理

本章节授课内容：模拟信号的频谱分析

教学日期 授课教师姓名：李歧强

职称：教授

授课对象：自动化09级

授课时数：12 教材名称及版本：信号分析与处理

杨西侠、柯晶编著

授课方式（讲课√

实验

实习

设计）

本单元或章节的教学目的与要求

模拟信号分析是信号分析的基本内容之一，也是本课程的最基础部分。通过对模拟信号的频谱分析，掌握信号频谱的概念以及周期信号，非周期信号和抽样信号频谱特点，为离散信号的分析打下良好的基础。

要求学生掌握周期信号，非周期信号和抽样信号频谱分析方法，理解与掌握周期信号，非周期信号和抽样信号频谱特点。

授课主要内容及学时分配（12学时）

（2学时）2．1 连续时间信号的时域分析

（4学时）2．2 周期信号的频谱分析——傅里叶级数（4学时）2．3 非周期信号的频谱分析——傅里叶变换（2学时）2．4 抽样信号的傅里叶变换

重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）

1）掌握与理解频谱的基本概念。

2）掌握周期信号的频谱分析方法以及特点。（重点、难点）3）掌握非周期信号的频谱分析方法以及特点。（重点、难点）4）了解周期信号傅里叶级数和傅里叶变换的联系与区别。5）掌握抽样信号的傅里叶变换。

主要外语词汇

signal, periodic signal, nonperiodic signal, digital signal, analog signal, step signal, impulse signal, sine signal, cosine signal, rectangular pulse signal, complex exponential signal, Fourier analysis, Fourier transform, Fourier series, Fourier coefficient, spectrum density, amplitude spectrum, phase spectrum, complex spectrum.辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）多媒体课件

复习思考题

2-1 2-2 2-3 2-4 2-5

2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18

参考教材（资料）

1.周浩敏．信号处理技术基础．北京：航空航天大学出版社，2001

2.郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统（第二版）．北京：高等教育出版社，2000 3．Oppenheim A V, Willsky A S with Nawab S H.Signals and Systems(Second Edition).Prentic Hall,1999（清华大学出版社影印本）

4．Orfanidis S.J.Introduction to Signal Processing.Prentic Hall International,Inc,1996（清华大学出版社影印本）

5．陈行禄，秦永年．信号分析与处理．北京：航空航天大学出版社，1992 6．徐守时．信号与系统理论、方法和应用．合肥：中国科技大学出版社，1999

山东大学授课教案

课程名称 ：信号与系统

本章节授课内容：离散信号分析

教学日期 授课教师姓名：李歧强

职称：教授

授课对象：自动化09级

授课时数：10 教材名称及版本：信号分析与处理

杨西侠、柯晶编著

授课方式（讲课√

实验

实习

设计）

本单元或章节的教学目的与要求

离散信号分析是数字信号处理的基本内容之一，也是本课程的重点。通过对信号的频谱分析，掌握信号特征，以便对信号作进一步处理，达到提取有用信号的目的。

要求学生掌握离散信号分析方法，注重DTFT，DFS，DFT的基本概念，以及它们的区别与联系，熟悉FFT算法原理。

授课主要内容及学时分配（10学时）

（1学时）3．1 离散时间信号——序列（1学时）3．2 序列的z变换（1学时）3．3 序列的傅里叶变换（1学时）3．4 离散傅里叶级数（DFS）（2学时）3．5 离散傅里叶变换（DFT）（2学时）3．6 快速傅里叶变换（FFT）（2学时）3．7 离散傅里叶变换的应用

重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）

1）掌握与熟悉DTFT，DFS，DFT的基本概念。（重点）2）掌握DTFT，DFS，DFT的区别与联系。（重点、难点）3）熟悉FFT算法原理，正确绘制FFT运算蝶形图。4）了解DFT的应用。

主要外语词汇

discrete time signal, sequence, discrete time Fourier transform, discrete Fourier transform, discrete Fourier series, principal value sequence, convolution sum, bit-reversal, butterfly flow graph

辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）多媒体课件

复习思考题

3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13 3-14 3-15 3-16 3-17 3-18

参考教材（资料）

1.周浩敏．信号处理技术基础．北京：航空航天大学出版社，2001

2.郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统（第二版）．北京：高等教育出版社，2000 3．Oppenheim A V, Willsky A S with Nawab S H.Signals and Systems(Second Edition).Prentic Hall,1999（清华大学出版社影印本）

4．Orfanidis S.J.Introduction to Signal Processing.Prentic Hall International,Inc,1996（清华大学出版社影印本）

5．陈行禄，秦永年．信号分析与处理．北京：航空航天大学出版社，1992 6．程佩青．数字信号处理教程（第二版）．北京：清华大学出版社，2001 7．陈怀琛．数字信号处理教程——MATLAB释义现实现．北京：电子工业出版社，2004

山东大学授课教案

课程名称 ：信号与系统

本章节授课内容：模拟滤波器的设计

教学日期 授课教师姓名：李歧强

职称：教授

授课对象：自动化09级

授课时数：6 教材名称及版本：信号分析与处理

杨西侠、柯晶编著

授课方式（讲课√

实验

实习

设计）

本单元或章节的教学目的与要求

信号处理中最广泛的应用是滤波。数字滤波器的设计是数字信号处理中最基本的技术之一。但是某些数字滤波器实质上是对模拟滤波器的模仿。通过本章的学习，了解模拟滤波器的基本概念和设计原理，为数字滤波器的学习打下基础。

要求学生掌握与理解模拟滤波器的基本概念及设计方法，掌握Butterworth 和Chebyshev模拟滤波器的设计。

授课主要内容及学时分配（6学时）

（2学时）

4．1 模拟滤波器的基本概念及设计方法（4学时）

4．2 模拟滤波器的设计

重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）

1）掌握与理解模拟滤波器的基本概念及设计方法。（重点）

2）掌握Butterworth 和Chebyshev模拟滤波器的设计。（重点、难点）3）了解频率变换法设计高通、带通和带阻滤波器的方法。

主要外语词汇

filter, Butterworth approximation, Chebyshev approximation , ideal low-pass filter, system function.辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）多媒体课件

复习思考题 4-1 4-2 4-3 4-4

参考教材（资料）

1.周浩敏．信号处理技术基础．北京：航空航天大学出版社，2001 2．郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统．北京：高等教育出版社，2000 3．Oppenheim A V, Willsky A S with Nawab S H.Signals and Systems(Second Edition).Prentic Hall,1999（清华大学出版社影印本）

4．Orfanidis S.J.Introduction to Signal Processing.Prentic Hall International,Inc,1996（清华大学出版社影印本）

5．陈行禄，秦永年．信号分析与处理．北京：航空航天大学出版社，1992 6．程佩青．数字信号处理教程（第二版）．北京：清华大学出版社，2001 7．陈怀琛．数字信号处理教程——MATLAB释义现实现．北京：电子工业出版社，2004

山东大学授课教案

课程名称 ：信号与系统

本章节授课内容：数字滤波器的设计

教学日期 授课教师姓名：李歧强

职称：教授

授课对象：自动化09级

授课时数：10 教材名称及版本：信号分析与处理

杨西侠、柯晶编著

授课方式（讲课√

实验

实习

设计）

本单元或章节的教学目的与要求

数字滤波器是数字信号处理中最重要的基本内容之一，通过本章的学习，了解数字滤波器的基本概念并掌握IIR和FIR的原理及设计方法。

授课主要内容及学时分配（10学时）

（1学时）5．1 基本概念

（3学时）5．2 IIR数字滤波器设计

（4学时）5．3 FIR数字滤波1 基本概念器设计（2学时）5．4数字滤波器的2 IIR数字滤波实现 3 FIR数字滤波

重点、难点及对学生的要求（掌握4数字滤波器的、熟悉、了解、自学）

1）掌握与理解数字滤波器的基本概念及设计方法。（重点）2）掌握IIR 和FIR模拟滤波器的设计。（重点、难点）3）了解数字滤波器的实现。

主要外语词汇

digital filter, impulse invariance, bilinear transformation, window function, finite impulse response(FIR), infinite impulse response(IIR), recursive digital filter, nonrecursive digital filter.辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）多媒体课件

复习思考题

5-1 5-2

5-3

5-4

5-5

5-6

5-7 5-8 5-9 5-10 5-11

参考教材（资料）

1.周浩敏．信号处理技术基础．北京：航空航天大学出版社，2001 2．郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统．北京：高等教育出版社，2000 3．Oppenheim A V, Willsky A S with Nawab S H.Signals and Systems(Second Edition).Prentic Hall,1999（清华大学出版社影印本）

4．Orfanidis S.J.Introduction to Signal Processing.Prentic Hall International,Inc,1996（清华大学出版社影印本）

数字信号处理实验-FFT的实现 篇6

验

报

告

学生姓名：

学 号：

指导教师：

一、实验室名称：数字信号处理实验室

二、实验项目名称：FFT的实现

三、实验原理：

一．FFT算法思想：

1．DFT的定义：

对于有限长离散数字信号{x[n]}，0  n  N-1，其离散谱{x[k]}可以由离散付氏变换（DFT）求得。DFT的定义为：

N1X[k]通常令ej2Nx[n]en0j2Nnk，k=0,1,…N-1 WN，称为旋转因子。

2．直接计算DFT的问题及FFT的基本思想：

由DFT的定义可以看出，在x[n]为复数序列的情况下，完全直接运算N点DFT需要（N-1）2次复数乘法和N（N-1）次加法。因此，对于一些相当大的N值（如1024）来说，直接计算它的DFT所作的计算量是很大的。

FFT的基本思想在于，将原有的N点序列分成两个较短的序列，这些序列的DFT可以很简单的组合起来得到原序列的DFT。例如，若N为偶数，将原有的N

22点序列分成两个（N/2）点序列，那么计算N点DFT将只需要约[(N/2)·2]=N/2次复数乘法。即比直接计算少作一半乘法。因子（N/2）2表示直接计算（N/2）点DFT所需要的乘法次数，而乘数2代表必须完成两个DFT。上述处理方法可以反复使用，即（N/2）点的DFT计算也可以化成两个（N/4）点的DFT（假定N/2为偶数），从而又少作一半的乘法。这样一级一级的划分下去一直到最后就划分成两点的FFT运算的情况。

3．基2按时间抽取（DIT）的FFT算法思想：

设序列长度为N2L，L为整数（如果序列长度不满足此条件，通过在后面补零让其满足）。

将长度为N2L的序列x[n](n0,1,...,N1)，先按n的奇偶分成两组：

x[2r]x1[r]x[2r1]x2[r]，r=0,1,…,N/2-1 DFT化为：

N1N/21N/21X[k]DFT{x[n]}N/21n0x[n]WnkN2rkr0x[2r]W2rkNr0x[2r1]WN(2r1)kN/21r0N/21x1[r]Wx1[r]W2rkNWWkNr0N/21x2[r]WN

r0rkN/2kNr0x2[r]WN/22rkrk上式中利用了旋转因子的可约性，即：WNN/21NrkN/21rkWN/2。又令

rkX1[k]r0x[1r]W,/X2[k]2r0x[r]WN2，则上式可以写成： /2X[k]X1[k]WNX2[k](k=0,1,…,N/2-1)

k可以看出，X1[k],X2[k]分别为从X[k]中取出的N/2点偶数点和奇数点序列的N/2点DFT值，所以，一个N点序列的DFT可以用两个N/2点序列的DFT组合而成。但是，从上式可以看出，这样的组合仅表示出了X[k]前N/2点的DFT值，还需要继续利用X1[k],X2[k]表示X[k]的后半段本算法推导才完整。利用旋转因子的周期性，有：WN/2WN/2X1[N2N/21rkr(kN/2)，则后半段的DFT值表达式：

rkk]r0x1[r]W2N/2r(Nk)N/21r0x1[r]WN/2X1[k]，同样，X2[N2k]X2[k]

（k=0,1,…,N/2-1），所以后半段（k=N/2,…,N-1）的DFT值可以用前半段k值表达式获得，中间还利用到WN(N2k)NWN2Wk得到后半段的X[k]值表达式W，k为：X[k]X1[k]WNkX2[k]（k=0,1,…,N/2-1）。

这样，通过计算两个N/2点序列x1[n],x2[n]的N/2点DFTX1[k],X2[k]，可以组合得到N点序列的DFT值X[k]，其组合过程如下图所示：

X1[k] X1[k]WNkX2[k]

X2[k] WNnk-1 X1[k]WNkX2[k]

比如，一个N = 8点的FFT运算按照这种方法来计算FFT可以用下面的流程图来表示：

x(0)W0x(1)W0x(2)W0x(3)W2W0W1W0x(5)W0x(6)W0x(7)W2X(7)W3X(6)W2X(5)X(3)X(2)X(1)X(0)x(4)X(4)

4．基2按频率抽取（DIF）的FFT算法思想：

设序列长度为N2L，L为整数（如果序列长度不满足此条件，通过在后面补零让其满足）。

在把X[k]按k的奇偶分组之前，把输入按n的顺序分成前后两半：

N1N/21nkNN1X[k]DFT{x[n]}N/21N/21x[n]Wn0(nn0N2)kx[n]WnkNnN/2x[n]WNnkn0N/21x[n]WnkNn0x[nNkN2]WNnk

Nn0[x[n]x[nN2NkN2]W2N]WN,k0,1,...,N1因为W2N1，则有WX[k](1)，所以：

kkN/21n0[x[n](1)x[nN2]]WN,k0,1,...,N1

nk按k的奇偶来讨论，k为偶数时：

N/21X[2r]n0[x[n]x[nN2]]WN,k0,1,...,N1 N22rnN/21k为奇数时：X[2r1]前面已经推导过WNN/21n0[x[n]x[n]]WN(2r1)n,k0,1,...,N1

2rkWN/2，所以上面的两个等式可以写为：

N2]]WN/2,r0,1,...,N/21 N2rnrkX[2r]n0[x[n]x[nN/21X[2r1]n0{[x[n]x[n]]WN}WN/2,r0,1,...,N/21

nnr通过上面的推导，X[k]的偶数点值X[2r]和奇数点值X[2r1]分别可以由组合而成的N/2点的序列来求得，其中偶数点值X[2r]为输入x[n]的前半段和后半段之和序列的N/2点DFT值，奇数点值X[2r1]为输入x[n]的前半段和后半段之差再与WN相乘序列的N/2点DFT值。

令x1[n]x[n]x[nN/21nN2]，x2[n][x[n]x[nN/21N2]]WN，则有：

nX[2r]n0x1[n]WrnN/2,X[2r1]n0x2[n]WrnN/2,r0,1,...,N21

这样，也可以用两个N/2点DFT来组合成一个N点DFT，组合过程如下图所示：

x[n] x[n]x[nN2]

x[nN2]-1 WNn [x[n]x[nN2]]WNn

二．在FFT计算中使用到的MATLAB命令：

函数fft(x)可以计算R点序列的R点DFT值；而fft(x,N)则计算R点序列的N点DFT，若R>N，则直接截取R点DFT的前N点，若R

四、实验目的：

离散傅氏变换（DFT）的目的是把信号由时域变换到频域，从而可以在频域分析处理信息，得到的结果再由逆DFT变换到时域。FFT是DFT的一种快速算法。在数字信号处理系统中，FFT作为一个非常重要的工具经常使用，甚至成为DSP运算能力的一个考核因素。

本实验通过直接计算DFT，利用FFT算法思想计算DFT，以及使用MATLAB函数中的FFT命令计算离散时间信号的频谱，以加深对离散信号的DFT变换及FFT算法的理解。

五、实验内容：

a)计算实数序列x(n)cos516n,0n256的256点DFT。

b)计算周期为1kHz的方波序列（占空比为50％，幅度取为＋/-512，采样频率为25kHz，取256点长度）256点DFT。

六、实验器材（设备、元器件）：

安装MATLAB软件的PC机一台，DSP实验演示系统一套。

七、实验步骤：

（1）先利用DFT定义式，编程直接计算2个要求序列的DFT值。

（2）利用MATLAB中提供的FFT函数，计算2个要求序列的DFT值。（3）(拓展要求)不改变序列的点数，仅改变DFT计算点数（如变为计算1024点DFT值），观察画出来的频谱与前面频谱的差别，并解释这种差别。通过这一步骤的分析，理解频谱分辨力的概念，解释如何提高频谱分辨力。

（4）利用FFT的基本思想（基2－DIT或基2－DIF），自己编写FFT计算函数，并用该函数计算要求序列的DFT值。并对前面3个结果进行对比。

（5）(拓展要求)尝试对其他快速傅立叶变换算法（如Goertzel算法）进行MATLAB编程实现，并用它来计算要求的序列的DFT值。并与前面的结果进行对比。

（6）（拓展要求）在提供的DSP实验板上演示要求的2种序列的FFT算法（基2－DIT），用示波器观察实际计算出来的频谱结果，并与理论结果对比。

八、实验数据及结果分析：

程序：（1）对要求的2种序列直接进行DFT计算的程序

（2）对要求的2种序列进行基2－DIT和基2－DIF FFT算法程序（3）对要求的2种序列用MATLAB中提供的FFT函数进行计算的程序

结果：（1）对2种要求的序列直接进行DFT计算的频域波形

（2）对2种要求的序列进行基2－DIT和基2－DIF FFT算法频域波形（3）对2种要求的序列用MATLAB中提供的FFT函数计算的频域波形。（4）（拓展要求）分析利用上面的方法画出的信号频谱与理论计算出来的频谱之间的差异，并解释这种差异。

（5）（拓展要求）保持序列点数不变，改变DFT计算点数（变为1024点），观察频谱的变化，并分析这种变化，由此讨论如何提高频谱分辨力的问题。

九、实验结论：

十、总结及心得体会：

信号分析与处理实验报告 篇7

语音信号处理[1,2,3,4,5]是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科, 是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一,也是信息高速公路、多媒体技术、办公自动化、现代通信等新兴领域应用的核心技术之一。用数字化的方法进行语音的传送、存储、分析、识别、合成、增强等是整个数字化通信网和通信设备中的最 重要和最基本的组成部分之一。

目前,语音信号处理是各高校信息类专业中一门必修的专业课程,主要内容为语音信号处理的基础知识以及语音信号的各种分析和处理技术,包括时域及频域处理、同态处理、线性预测分析、矢量量化、隐马尔可夫模型技术、语音检测分析等;语音信号处理的各种应用,包括波形编码、参数编码、语音合成、语音识别、说话人识别及语音增强等。

语音信号处理算法的运算量很大,而且要满足实时的快速高效处理要求。最新的嵌入式系统和嵌入式芯片技术的发展,为语音信号的处理提供了优质可靠的平台。另外,嵌入式操作系统[6,7,8,9,10,11,12,13,14]软件编程的灵活性为各种不同的应用实现提供了方便,利用嵌入式系统硬件平台和嵌入式应用软件实现实时语音信号处理的各种功能已成为一种趋势[5]。为了满足高等院校培养本科生和研究生教学需要以及科研开发人员进行语音信号处理实验和开发的需要, 本文对语音信号处理嵌入式实验平台进行了研究和开发,提出了一种新的基于高端嵌入式系统的语音信号处理教学平台。

本项目所提出的语音信号处理嵌入式教学实验平台采用双路/多路麦克风进行语音信号实时采集, 采用高性能的Cortex-A8微处理器[7,8]实现语音处理算法,采用的嵌入式操作系统为uCLinux系统[13]和Android系统[14],可对用户开放二次编程接口, 可满足高等院校本科生、研究生及科研开发人员进行语音信号处理实验和开发的需要。

1语音信号处理嵌入式教学实验平台的总 体设计

本项目所开发的语音信号处理嵌入式教学实验平台主要可完成如下功能:

(1)多路语音信号的采集、预处理、模拟/数字 (A/D)转换、立体声播放和输出。

(2)提供数字语音处理各类算法(语音编解码、语音增强、语音识别、说话人识别、语言识别、语音合成、生源定位等)的实时实验。

(3)提供语音信号处理实时应用系统综合性实验。

(4)开放二次编程接口,提供开发示例源代码, 可进行二次开发。

语音信号处理嵌入式教学实验平台的总体设计框图如图1所示。首先,多路麦克风采集语音信号,采集到的语音信号经预处理后,通过多路24位A/D转换模块 获得数字 语音信号,然后采用CortexA8微处理器对获得的多路数字语音信号进行编码、增强、合成、压缩、识别以及声源定位等语音信号算法处理,通过电容触摸屏和键盘以及个人计算机与CortexA8微处理器的接口可实现上述语音信 号算法处 理的编程 和二次开 发。最后,经CortexA8微处理器处理过的数字语音信号经立体声D/A转换模块转换成连续语音信号,并通过扬声器输出。

图1中各模块的主要硬件设备如下。

(1)麦克风:一路驻极体麦克风/耳机接口用于常规语音信号采集、处理和回放实验,四路硅微麦克风阵列用于声源定位、语音增强等实验。

(2)A/D转换模块:不使用编解码芯片(CO- DEC),采用CS5368高速八路音频A/D转换器。

(3)D/A转换模块:采用CS4382芯片将串行数字信号转换成八路音频模拟信号。

(4)Cortex-A8微处理器模块:采用Samsung公司出品的被业界广泛使用的S5PV210微处理器。

(5)用户交互接口。

(6)7寸电容触摸屏和板载键盘。

(7)计算机接口:UART串口、I2S音频接口以及其他接口。

(8)立体声D/A转换模块:CS4382八声道D/ A转换芯片。

(9)扬声器:高保真(Hi-Fi)扬声器。

2语音信号处理嵌入式教学实验平台的实 验功能列表

本研究所开发的语音信号处理嵌入式教学实验平台主要可完成如下功能:

(1)多路语音信号的采集、预处理、A/D转换、立体声播放和输出。

(2)提供数字语音处理各类算法(语音编解码、语音增强、语音识别、说话人识别、语言识别、语音合成、生源定位等)的实时实验。

(3)提供语音信号处理实时应用系统综合性实验。

(4)开放二次编程接口,提供开发示例源代码, 可进行二次开发。

本教学实验平台可以开设实验如下:

(1)实时语音采集、语音波形显示、采样率变换等语音信号采集回放基础实验。

(2)FFT、语谱图、基因周期分析、共振峰检测等语音信号参数分析实验。

(3)语音编码、说话人识别、语言识别、声调检测、语种检测等高级语音信号处理实验。

(4)语音识别—合成—补偿数字助听系统综合实验。

表1列出了语音信号处理嵌入式教学实验平台可以开设的部分实验列表。

3语音信号处理嵌入式教学实验平台的部 分电路

3.1音频调理电路

NE5532是高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路。与很多标准运放相似,但它具有更好的噪声性能、优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽、电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通 道放大器。采用NE5532作音频放大时音色温暖, 保真度高。

3.2音频采集电路

系统采用CS5368进行4路语音信号的采集。CS5368是业界第一个支持高速TDM接口的8轨音频A/D转换器,它可在单 数据流内 提供高达192kHz采样率的8轨数据串行输出。这种能力降低了设计难度和数字信号处理器的输入/输出限制。此外,CS5368芯片的低延迟数字滤波特性,也使其成为现场声效和实时音频应用的最佳选择。

3.3Cortex-A8核心处理器

系统选用Cortex-A8处理器作为系统的主控芯片。Cortex-A8处理器是ARM的第一款超标量处理器,具有提高代码密度和性能的技术,用于多媒体和信号处理的NEONTM技术[15],以及高效地支持预编译和即时编译Java及其他字节码语言;运行时间编译目标(RCT)技术。Cortex-A8强大的数据处理能力是音频系统实时工作的保证。

4语音信号处理嵌入式教学实验平台的部 分预处理算法

系统背景噪声的影响,在很大程度上增加了语音处理的难度。我们开发的语音信号处理嵌入式教学实验平台利用对于传统的谱相减(SS)降噪声技术[16]和倒谱均值规整(CMN)降噪声技术[17]的修改以及一种简单实用的LPC美尔倒谱系数求取算法, 实现了高性能低成本的语音信号预处理功能。

4.1具有输入幅值谱自适应的SS方法

利用SS法进行降噪处理仍然是当今主要的降低环境噪声的方法。设对于第t帧幅值谱的第i元素,噪声下的语音功率是yi(t)2,推定的噪声功率是ni - 2,除噪后语音的功率是si -(t)2,则传统的SS法如式(1)所示。

由于传统的SS方法考虑噪声为平稳噪声,所以对于整个语音段,噪声功率以及权系数α一般取相同的值。而实际环境下的噪声,例如展览会中的展示隔间内的噪声是非平稳噪声,所以用相同的噪声功率值是不确切的。同样,传统的SS方法用相同的权值α,有可能发生减除过度或过少的问题,使得有的区段要么噪声消除不够,要么减除过多产生si -(t)2失真。为此,本文对传统的SS方法进行了如下修改。首先,对于噪声功率估计,采用如下(2) 式,在整个区域用语音以外的输入帧功率xi(t)2, 对噪声功率进行逐帧逐次更新。

其次,让权值α和输入语音功率相适应,按如下 (3)式随输入语音功率谱值改变。以避免产生减除过多或过少的问题。式中θ1和θ2为门限阈值,C1 和C2为常数。

4.2基于 MAP的CMN方法

对于由输入和传输电路系统引起的乘法性噪声,利用CMN方法可以得到比较好的抑制效果。设对于第t帧倒谱的第i元素,噪声下的语音倒谱是Ci(t)、除噪后语 音的倒谱 是C i(t),则传统的CMN法如(4)式所示。

式中C为整个输入语句的倒谱平均值。这种长时CMN方法存在两个问题,一是由于输入语句中音素的出现频度会改变C的大小,直接影响规整的效果。二是必须到终点为止计算完成以后,才能算出C,影响了实时性。为此,我们仿照HMM参数的最大后验概率(MAP)学习算法[17],利用MAP算法来提高计算C的精度,公式如(5)式所示。

MAP算法是渐进自适应方式,样本是逐个输入的。式中γ是自适应训练系数,可由实验确定。Ci0是表示先验分布的初始估计值,可由学习数据确定。

4.3LPC美尔倒谱系数特征参数提取

特征参数提取是模式识别的关键问题,因为特征参数的好坏对于语音识别精度有很大影响。我们根据人的听觉特性把常用的识别参数LPC倒谱系数(LPCC)进一步按 符合人的 听觉特性 的美尔 (MEL)尺度进行非线性变换[17],求出如下所示的LPC美尔倒谱系数(LPCMCC)。

这里,CK表示倒谱系数,MCk表示美尔倒谱系数,当n>order时MCk(n)=0,并且当抽样频率为8kHz时,α取0.31。

5结束语

本文介绍了一种比较完备的语音信号处理嵌入式教学实验平台,已在实验室通过验证,它可满足高等院校本科生、研究生及科研开发人员进行语音信号处理实验和开发的需要。

摘要：本文介绍了一种语音信号处理嵌入式教学实验平台,该系统可采用多路麦克风进行语音信号实时采集,并通过高性能的Cortex-A8微处理器实现语音处理各种核心算法。该教学平台采用uCLinux嵌入式操作系统和Android系统结合,可对用户开放二次编程接口。作为语音信号处理教学的实验平台,也可以作为语音信号处理应用项目的开发平台。

实验数据的处理与分析 篇8

1. 实验数据筛选与处理

对实验数据筛选的一般方法和思路为“五看”：

一看数据是否符合测量仪器的精度特点，如托盘天平测得的质量的精度为0.1 g，若精度值超过了这个范围，说明所得数据是无效的；

二看数据是否在误差允许范围内，若所得的数据明显超出误差允许范围，要舍去；

三看反应是否完全，是否是过量反应物作用下所得的数据，只有完全反应时所得的数据，才能进行有效处理和应用；

四看所得数据的测试环境是否一致，特别是气体体积数据，只有在温度、压强一致的情况下才能进行比较、运算；

五看数据测量过程是否规范、合理，错误和违反测量规则的数据需要舍去。

例1 对硝基甲苯是医药、染料等工业的一种重要有机中间体，它常以浓硝酸为硝化剂，浓硫酸为催化剂，通过甲苯的硝化反应制备。

[CH3] [CH3] [CH3] [CH3][NO2][NO2][NO2] [+][+][硝化]

一种新的制备对硝基甲苯的实验方法是：以发烟硝酸为硝化剂，固体NaHSO4为催化剂(可循环使用)，在CCl4溶液中加入乙酸酐(有脱水作用), 45℃时反应1 h。反应结束后，过滤，滤液分别用5%NaHCO3溶液、水洗至中性，再经分离提纯得到对硝基甲苯。

（1）上述实验中过滤的目的是 。

（2）滤液在分液漏斗中洗涤静置后，有机层处于 层(填“上”或“下”)，放液时，若发现液体流不下来，其可能原因除分液漏斗活塞堵塞外，还有 。

（3）下表给出了催化剂种类及用量对甲苯硝化反应影响的实验结果。

[催

化

&]

①NaHSO4催化制备对硝基甲苯时，催化剂与甲苯的最佳物质的量之比为 ；

②与浓硫酸催化甲苯硝化相比，NaHSO4催化甲苯硝化的优点有 。

解析 本题主要考查的是物质的性质和制备，同时考查了数据的处理与分析能力，能够迅速在表中提取到有用信息，利用信息解决有关问题。(1)NaHSO4在该反应中作为催化剂，因此反应后过滤的目的是为了回收NaHSO4。(2)该反应是以CCl4作为有机溶剂，CCl4的密度比水大，故有机层在下层；分液漏斗里的液体放不下来，除了分液漏斗堵塞，还有可能是分液漏斗上口活塞未打开。(3)①从题给数据分析，当催化剂与甲苯的比例为0.32时，总产率最高且对硝基甲苯的含量最高；②用NaHSO4作催化剂的优点是在硝化物中对硝基甲苯的比例提高，同时催化剂用量少且能循环使用。

答案 （1）回收NaHSO4 （2）下 分液漏斗上口塞子未打开 （3）①0.32 ②在硝化产物中对硝基甲苯比例提高 催化剂用量少且能循环使用

2. 实验数据综合分析

如何用好、选好数据，是解决这类试题的关键所在。解决这类试题的一般方法为：比较数据，转变物质，分析利弊，确定方案。

a. 对数据进行比较是解决问题的突破口，注意比较数据的交点与重合区。

b. 转变物质则是实现实验目标的重要途径，在一些物质提纯与制备的问题中，往往会提供一些物质沉淀的pH范围、物质的沸点、密度、溶解性等呈现物质的物理性质的数据。在许多情况下，一些物质的相关数据是重叠的，且不利于问题的解决，一般可通过转变物质来解决(如CH3COOH与CH3CH2OH的沸点很接近，要分离两者的混合物，可以通过将CH3COOH转变为CH3COONa的方法，扩大其与CH3CH2OH沸点上的差异，然后通过蒸馏的方法进行分离)。

c. 在实际生产、生活中，除了涉及是否能够通过相应反应来实现实验目标外，还涉及经济效益的问题，在原理、环保等没有大的差异时，选择廉价原料完成相应的实验就成为首选。

例2 “卤块”的主要成分为MgCl2(含Fe2＋、Fe3＋、Mn2＋等杂质离子)，若以它为原料，按如下工艺流程图，即可制得“轻质氧化镁”。如果要求产品尽量不含杂质离子，而且成本较低，流程中所用试剂或pH控制可参考附表确定。

[物质&开始沉淀&沉淀完全&Fe(OH)3&2.7&3.7&Fe(OH)2&7.6&9.6&Mn(OH)2&8.3&9.8&Mg(OH)2&9.6&11.1&]

注：Fe2＋氢氧化物呈絮状，不易从溶液中除去，所以常将它氧化成为Fe3＋，生成Fe(OH)3沉淀而去除之。请填写以下空白：

（1）在步骤②加入试剂X，最佳选择应是 ，其作用是 ；

（2）在步骤③加入的试剂Y应是 ，之所以要控制pH＝9.8，其目的是 ；

（3）在步骤⑤时发生的化学反应方程式是 。

解析 从表1可以看出，加入烧碱控制pH=9.8时，即可除去Fe2＋、Fe3＋、Mn2＋，此时Mg2＋也会因生成部分Mg(OH)2而进入沉淀中，但因卤块价格低，损失不大，这样做可以保证产品的纯度。将Fe2＋氧化成Fe3＋，可采用漂白液或H2O2，从价格上看，前者比后者便宜得多，故应选漂白液。

氯化镁制成氧化镁有两条路线：

烧碱路线：MgCl2[+NaOH]Mg(OH)2[灼烧]MgO

纯碱路线：MgCl2[+Na2CO3]MgCO3[灼烧]MgO

烧碱路线不可取，因为烧碱比纯碱的价格高，生成的中间产物Mg(OH)2是胶状沉淀，会造成过滤困难。纯碱价格低，生成的中间产物MgCO3呈粗颗粒状，易过滤，它在水中经一定时间加热后会有一部分水解，生成CO2。CO2的产生可使沉淀变得疏松，灼烧沉淀后可得到轻质MgO。

答案 （1）漂白液 将Fe2＋氧化成Fe3＋

（2）NaOH 将除Mg2＋以外的各种杂质金属离子都生成相应的氢氧化物沉淀，以便过滤除去

（3）MgCO3＋H2O[煮沸]Mg(OH)2↓＋CO2↑

信号和系统实验报告三 篇9

课程名称：

信号与系统

实验项目名称：连续时间信号在 MATLAB 中的运算

实验时间：

2018-11-11

班级：

测控 172

姓名：

梁宇

学号：201711501218

一、实验目的 学会运用 MATLAB 进行连续信号的时移、反折和尺度变换；学会运用 MATLAB进行连续信号的相加、相乘运算；学会运用 MATLAB 数值计算方法求连续信号的卷积。

二、实验环境 硬件：PC 机，基本配置 CPU PII 以上，内存 256M 以上； 软件：Matlab 版本 9.3

三、实验原理

1、信号的时移、反折和尺度变换

信号的时移、反折和尺度变换是针对自变量时间而言的，其数学表达式与波形变换之间存在一定的变换规律。

信号()f t 的时移就是将信号数学表达式中的 t 用0t t  替换，其中0t 为正实数。因此，波形的时移变换是将原来的()f t 波形在时间轴上向左或者向右移动。0()f t t  为()f t 波形向左移动0t ；0()f t t  为()f t 波形向右移动0t。信号()f t 的反折就是将表达式中的自变量 t 用 t  替换，即变换后的波形是原波形的 y 轴镜像。信号()f t 的尺度变换就是将表达式中的自变量 t 用 at 替换，其中，a 为正实数。对应于波形的变换，则是将原来的()f t 的波形以原点为基准压缩（1 a ）至原来的 1/a，或者扩展（0 1 a  ）至原来的 1/a。

上述可以推广到0()f at t  的情况。

2、MATLAB 数值计算法求连续时间信号的卷积

用 MATLAB 分析连续时间信号，可以通过时间间隔取足够小的离散时间信号的数值计算方法来实现。可调用 MATLAB 中的 conv()函数近似地数值求解连续信号的卷积积分。如果对连续时间信号1()f t 和2()f t 进行等时间间隔 t  均匀抽样，则1()f t 和2()f t 分别变为离散序列1()f m t  和2()f m t 。其中 m 为整数。当 t 足够小时，1()f m t  和2()f m t  即为连续时间信号1()f t 和2()f t。因此连续信号的卷积积分运算转化为：

1 2()()*()()()f t f t f t f f t d      1 20lim()()tmf m t f t m t t       采用数值计算法，只求当 t n t   时卷积积分()f t 的值()f n t ，其中，n 为整数，即 1 2()()()mf n t f m t f n t m t t        1 2()[()]mt f m t f n m t      其中，1 2()[()]mf m t f n m t   实际就是离散序列1()f m t  和2()f m t  的卷积和。当 t  足够小时，()f n t  就是卷积积分的结果，从而连续时间信号 1 2()()[()*()] f t f n t f n f n   

上式表明通过 MATLAB 实现连续信号1()f t 和2()f t 的卷积，可以利用各自抽样后的离散时间序列的卷积再乘上抽样间隔 t 。抽样间隔 t  越小，误差也就越小。

四、实验内容及结果分析

1、试用 MATLAB 命令绘制信号/2()sin(10)sin(9)t tf t e t e t     的波形图。

在 MATLAB 的工作目录下创建 uCT 的 M 文件，其 MATLAB 源文件为：

function f = uCT(t)

f =(t>=0);保存后，就可调用该函数，并运用 plot 命令来绘制单位阶跃信号的波形。

输入源程序：clear;clc;a=-1;b=-1/2;c=10;d=9;t=0:0.01:4;ft=exp(a*t).*sin(c*pi*t)+exp(b*t).*sin(d*pi*t);plot(t,ft);grid on;axis([0 10-4 4]);

结果如图 1：

图 1

2、已知信号 ()()(1)(1)[(1)()] f t u t u t t u t u t       ，画出()f t、(2)f t 、()f t 、(2 1)f t   的波形。

在 MATLAB 的工作目录下创建 uCT 的 M 文件，其 MATLAB 源文件为：

function f = uCT(t)

f =(t>=0);在 MATLAB 的工作目录下创建 funct1 的 M 文件，其 MATLAB 源文件为：

function f =funct1(t)f=uCT(t)-uCT(t-1)+(t-1).*(uCT(t+1)-uCT(t));

输入源程序：

clear;clc;t=-2:0.001:4;ft1=funct1(t);ft2=funct1(t+2);ft3=funct1(-t);ft4=funct1(-2*t+1);subplot(2,2,1);plot(t,ft1);grid on;title(“f(t)”);axis([-2 2-2 2]);subplot(2,2,2);

plot(t,ft2);grid on;title(“f(t+2)”);axis([-2 2-2 2]);subplot(2,2,3);plot(t,ft3);grid on;title(“f(-t)”);axis([-2 2-2 2]);subplot(2,2,4);plot(t,ft4);grid on;title(“f(-2*t+1)”);axis([-2 2-2 2]);

结果如图 2：

图 2 3、求信号1()()(2)f t u t u t    与2()()(1)(2)(3)f t u t u t u t u t        的卷积结果1 2()()*()f t f t f t ，并画出1 2(),()f t f t 和()f t 的波形。

输入源程序：

clear;clc;dt=0.001;t=-2:dt:10;f1=uCT(t)-uCT(t-2);f2=uCT(t)+uCT(t-1)-uCT(t-2)-uCT(t-3);f=conv(f1,f2)*dt;

n=length(f);tt=(0:n-1)*dt-2;subplot(2,2,1);plot(t,f1);grid on;title(“f1(t)”);axis([-2 4-2 2]);xlabel(“t”);subplot(2,2,2);plot(t,f2);grid on;title(“f2(t)”);axis([-2 4-2 2]);xlabel(“t”);subplot(2,1,2);plot(tt,f);grid on;title(“f(t)=f1(t)*f2(t)”);axis([-2 11-2 10]);xlabel(“t”);

结果如图 3：

图 3

4、求信号1()(0.5)(0.5)f t u t u t     与自身的卷积结果1 1()()*()f t f t f t ，并画出1()f t 和()f t 的波形。

输入源程序：

clear;clc;dt=0.001;t=-2:dt:2;f1=uCT(t+0.5)-uCT(t-0.5);

f=conv(f1,f1)*dt;n=length(f);tt=(0:n-1)*dt-2;subplot(1,2,1);plot(t,f1);grid on;title(“f1(t)”);axis([-2 4-2 2]);xlabel(“t”);subplot(1,2,2);plot(tt,f);grid on;title(“f(t)=f1(t)*f1(t)”);axis([0 4-2 2]);xlabel(“t”);

结果如图 4：

图 4 五、思考题 1、MATLAB 运算符中.*和 * 的区别？可结合例子说明。（实验 1 和实验 2都有碰到的）

答：

*表示的是矩阵和矩阵的基本运算。

.*表示的是矩阵中的元素乘以矩阵中对应的元素。