數字信號處理論文精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇數字信號處理論文范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

篇(1)

關鍵詞：數字信號處理；MATLAB仿真；教學改革

作者簡介：李磊（1981-），男，河南南陽人，鄭州大學物理工程學院，講師；楊潔（1983-），女，河南商丘人，鄭州大學物理工程學院，講師。（河南 鄭州 450001）

基金項目：本文系2012年度教育部大學生創新創業訓練計劃課題（項目編號：1210459084）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0056-02

“數字信號處理”課程是電子信息、通信工程、自動化工程及相近專業必修的專業課，在電氣工程、測控技術、計算機技術等領域得到了廣泛應用。[1]當前國家越來越重視大學生的創新意識和實踐能力的培養。通過實施教育部大學生創新創業訓練計劃和卓越工程師計劃，促進高等學校轉變教育思想觀念，改革人才培養模式，強化創新創業能力訓練，增強高校學生的創新能力和在創新基礎上的工程實踐能力，培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才。為了提高學生的創新意識和應用知識解決實際問題的工程實踐能力，需要調整“數字信號處理”課程的教學內容，引入新的教學手段和教學方法來提高學生學習的積極性，這是專業基礎課教師所面臨的重要課題。筆者介紹了一種針對本科生教學的分層教學模式，突破單一的理論灌輸的教學弊端，顯著提高學生們學以致用的能力，并運用實例介紹了這種分層教學模式。

一、“數字信號處理”課程教學現狀

數字信號處理是一門理論性很強的課程，內容抽象，公式繁多，課程內容涉及很多數學推導與計算。目前，傳統的教學模式主要存在以下問題：[2，3]

1.教學內容過度重視理論推導，不注重理論和實踐相結合

國內大學的很多任課老師往往注重講授公式性質、定理的由來，注重理論的嚴謹與正確性，這勢必大大占據有限的授課時間。這種教學思路使課程陷于數學推導和計算，而使學生感到枯燥乏味，抓不住重點，教學效果大打折扣。

2.課程實驗內容單一，與工程實踐還有距離

課程實驗內容一般都以MATLAB軟件作為仿真平臺，對課程中的時域離散信號、系統的時頻域理論和數字濾波器設計理論進行仿真實驗。誠然，MATLAB仿真軟件作為信號處理的實驗手段，具有信息量大、形象直觀的特點，在很大程度上補充了單一的理論教學模式。但是仿真手段畢竟是理論的數學編程，還是脫離了工程應用的實際背景。仿真不能完全取代本課程的實驗和實踐內容。算法仿真內容過于形式化、過于簡單，只能作為工程實踐的前期階段設計內容。

二、分層教學法原則與內容

傳統的數字信號處理課程大多只討論算法的理論及其推導，較少涉及工程實現方法及相應的軟硬件技術。大學的教學應是理論教學、實踐教學和科學研究為一體的，實踐教學作為理論和科學研究的橋梁，是現有理論的源頭，也是未來科研開拓的基礎。理論課程應實現教學形式的多樣化，包括多種實驗、課程設計、科技競賽和創新活動等。數字信號處理課程可以分為理論學習，算法仿真，數字信號處理工程應用平臺實驗，課題為導向的數字信號處理課程工程實踐拓展訓練四個層次。[4]

1.第1層：理論學習

廣義來說，數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。目前本科生只是學習經典的數字信號處理理論，主要包括有關數字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。因為教學時間有限，現代信號處理或者數字圖像處理的內容只能根據項目需求有針對性進行學習和研究。教師可以鼓勵學生去搜索相關文獻，查找資料，激發他們的自學熱情和能力。

2.第2層：算法仿真

算法仿真往往是電子信息工程實施以前必經的重要階段。MATLAB語言具有強大的科學計算和可視化功能。它作為數字信號處理的有力助手，成為教學的重要部分。其以矩陣運算為基礎，具有豐富的數值計算功能，強大的繪圖功能，更重要的是具有完備的數字信號處理函數工具箱。比如FIR濾波器的設計，包含三種方法：程序設計法、FDATool設計法和SPTool設計法。其中FDATool（Filter Design & Analysis Tool）是MATLAB信號處理工具箱專用的濾波器設計分析工具，操作簡單、靈活，可以采用多種方法設計FIR和IIR濾波器。在MATLAB命令窗口輸入FDATool后回車就會彈出FDATool界面。SPTool是MATLAB信號處理工具箱中自帶的交互式圖形用戶界面工具，它包含了信號處理工具箱中的大部分函數，可以方便快捷地對信號、濾波器及頻譜進行分析、設計和瀏覽。學生可以采用MATLAB進行電子工程中算法的前期仿真，然后將MATLAB程序轉換成C語言移植到硬件平臺上。

3.第3層：數字信號處理工程應用平臺實驗

數字信號處理算法需要借助特有的硬件平臺實現工程應用，采用的編程語言一般是C語言。目前數字信號處理系統的硬件實現方式一般有三種：（1）利用通用可編程DSP芯片進行開發的方式。由于是采用基于C語言進行編程，算法實現過程簡單，但資源受到限制，并行度差。（2）采用專用集成電路ASIC方式進行開發。雖然效率高，但開發流程長，成本高，開發出來的系統不能更改。（3）采用FPGA芯片進行開發?？梢蕴峁└咝屎透哔|量的數字系統。在實際硬件平臺選型中，使學生能夠對單片機、ARM、DSP、FPGA的應用領域加以區分，從而更加深刻認識到DSP和FPGA實現數字信號處理的巨大優勢。

4.第4層：課題為導向的“數字信號處理”課程工程實踐拓展訓練

課題為導向的教學模式是提高學生實踐能力的新型教學模式。它以大學生創新實驗項目為平臺，以基于案例為教學模式，以科學研究的方式組織和引導學生獲取和運用知識，培養學生創新性思維和分析解決問題的能力。這種方式克服了教學和實驗中單純模仿的弊端，發揮學生的主觀能動性，拓展學生的眼界，引導學生解決開放性問題，促使學生不斷提出新問題、發現新問題和解決新問題。

以上這四個層次并不是單一的順序遞進關系，而是不斷交互的關系。比如工程實際問題的解決過程往往促使學生回歸理論學習層次去深入研究，反過來能夠更好地去解決工程實踐中遇到的技術難題。算法仿真采用的MATLAB語言需要轉換成數字信號處理工程應用平臺實驗使用的C語言進行移植，這也需要第二層和第三層內容的不斷交互。

三、教學實例

為了實現對學生實踐能力的綜合培養、潛力開發和工程創新精神的激勵，學校積極為學生們搭建工程實驗平臺，為學生參加“全國電子設計競賽”、全國挑戰杯、大學生創新實驗計劃項目等活動奠定基礎。下面基于教育部大學生創新實驗課題“基于麥克風陣列聲源定位的動態視頻跟蹤系統”來例證“數字信號處理”課程的分層教學模式。[5]

首先，學生們經過調研確定項目需求，選取合適的算法模型進行研究。基于課題驅動的教學模式促使學生從需求這個工程項目源頭進行考慮。經過廣泛的調研，學生們發現在日常生活中，常規的攝像頭監控系統的攝像頭安裝是固定的，監控方位是靜態的，只能監控有限的方位區間。這樣的監控系統監控方位區間狹窄，難免存在很大的監控盲區，無法很好地實現監控功能。由人類的耳朵和眼睛協調工作的仿生原理得到啟發，人類的耳朵相當于一個二元聲音傳感器陣列，捕捉到聲源信息，通過大腦判斷，得到聲源的方位信息。然后驅動我們的脖子扭轉到聲源方向，我們的眼睛就可以實時看到聲源目標，做出視覺的判斷。為此，學生們用微型麥克風陣列來代替人耳，用一個步進電機來代替脖子，用攝像頭代替眼睛，用DSP處理器來代替人腦實現信號的運算處理和控制功能，從而實現一個基于麥克風陣列聲源定位的動態視頻跟蹤系統，如圖1所示。這樣，該視頻監控系統通過麥克風陣列進行多傳感器聯合信號處理，可以首先根據聲源的聲音有無來判斷是否啟動監控，再通過聲源的方位可以驅動步進電機，自動轉動攝像頭跟蹤實時運動的目標，實現無盲區、全角度實時自動監控。

算法模型的確定促使學生廣泛閱讀文獻，最終找到了陣列信號處理理論作為麥克風陣列數學建模的理論基礎。通過MATLAB仿真分別分析了仿真的寬帶音頻信號和實驗采集的音頻信號，驗證理論模型和實驗結果能夠很好地匹配。該本科生研發團隊把寬頻聲音信號的特點和傳統的遠場聲源方位估計算法相結合，依據到達時間差的聲源定位原理，提出了一種頻域波束形成算法，系統框圖如圖2所示。系統上電后，多路麥克風分別接收音頻信號，并進行采樣緩存，送入DSP處理器中進行端點檢測，如當前信號為噪聲或無用信號，則丟掉已采集的信號幀數據；如檢測到有用信號，則對其進行頻域波束形成和進一步處理，最后采用基于能量值的譜搜索算法計算出聲源的方位，從而控制步進電機驅動攝像頭轉向聲源所在方位，使聲源出現在攝像頭視野范圍內。該課題針對當前智能視頻監控存在的監控盲區的問題，提出并實現了一種基于麥克風陣列的寬頻聲源定位系統。通過采用頻域波束形成和基于能量值的譜搜索算法，實現了二維空間聲源的快速準確定位。經驗證該系統在室內及室外對各種聲源的實時響應表現良好，在現代視頻監控中具有一定的工程實用意義。通過該課題學生們申請了實用新型專利和發明專利各一項，學術期刊論文2篇，了解了電子信息工程設計的步驟和培養了科學研究的基本素養。

四、結語

按照上述的分層次遞進教學模式，使學生按照基礎理論實驗、仿真實驗和DSP工程實現理論和實踐的交互學習。這一體系從簡單到復雜，從理論到實踐，循序漸進，逐步提高。經過工程實踐的訓練，激發了學生們學習“數字信號處理”課程的熱情，鞏固了課本上的知識，拓展了工程實踐的視野。同時，大大提高了學生們獨立解決問題的能力和工程實踐創新能力。學生在專利申請和論文撰寫的訓練中，實踐了科學研究的方法，為將來的科學研究奠定基礎。通過上述的教學實踐，取得了良好的教學效果，得到了廣大師生的認可。

參考文獻：

[1]程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]王典.數字信號處理課程分類和分層教學模式探索[J].實驗技術與管理，2013，（2）：31-32.

[3]魏強，等.課題驅動式教學在《數字信號處理》課程中的探索與實踐[J].教育教學論壇，2012，（20）：212-213.

篇(2)

關鍵詞：創新人才；數字信號處理；教學方法；探索

“數字信號處理”課程是工科信息類專業的一門專業基礎課，我院電子信息科學技術專業和電子信息工程專業以及特色試驗班開設了這門專業基礎課．我們選用的是丁玉美主編的《數字信號處理》教材．由于這門課程，理論內容比較多，概念比較抽象［1，2］，因此對于學生來說理解和掌握起來比較困難，此課程是在“信號與系統”課程的基礎上進行的，數學概念多，如果學生在“信號與系統”課程中掌握和理解的知識不牢靠，對本課程的學習將會更加吃力，需要我們積極的探索更加有利于學生的科學教學方法和實踐方法．本文結合我院電子信息專業特色實驗班的“數字信號處理”課程教學和教改工作，分析了本課程存在的一些問題，探索更加有益于教學的教學方法，并通過對比采用本文的教學方法前后特色試驗班學生的成績，實踐表明采用本文提出的教學方法，可以提高特色試驗班“數字信號處理”課程的教學質量，取得了比較好的效果，為其他專業課程的教學研究提供了有意義的研究方向．

1“數字信號處理”課程教學存在的問題

隨著信息化技術的發展，數字信號處理的發展也日新月異，理論和技術方面不斷創新，成為多學科相互連接的橋梁和紐帶［3－5］．要使“數字信號處理”課程的知識內容跟上時代的發展，必須克服在當前的教學教改中存在的一些問題．根據當前教學實際，我校特色試驗班主要存在以下一些基本的問題，急需探索新方法進行解決．（1）數學知識的基礎不牢靠影響學生對本課程的學習和運用，需要學生對數學的基礎知識熟練掌握．由于本課程的許多內容和實際的工程應用直接相關，充分運用好信號處理的知識，需要使用數學工具對實際工程中的一些采集的數據進行分析和處理．（2）特色試驗班學生許多是從其他的非電子類專業中招收的學生，甚至是招收其他學院的學生，因此特色實驗班中的學生對電子信息方面的基礎專業課程的基礎知識掌握參差不齊，比如“信號與系統”，這門課程是“數字信號處理”的前置課程，使“數字信號處理”課程的教學難度加大．（3）“數字信號處理”課程的部分內容和其他課程的內容有一定的重復，比如“信號與系統”課程等，存在重復浪費教學資源以及教師之間缺乏溝通等問題，需要對特色實驗班的課程進行整合優化，提高不同專業背景的特色實驗班學生的學習效率．（4）“數字信號處理”課程的概念抽象，難于理解，需要探索比較形象化的教學方法來提高教學質量．（5）“數字信號處理”的教學內容比較多，但是特色實驗班安排的課時有限，需要探索合理的進行主要教學內容的教學方法．

2“數字信號處理”課程教學方法研究

針對我校特色試驗班學生存在的一些基本問題，本文探索了一些教學方法，并在特色試驗班中進行了相關的教學，主要體現在以下幾個方面：（1）加強數學基礎知識的引導，采用形象化的教學方法．針對特色試驗班學生的數學基礎參差不齊的問題，我們在教學的過程中，進行相關基礎知識的引導，補充了相關的知識點，給學生提醒一些參考內容，使這部分學生能夠課前學習相關的數學基礎，不至于使學生因本課程涉及的數學基礎知識不足而不能掌握本課程的內容．同時，我們針對課程中的數學公式多而且概念抽象的特征，提出了采用形象化的教學方法，將復雜的數學公式形象化，將抽象的概念形象化，我們通?？紤]運用波形圖或者框圖的方法來實現形象化．例如在涉及到數學公式：f1（t）＝a0＋∑∞n＝1（ancosw1t＋bnsinw1t）的講解過程中，就采用框圖標定其中的分量的方法來加強理解，如圖1所示．又比如我們在“數字信號處理”課程教學過程中由于FFT變換的理解比較困難，可運用相關軟件，演示將一正弦信號進行FFT變換前后的波形圖進行對比，讓學生更加清晰的理解FFT變換的內涵和物理意義．（2）整合優化兩課程的教學內容，避免重復教學，優化教學資源．對于特色實驗班學生的這兩門課程可考慮合并為一門課程，安排好教學內容，提高教學質量．由于兩課程之間存在一定的重復，不僅理論教學方面存在重復，而且實踐教學也存在相關問題，本文提出了優化兩課程的整合方案，節約了大量的教學時間．優化整合兩課程后的教學內容如表1所示．（3）注重理論聯系實踐，結合科研，注重電信專業的專業需求．“數字信號處理”課程的內容學習，要充分考慮特色試驗班學生專業的知識結構特點，重點講授在電子信息領域實用性強的內容．著重培養特色試驗班學生理論聯系實踐的動手能力和創新能力．我們在針對特色試驗班的教學過程中加入了適當的實踐環節，主要運用Matlab軟件以及origin軟件進行相關信號的處理與分析．比如我們在實驗環節加入了橫向項目：中石化武漢分公司水力除焦監測系統研究的內容，對采集信號進行分析處理，可以用MAT－LAB編寫相關程序進行FFT變換，提取信號的特征，分析信號的頻譜特性，如圖2所示，通過運用MATLAB得到的采集的聲信號頻譜圖．通過實際項目，讓學生深刻體會本課程的工程應用，加深對理論知識的理解，也可培養學生的學習熱情，從而提高教學質量．（4）加強對“數字信號處理”課程虛擬網絡實驗室的建設，充分利用網絡資源．為提高特色試驗班學生的數字信號處理課程的教學質量，充分利用網絡資源，建立了數字信號處理網絡虛擬實驗室．了數字信號處理課程虛擬實驗室主要由身份驗證、網絡課堂、網絡測試以及實驗方案幾個模塊構成，提供登陸管理、作業管理、作業提交、遠程實驗、實驗范例、實驗論壇等欄目和功能，供學生網絡學習使用．（5）加強我校特色試驗班“數字信號處理”課程的雙語教學，提高學生綜合競爭力．

3結語

我校特色試驗班的“數字信號處理”課程雖然存在一些問題，但是運用本文探索和研究的教學方法，極大提高了學生學習的積極性和主動性，提高了學生實踐分析能力，培養了創新能力，使“數字信號處理”課程的教學質量明顯得到提高．

作者:鐘東 陳春 單位:湖北科技學院電子與信息工程學院 湖北科技學院體育學院

參考文獻：

［1］OppenheimAV，SchaferRW，BuckJR．Discrete－TimeSignalProcessing［M］．SecondEdition．Prentice－Hall，Inc，1999．

［2］SanjitKMitra．DigitalSignalProcessing－AComputer－BasedApproach［M］．ThirdEdition．TheMcGraw－HillCompanies，Inc，2005．

［3］高軍萍，王霞，李琦，等．數字信號處理課程教學改革的探索與體會［J］．南京：電氣電子教學學報，2007，29（2）：19－21．

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一、引言

數字信號處理是一門面向各大專院校電子信息學科的專業基礎課，它的基本概念、基本分析方法已經滲透到了信息與通信工程，生物醫學工程，導航、制導與控制，動力工程，航空工程等領域。學生應采取主動的方式獲取本課程所講述的基本概念和基本分析方法，并可利用其分析、解釋和計算信號、系統及其相互之間約束關系的問題。但多年來，我們的課程教學中仍然普遍采用教師主動、學生被動的滿堂灌輸的教學理念和方法，看似傳遞給學生的信息容量大，實質上學生接受質量和效率并不高。鑒于此，本課題組從理論教學和實踐教學環節入手[1]，經過多年的研究、實踐和探索，對該課程的教學進行了改革，并取得了較好的成效。

二、課程現狀分析

當前的課堂教學存在著以下弊端。

1.學生缺乏對本學科整個課程體系的全貌了解，各門專業課程之間缺乏整體聯系。這使得學生對該課程的前續知識準備不夠，對后續知識認識不足。

2.數字信號處理課程理論性強，內容抽象，涉及的數學知識較多，學習難度較大。傳統的教學模式下，學生會感到內容枯燥難懂，學習興趣不足，學習的積極性、主動性不高。

3.實驗內容中設計性實驗偏少，驗證性內容偏多，缺乏綜合性課程設計內容。致使很多學生沒有興趣在課前搜集整理相關資料，了解相關內容，還是依賴教師課堂講授，被動等待教師解惑。

4.隨著高校不斷擴招，學生人數不斷增加，導致學生整體平均水平相對下降，大班授課教學效果不佳。

三、課程改革思路

課程改革是指教師教學方式及學生學習方式的改變，是教師和學生雙向的改變，是教與學的相互溝通[2]。對于教師來說，要與時俱進，不斷更新教學觀念、教學思想、教學模式，變灌輸式、單向式為啟發式、討論式、研究式教學；對于學生來說，要形成積極主動的學習態度，使獲得知識與技能的過程成為學會學習和形成正確價值觀的過程，由傳統學習方式的被動性、依賴性、統一性、虛擬性、認同性轉變為現代學習方式的主動性、獨立性、獨特性、體驗性與問題性。針對當前國內高等教育中教師過分主動、學生過分被動，理論學習相對過多、實踐動手機會相對太少的特點，應該想辦法調動學生學習主動性、積極性，鼓勵學生充分發揮自己的個性和特長，不斷自主學習、獨立思考、自由創新，努力增加學生動手實踐機會，提高他們的綜合素質和解決實際問題的能力。針對課程現狀，提出以下具體改革措施。

1.針對課程內容之間的聯系問題，學院即將在各專業新生中課程中開設專業導論課程。在這門課中，會粗略講解本專業各課程內容之間的聯系。要想透徹理解數字信號處理課程內容，尤其要先深入理解前續課程信號與系統的精髓內容，即信號的三大變換以及線性時不變系統常用的各種表征方式之間相互聯系。由于信號與系統的內容較之數字信號處理更加抽象難懂，數學公式較多，使很多同學產生畏難情緒，學得一知半解，囫圇吞棗。這導致了相對容易的數字信號處理學起來也有些晦澀難懂了。因此在講述信號與系統課程時就要告知學生課程的重要性及與數字信號處理課程之間的聯系，而在講解數字信號處理課程時則要講述清楚和后續課程之間的聯系及對后續課程學習的影響。

2.針對數字信號處理課程理論性強、內容較為抽象的問題，教師應注重基本概念及其物理意義的講解，加強課程內容與學生生活及現代社會科技發展的聯系，教師應時刻關注本學科前沿動態，提升自身理論水平，將和本門課程有關的先進技術知識引入課堂，將學生感興趣的內容引入課堂，比如數字信號處理在短波通信、數字圖像處理、儀器儀表、汽車系統等領域的最新應用介紹給學生，可大大激發學生的學習興趣，也可讓學生初步了解自己畢業以后可能的就業方向。另外，教師應精選終身學習必備的基礎知識和技能，重點讓學生掌握核心理論、初步信號仿真能力及工程應用，適當減少復雜公式的計算和推導，避免學生陷入到復雜的計算中去。

針對學生學習主動性、積極性不強的問題，教師應改變課程實施過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練的現狀，積極引導學生，善于提問學生，善于培養學生提問，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、交流與合作的能力。采取翻轉課堂的形式，讓學生到講臺上講解，還可適當給予學分獎勵，這樣既提高了學生學習積極性，又鍛煉了學生的思考及演講能力。本人在課程教學中采用課堂互動、討論、學生講授、分組論文寫作等新的教學方法和教學手段，取得了比較滿意的教學效果。

3.針對缺乏設計性及綜合設計性實驗的問題，由于課時較少，本課程只有4次8個小時的實驗，這種現狀下，課內設置50%的設計性實驗，一些綜合性的設計實驗只能作為學生的課后大作業來完成。將學生分為3―5人一組，每組選一個課題完成，課題內容盡可能接近實際項目。每個小組成員根據自身特點領取相應任務和資源，這樣既可鍛煉自身能力，又可培養團隊意識。在課題實施過程中，教師起引導作用，可以幫助學生分析所遇到的問題，鼓勵學生自己探索、思考解決問題的方法，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

4.針對班型較大問題，在師資力量允許的情況下盡量小班授課，以保證授課質量。若師資力量薄弱，則采取理論課大班授課，而實驗課小班教學的方式，便于教師及時發現問題，學生能及時得到指?А2捎?MOOC教學也是不錯的解決辦法，MOOC教學突破了傳統課程時間、空間的限制，突破了傳統課程人數限制，便于學生學習，也便于和學生互動。我們已經著手錄制教學視頻，放到網絡平臺，作為課堂教學的有力補充，進一步提升學生的學習質量和學習效率。

四、?n程考核

課程的教學效果主要依靠課程考核來進行。課程的考核貫穿整個教學環節，包括課堂回答問題情況、出勤、作業、實驗完成質量等環節，對學生進行全方位考核。這種考核形式能更加全面地考核學生日常學習情況，激勵學生，激發學生學習主動性。

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1.1中短波電臺的現狀

中短波電臺在歷史上為保證航行安全做出了重要貢獻，至今仍承擔海上通信安全、遇險、救助等任務。目前在我國沿海有上海、廣州、天津、大連等電臺，它們的工作方式基本上是VHF，SSB，NBDP，Morse，覆蓋的頻段為400KHz到30MHz。由于各種通信技術的發展和應用，中短波通信受到越來越大的沖擊。不但它的應用范圍上有很大的局限性，而且更是由于中短波電臺系統大多采用模擬方式，它的抗干擾性差，不穩定性而產生的噪聲使它的通信質量難以得到保證。目前，通信數字化技術已相當成熟，基于這個技術本論文提出了中短波通信數字化的觀點。數字系統與模擬系統不同，它的特性不易隨使用條件的變化而變化，數字信號可以存儲，可以按照理論算法運算，可以獲得較高的指標。這些特點決定了中短波通信的噪聲可以通過數字化來解決。

1.2中短波電臺的發展方向

在我國不同區域、不同級別、不同用途、不同波段的無線電臺很多，無線電臺的這些特點，不但使相互間的聯合通信很困難，也給電臺的功能擴展增加了難度，同時更為重要的是，它使電臺無法適應新技術的飛速發展而及時更新換代。因此采用數字化技術，對來自天線射頻的信號直接進行采樣，以通用的數字信號處理器為硬件平臺，用軟件來完成無線電臺的所有功能，是無線電臺的發展方向。

根據我國的目前的情況，改造現有的模擬電臺具有非常重要的意義，因為它是使通信設備向小型化、模塊化、數字化和軟件化過度的一種切實可行的方法。對于短波無線電臺而言，隨著數字信號處理技術的發展和數字器件越來越多的應用到HF收發信機設備中，現有的HF收發信設備普遍采用微處理器作為電臺控制，有的采用了數字式頻率合成器，采用了數字式天線匹配器，有的還采用了數字信號處理器以實現自適應鏈路建立和抗干擾通信。

進入九十年代，國外的通信廠家推出的新型HF收發信設備，出現了數字化接收機，數字化發射激勵器、數字化電臺等設備。這類設備同以往設備的最大區別是采用數字信號處理技術代替了以往設備中與各種工作方式有關的模擬器件，這樣可以利用數字信號處理方面的許多優點，例如在模擬設備中的邊帶濾波器的群遲延特性在通帶范圍內是U型的，不是常數，而在數字信號處理中用FIR濾波器很容易實現群遲延特性為常數。

HF收發信設備數字化的實質是收發信設備中信道部分的數字化，它采用數字信號處理技術實現音頻與中頻之間的頻潛變換，涉及的內容主要有音頻處理，各種工作方式的調制/解調，中頻及射頻的自動增益控制/自動電平控制。

HF收發信設備信道數字化后，由于采用了大規模集成電路取代分立元件，用軟件實現濾波器等功能，簡化了硬件電路，同時提高了性能指標和可*性，也增加了電臺靈活性，為軟件無線電打下了基礎。

現有的模擬式HF收發信機設備均采用2至3個中頻，否則無法實現高的性能指標。理想的數字化方案應是*近天線的數字化，考慮到HF波段的特點和現有的技術，現在取消中頻直接在射頻上數字化在技術上是非常困難的，在目前是難以實現的，較好的數字化方案是應該在較適中的頻率上數字化。

收發信機普遍采用高中頻的方案：第一中頻在40MHz到100MHz之間，受到硬件技術發展水平的限制，在一中頻實現數字化是非常困難的，因此HF收發信機的數字化主要集中在9MHz、2.5MHz、500KHz、200KHz。

高于200KHz中頻的數字化通常只采用兩個中頻，而低于200KMz中頻的數字化往往要采用三個中頻。采用三個中頻的HF收發信設備較采用兩個中頻的HF收發信設備的硬件電路要復雜。在較低的中頻上數字化是采用三個中頻的主要原因，目前的技術在二中頻上實現數字化己經成熟，且在三中頻上數字化也沒有明顯的好處，所以新的數字化方案中避免在較低的中頻上數字化。

綜上所述，目前的HF收發信設備的數字化方案應采用雙中頻方案，在二中頻上實現數字化，二中頻的頻率應高于200KHz。在較高的中頻上實現數字化可以獲得較高的處理增益，達到較高的性能指標。

2．多級抽取數據處理原理

對于數字電視廣播信號反射回波的頻譜分布，我們只對其中心頻率附近可能出現的運動目標的一段頻譜感興趣，例如：由傳輸速率決定的數字電視廣播信號的頻譜寬度為432MHz，而實際目標可能覆蓋的頻段不會超過20kHz。如果對所有采樣點計算FFT，計算量非常大，且這樣的計算效率很低。如果采用信號抽取方法就可以做局部的譜分析，提高計算效率。實現局部頻譜分析的工作原理，如圖1所示。信號經過復調制，把要進行分析的一段頻譜（例如X0附近）搬移到零頻附近，然后進行MB1的抽取，這樣在較少的點數下做信號頻譜分析，達到細化頻譜的目的。

但是當抽取因子M很大時，一次抽取對濾波器的特性要求很高，為濾波器的設計帶來困難。如果采用多級采樣率變換來實現抽取，不但可以簡化濾波器的設計，而且可以進一步減少計算量和系統的存儲量。

3．多抽樣率數字信號處理技術

在一個信號處理系統中有時需要不同的抽樣率。這樣做的目的有時是為了系統中各處需要不同的抽樣率，以利于信號的處理、編碼、傳輸和存儲，有時是為了節省計算工作量。使抽樣率降低的抽樣率轉換稱為抽??；使抽樣率升高的抽樣率轉換稱為內插，抽取和內插是多抽樣率信號處理的基木環節。

3.1多抽樣率數字信號處理

實現多抽樣率變換的基本方法包括：整數抽取、整數內插、抽樣速率的有理數變換等。

（1）整數抽取

如圖2所示為整數抽取器的結構，其中為抗混疊低通濾波器，其理想頻域響應為：

（1）

設輸入信號的頻域響應為，通過計算可得輸出信號的頻域響應為

（2）

若滿足（1）式，則有。即整數抽取序列的數字譜是M個輸入序列經頻譜擴展（M倍）和周期移位后的迭加譜，提高了信號的頻域分辨率。

圖2整數抽取器的結構

（2）整數內插

如圖3所示為整數內插器的結構，其中為平滑低通濾波器，其理想頻域響應為：

（3）

圖3整數內插器的結構

設輸入信號的頻域響應為，通過計算可得輸出信號的頻域響應為

（4）

即整數內插序列的數字譜是輸入序列經L倍壓縮后的譜提高了信號的時域分辨率。

（3）抽樣速率的有理數變換

以上介紹的整數內插與抽取都屬于采樣速率的整數變換，將其推廣可得抽樣速率的有理數變換。有理數（L/M）倍的速率變換可以這樣來實現：首先通過L倍內插然后進行M倍抽取。其中為內插低通濾波器與抽取低通濾波器合二為一，滿足下式，式中

（5）

3.2濾波器設計及實現

在多抽樣率系統中我們總是設法把乘法運算安排在低抽樣率的一側以使每秒鐘內的乘法次數（MPS）最少。但在抽取器和內插器中濾波的卷積運算都是在抽樣率較高的一側，例如實現抽取器的運算，如果先做抗混迭濾波的卷積計算然后抽取，則必然有很多計算工作是徒勞的，而且一個卷積運算又必須再在輸入信號的抽樣時間間隔內完成，這樣就使得每秒鐘的乘法次數很高。在實現多抽樣率系統時，FIR結構具有很大的優越性。一方面它絕對穩定的，并具有很容易做成線性相位的優點，另一方面也容易實現高效結構。

多抽樣率系統的實現一般有3種結構：直接實現、多相結構的實現、時變網絡的高效實現。在實際中應用廣泛的是多相結構的實現，同時在HSP50215、HSP50214中也主要使用這種方式。多抽樣率系統中的多相表示和整數倍內插器表示兩種方式。其中多相表示又稱為多相分解，是指將數字濾波器的轉移函數H（z）分解成若干個相位不同的組。通常，對于簡單整系數濾波器，在抽取系統中，當抽取因子D不恰好是2的冪，但包含多個二倍抽取器的級連，我們常常在抽取系統的第一級（或內插系統的最后一級）采用運算極為簡單的整系數濾波器，因為這種簡單的整系數濾波器的的低通濾波性能并不很好，所以它只用于抽取系統的第一級或內插系統的最后一級，其余各級則仍使用半帶濾波器。這是HSP502I4中CIC濾波器和半帶濾波器級連這種結構設計的依據。

（1）數字高通濾波器的設計

設采樣頻率為F=250Hz，為了減少孔徑誤差，其頻率穩定度遠遠高于電網頻率穩定度（由需要的處理精度確定）。其中對于孔徑誤差，它指因采樣頻率不穩定造成采樣脈沖未在預定時刻t0出現，而是在t0之前或之后出現，所采樣的值與實際t0時刻的值之差。其頻率穩定度為max[|f－f0|]/f0，式中f0為標準頻率，f為實際出現或允許出現的頻率，且N=125，其中：

|Gd（k）|=[0，a1，a2，1，…，1，a2，a1]（6）

Gd（k）=exp（－jkpi（N－1）/N）k=0，1，2，…，N－1（7）

式中N為Gd（k）的長度，在計算機上調整a1和a2，可改變高通濾波器的頻率特性。由傅里葉反變換可求得其N點單位抽樣響應g（n）=IDFT（Gd（k）），且g（n）對稱。

（2）由數字高通濾波器到多帶阻帶通濾波器

根據多抽樣率思想，對g（n）進行插值，每一個g（n）后面插入K－1個0，令h（n）=g（n/K），n=0，K，2K，3K，…，（N－1）K；h（n）=0，n=其他。并取h（n）的長度為KN，K=F/50=5。

由多抽樣率理論很容易推導出h（n）的頻譜將是g（n）的頻譜的K倍壓縮。在matlab上仿真，由h（n）的頻譜圖可以看出，其阻帶中心頻率在0Hz，50Hz，100Hz，150Hz，200Hz處。

調整a1和a2的值，可達到阻帶寬度為0.36Hz時，衰減超過60dB；阻帶寬度為0.4Hz時，衰減超過52dB；通帶下限頻率（或上限頻率）與阻帶中心頻率的差為2（F/N）/（F/50）=2×50/N=0.8Hz，通帶減不超過3dB。在直流附近，低于0.18Hz的信號將被濾掉，衰減大于60dB，大于0.8Hz的信號將得到保留，其衰減不超過3dB，在通帶內的紋波系數小于1.2%。

參考文獻：

1．宗孔德，《多抽樣信號處理》，清華大學出版社，2004

2．玉美、高西全、彭學愚，《數字信號處理》，西安電子科技大學出版社，2006

3．姚天任、孫洪，《現代數字信號處理》，華中科技大學出版社，2005

4．周浩敏，《信號處理技術基礎》，北京航空航天出版社，2001

篇(5)

關鍵詞：快速傅里葉變換；Matlab；圖像去噪；頻譜分析

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 (2011) 23-0000-02

Signal FFT Spectrum Analysis Algorithm and Implementation Study

Zhang Guo, Zheng Hongkai

(Chengdu Vocational College of Agricultural Science and Technology,Chengdu 611130,China)

Abstract:Fast Fourier transform techniques have become powerful tools for digital signal processing.This paper attempts to analyze the use of the algorithm for image denoising,but also gives a signal with Matlab system implementation and display spectral analysis method.

Keywords:Fast Fourier transform;Matlab;Image de-noising;Spectral analysis

一、引言

杜基從實際應用的角度提出了用采集的有限長時間序列通過計算相關函數而得到譜估計的方法，奠定了譜分析的實驗基礎， 被人們稱為現代實驗譜分析的先驅。1965年他與庫利在前人研究成果的基礎上，總結出快速傅立葉變換（FFT）算法，極大地減少了傅立葉變換的計算量。由于FFT的出現，大大加速了數字譜分析方法在實際中的應用，開創了數字信號處理的一個新里程。在使用數字信號處理技術的應用領域，FFT算法起著極為重要的作用 。

二、基于Matlab系統的信號FFT頻譜分析與顯示

在二維平面坐標上，將m作為橫坐標，k作為縱坐標，把|X（m，k）|的值作為灰度作圖，則得到x（n）的動態頻譜圖。

對|X（m，k）|的值實施偽彩色映射，可得到偽彩色的動態頻譜圖，以獲得更好的分辨率和視覺效果，并增強頻譜圖的可讀性。把|X（m，k）|的最小值Xmin映射為歸一化的0電平，最大值Xmax映射為歸一化的1電平，而將|X（m，k）|線性映射為O～1之間的電平值Ci。再利用彩色映射，計算機彩色監視器把Ci顯示出來，則獲得偽彩色顯示的動態頻譜圖．為了充分利用彩色空間的動態范圍，選擇適當的基準頻譜值Base．小于Base的頻譜值都被限定在此基準電平上，而大于Base的譜值則被線性映射到由0～1的歸一化彩色值．以C={c（m，k）}表示彩色值矩陣，由|X（m，k）|到c（m，k）的映射的數學表示如下：

其中

B（m，k）=

（一）偽彩色映射和頻譜圖顯示?？芍苯诱{用的用于偽彩色映射和頻譜圖顯示的Matlab功能函數主要包括：

1.偽彩色映射函數：colormap（MAP）。其中MAP是所采用的偽彩色映射矢量，它是一個64×3的矩陣。其第一、第二和第三列的值分別表示紅色、綠色和藍色的飽和度。例如，MAP=[0 0 0]表示一個純黑的映射；MAP=[1 1 1]表示一個純白的映射；MAP=[1 0 0]表示一個純紅的映射。MAP值也可以是Matlab的注冊矩陣（64×3），如：MAP=hsv代表64個RGB色飽和度映射層次；MAP=gray是64個線性灰度值映射層次；MAP=hot是64個從黑-紅-黃-白飽和度值遞進映射層次；MAP=copper代表64個線性古銅色調的映射層次．

2.頻譜圖顯示函數：imagesc（t，f，C）其中t是時間坐標，f是頻率坐標，C則是從幅度譜值經偽彩色映射后的彩色電平值。如果整段語音的分幀數為M，則t是一個M維的行矢量，它的值是每幀起點所對應的時間序號。頻譜的頻域有效樣點為N/2，所以，是一個N/2的行矢量，每個元素對應于頻譜幅度值。相應地，C是一個M×（N/2）維的矩陣。

（二）流程示意圖。整個FFT頻譜分析與顯示過程可用圖2-1所示的流程圖示意．

圖2-1 分析與顯示流程示意框圖

（三）程序。以下給出實現上述方法的一個具體的Matlab程序實倒。

function spgram （SwaveFileNam，Winsiz，Shift，Base，Coltype）；

[Signl，Fs]=wavread（SwaveFileNam）；

nseg=floor（（length（Signl）-Winsiz）/Shift）+1；

A=zeros（Winsiz/2+1，nseg）；

for i= 1：nseg

n1=（i-1）*Shift+1； n2=n1+（Winsiz-1）；

xx=Signl（n1：n2）； xx= xx.*hamming（Winsiz）；

y=myfft（xx）； y=y（1：Winsiz/2+1）；

y=y.*conj（y）；y=10*log10（y）；A（：，i）=y；

end

L1=（A>Base）； L0=（A

C=（B-Base）./（max（max（B））-Base）；

y=[0：Winsiz/2]*Fs/Winsiz； x=[0：nseg-1]*Shift；

if Coltype==1 colormap（hot）；

else

mycoltype=gray； mycoltype=mycoltype（64：-1：1，：）；

colormap（mycoltype）；

end

imagesc（x，y，C）； axis xy；

三、利用快速傅里葉變換去除圖像噪聲

圖像的平滑處理技術即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實際成像過程中，因成像設備和環境所造成的圖像失真，提取有用信息。眾所周知，實際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過程中，不可避免地存在著外部干擾和內部干擾，如光電轉換過程中敏感元件靈敏度的不均勻性、數字化過程的量化噪聲、傳輸過程中的誤差以及人為因素等，均會使圖像變質。因此，去除噪聲，恢復原始圖像是圖像處理中的一個重要內容。

（一）相關的Matlab功能函數簡介?？芍苯诱{用的用于偽彩色映射和頻譜圖顯示的Matlab功能函數主要包括：

1.A=imread （FILENAME，FMT）用于讀取圖像文件，如果文件是灰階圖像，A是一個二維數組。如果文件是真彩圖像時，是一種三維數組。FMT的是一個字符串，指明文件的格式。該文件必須在當前目錄。

2.imshow（I，N）顯示圖像，如果省略參數N，imshow采用256級灰度，24位顯示。

（二）流程示意圖。整個圖像去噪處理可用圖3－1所示的流程圖示意。

圖3－1 圖像去噪流程示意框圖

（三）程序。以下給出實現上述方法的一個具體的Matlab程序實倒。

I=imread（'原圖片.jpg'）；

imshow（I）；

title（'原圖片'）；

f=double（I）； % 數據類型轉換，MATLAB不支持圖像的無符號整型的計算

g=fft2（f）； % 傅立葉變換

g=fftshift（g）； % 轉換數據矩陣

[M，N]=size（g）；

nn=2； % 二階巴特沃斯（Butterworth）低通濾波器

d0=50；

m=fix（M/2）；n=fix（N/2）；

for i=1：M

for j=1：N

d=sqrt（（i-m）^2+（j-n）^2）；

h=1/（1+0.414*（d/d0）^（2*nn））； % 計算低通濾波器傳遞函數

result（i，j）=h*g（i，j）；

end

end

result=ifftshift（result）；

J2=ifft2（result）；

J3=uint8（real（J2））；

figure，imshow（J3）； % 顯示濾波處理后的圖像

title（'第一次去噪'）；

（四）說明。事先用文本編輯器把以上程序編成一個M-file文件。并保證所用的PC機上已正確安裝Matlab系統。

“原圖片.jpg”必須與M-file文件置于同一目錄下。

（五）結果分析。圖3-2是有噪聲的原始圖片，我們可以清楚地看到圖片上有許多斑點，經過去第一次降噪處理后，斑點變得模糊，如圖3-3。

我們緊接著對經過第一次降噪的圖片繼續進行降噪處理，可以看到，斑點越來越模糊。如圖3-4、圖3-5。

通過以上圖片結果，可以看到，傅立葉變換能夠在一定程度上將圖像噪聲降低。但是，理論上使用FFT能夠將含有噪聲的圖像還原到與原圖象差別很小的狀態，可是根據以上結果，噪點在被柔化的同時，我們需要的圖象信息也被柔化了，尤其是在面部的黑色噪點，它與面部同時柔化顯得非常嚴重。

圖3-2 原始有噪聲圖片 圖3-3 經過第一次降噪處理后圖片

圖3-4 經過第二次降噪處理后圖片 圖3-5 經過第三次降噪處理后圖片

我認為，造成這種情況是低通濾波器的原因，應該根據圖象的實際情況選擇或者設計合適的低通濾波器。設計針對不同噪聲去噪的低通濾波器將是我下一步研究方向。

參考文獻：

[1]（美）William H.Press，Saul A.Teukolsky，William T.Veterling，Brian P.Flannery.C數值算法（第二版）.傅祖蕓,趙梅娜,丁巖石等譯.北京:電子工業出版社,2004

[2]俞卞章.數字信號處理.西安:西北工業大學出版社,1993

[3]任淑艷等.應用VHDL語言的FFT算法實現[J].哈爾濱理工大學學報,2003,8(6):24～26

[4]程佩青.數字信號處理[M].北京:清華大學出版社,2002

[5]應啟珩,馮一云,竇維蓓.離散時間信號分析和處理.北京:清華大學出版社,2001:1155―1591

篇(6)

關鍵詞:同態分析;線性預測分析(LPC);基音周期;Matlab

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-150-02

Speech Signal Extraction Method of Pitch Based on CEP and LPC Spectrum

MA Ying,SHI Xiaorong,LI Haixin

(Qinghai Nationality College,Xining,810000,China)

Abstract:In voice signal analysis,by analysing the voice signal substantive characteristics′ parameter,these parameters can be used to carry on high effective processing and voice communication,speech synthesis and speech recognition.Therefore,difference between speech signal extraction of pitch by CEP and speech signal extraction of pitch by LPC spectrum are analysed,and Matlab is used to realize the simulation analysis.LPC spectrum is used toestimate tone cycle's algorithm which has big calculation,but the CEP spectrum algorithm is more direct-viewing,and the tone summit becomes prominent,CEP spectrum has widely application prospect.

Keywords:analysis of same state;LPC;pitch;Matlab

0 引 言

語音信號的分析,就是提取語音產生模型的各種參數(語音的特征參數),應用于語音的編碼、識別和合成等。不論是分析怎樣的參數以及采用什么分析方法,在按幀進行語音分析,提取語音特征參數前,有一些經常使用的、共同的短時分析技術必須預先進行,如語音信號的數字化、預加重、加窗和分幀等。經過這些處理,語音信號就被分割成一幀一幀加過窗函數的短時信號,然后再把每一個短時語音幀看成平穩的隨機信號,利用數字信號處理技術提取語音特征參數。

在進行處理時,按幀從數據區中取出數據,處理完后再取下一幀。最后得到由每一幀參數組成的語音特征參數的時間序列?；糁芷谑钦Z音信號最重要的參數之一,它描述了語音激勵源的一個重要特征。因為漢語言是一種有調語言,基音的變化模式稱為聲調,它攜帶著非常重要的具有辨意作用的信息,有區別意義的功能,所以基音周期的提取和估計對漢語言更是一個十分重要的問題。

1 同態分析

1.1 同態信號處理的原理

同態信號處理也稱為同態濾波,實現將卷積關系和乘積關系變換為求和關系的分離處理。將非線性信號處理變為線性信號處理的過程。語音信號x(n)可視為聲門激勵信息u(n)及聲道沖擊響應h(n)的卷積:x(n)=u(n)*h(n);通過處理可將語音信號的聲門激勵信息及聲道沖擊響應信息分離開來,從而求得聲道共振特征和基音周期。卷積同態系統可分為三個子系統[3]:

第一個子系統特征系統D*[] 完成將卷積信號轉化為加性信號的運算,對x(n)=x1(n)x2(n)進行如下處理:

Z[x(n)]=X(z)=X1(z)X2(z)(1)

ln X(z)=ln X1(z)+ln X2(z)=

1(z)+2(z)=(z)(2)

Z-1[(z)]=Z-1[1(z)+2(z)]=

1(n)+2(n)=(n)(3)

第二個子系統對加性信號進行所需要的線性處理(滿足線性疊加原理等):

(n)=LTI[(n)]=LTI[1(n)+2(n)]

第三個子系統是逆特征系統D-1*[],使其恢復為卷積性信號。對(n)=1(n)+2(n)進行如下處理:

Z[(n)]=(z)=1(z)+2(z)(4)

exp[(z)]=Y(z)=Y1(z)Y2(z)(5)

y(n)=Z-1[Y1(z)Y2(z)]=y1(n)y2(n)(6)

1.2 倒譜

設X(ejω)=|X(ejω)|ejarg[X(ejω)],對其取對數得:

(ejω)=ln|X(ejω)|+j arg[X(ejω)]

(ejω)仍然是復數,只考慮其實部。令:

c(n)=IDTFT[ln|X(ejω)|]

c(n)=IDFT[ln|X(k)|]

式中:c(n)是序列x(n)對數幅度譜的傅里葉逆變換,稱為倒頻譜,簡稱為倒譜,有時也稱為對數倒頻譜,其量綱為時間。c(n)就是要求取得語音信號倒譜特征[4]。因此,設信號為s(n),則其倒譜為:

c(n)=IDFT{ln|DFT[s(n)]|}

1.3 倒譜的作用

倒譜的作用為:

(1) 區分清/濁音;

(2) 求濁音的基音周期,可以得到濁音的激勵信號;

(3) 得到聲道沖擊響應[5]h(n)。

2 基于LPC系數的倒譜

由于語音樣點之間存在相關性,所以可以用過去的樣點值預測現在或未來的樣點值。這是線性預測分析的基本思想。通過使實際語音x(n)和線性預測結果x′(n)之間的誤差e(n){e(n)=x(n)- x′(n)} 在某個準則下達到最小值來決定惟一的一組預測系數ak。這組系數就能反映語音信號的特性,可以作為語音信號特征參數用于語音編碼、語音合成和語音識別等應用中去。語音信號的倒譜特征系數與語音信號的LPC參數有密切關系。LPC系數是線性預測分析的基本參數,它可以表示整個LPC系統沖激響應的復倒譜。

預測誤差e(n)就是激勵信號G•u(n),預測系數{ak}就是聲道濾波器的系數{dk}。線性預測分析可以對生成模型的增益參數G和濾波器系數{dk}進行直接和高效率的計算。這樣,結合清濁音的判斷和基音周期的估計,可得到語音信號生成模型的全部參數,實現語音的產生。

3 Matlab仿真及基音周期提取

具體步驟如下:

(1) 打開Matlab軟件,在命令窗口中利用wavread函數打開語音信號的波形文件,得到抽樣頻率fs,n bits的值以及語音信號的二維圖形。實驗仿真是對一男聲“沙地”的語音信號進行分析,其采樣頻率為8 kHz[6]。

(2) 對該語音信號截取一幀的長度,幀長為20 ms。

(3) 定義窗函數,在此選用漢明窗。

(4) 對截取的一幀語音信號AMP(見圖1)進行加窗處理。

圖1 一幀語音信號

(5) 對截取加窗后的一幀語音信號AMP進行CEP和LPC譜分析,觀察波形圖,估計基音周期。如圖2,圖3所示。

圖2 LPC譜

圖3 CEP譜

4 LPC譜(左)和CEP譜(右)的討論

對一幀語音信號做CEP譜和LPC譜都能準確地分析出語音信號的基音周期。LPC譜圖波峰位置恰好對應CEP譜圖中的波谷位置;波形基本上關于橫軸對稱;LPC譜估計基音周期,可以采用離開原點的第一個波谷出現的樣值點除以采樣頻率;而用CEP譜圖估計基音周期,可以采用離開原點的第一個波峰出現的樣點值除以采樣頻率[7]。

但是,在語音信號分析過程中窗長的選擇對于語音特征參數的選擇是非常重要的,如果窗長很大,當語音信號通過時,反映波紋細節的高頻部分被阻礙,短時能量隨時間變化很小,不能真實地反映語音信號的幅度變化;反之,窗長太小,短時能量隨時間有急劇的變化,不能得到平滑的能量函數,因此應該根據不同的需要選擇合適的窗長,否則提取特征參數會產生很大的誤差[8]。

此外,采用LPC譜估計基音周期的方法,其算法的運算量較大,而CEP 譜算法簡單,概念更直觀,且在少部分情況下基音峰會變得更突出,基音周期的估計值更加準確;在實際的基音周期檢測算法中,CEP譜的應用更為廣泛,因此基于CEP譜的改進算法是進一步需要研究的理論。

參考文獻

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[2]王文延,曾慶寧.一種噪聲環境下的語音端點檢測方法[J].聲學技術,2007,26(3):435-441.

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[4]王洪海,劉剛,郭建軍.基于滑動倒譜的自動語言識別[J].智能系統學報,2008(4):336-341.

[5]李躍強,孫星明,周天亮.基于復倒譜變換的數字音頻水印研究[J].計算機工程,2006,32(23):145-148.[6]叢玉良.數字信號處理及其Matlab實現[M].北京:電子工業出版社,2004.

[7]拉賓納,謝弗.語音信號數字處理[M].朱雪龍,譯.北京:科學出版社,1993.

[8]劉建,鄭方,吳文虎.基于混合幅度差函數的基音提取算法[J].電子學報,2006,34(10):1 925-1 928.

篇(7)

系統總結了當前電壓型可逆變流器控制策略的發展概況，并對其詳細分類研究。在比較各種控制方案優缺點的基礎上最終確定了以電流d-q變換結合滑?？刂谱鳛楸菊n題的控制策略。

詳細闡述了電壓型可逆變流器的數學模型，包括通用數學模型、d-q變換大信號數學模型、以及d-q變換小信號數學模型。根據d-q變換大信號數學模型建立了系統的電流環。結合d-q變換小信號數學模型設計了電壓環以及電壓環的滑?？刂破?。

確定了電壓空間矢量(SVPWM)作為開關控制策略。詳細闡述了其基本原理?；贛ATLAB對其進行了仿真研究。針對可逆變流器使用常規的PID控制對系統參數變化的較為敏感性，電壓環采用了滑模變結構控制以期得到改善?；贛ATLAB仿真軟件完成了系統的忽略高次諧波、不忽略高次諧波下的SPWM、SVPWM的閉環系統仿真。

針對單片機控制系統的計算速度慢，實時性控制較差，因此本課題采用TI公司的數字信號處理器TMS320F240來控制系統，以期提高計算速度。

根據本課題的控制方案，設計了系統軟件流程，編寫了系統的電流電壓雙閉環程序?；赥MS320F240發出開關頻率fs =900Hz的空間矢量波形。理論上的分析結合實踐過程完成了系統的開環和閉環實驗，驗證了控制方案的可行性。

本課題獲得河北省教委科技基金支持，是國家自然科學基金的后續課題，對解決電網諧波污染，提倡綠色用電有著重大的經濟價值和理論上的指導意義。

關鍵詞　功率因數校正；可逆變流器；滑模變結構控制；空間矢量；數字信號處理器

Abstract

Development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. Control strategy is studied in detail. Direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.

Mathematics mode is set forth detailedly， including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. The system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. The voltage loop and its SMC are designed according to d-q change small signal mathematics model.

Space vector PWM is regarded as switch control strategy .Its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on MATLAB. Voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional PID control， which is sensitive to system parameter. Close loop system simulation of SPWM and SVPWM is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on MATLAB.

Because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly， digital signal processor TMS320F240 of TI Company is adopted to improve the calculation speed.

Flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. The double close loop program of current and voltage is complied. SVPWM wave of switch frequency (900Hz) is emitted based on TMS320F240.Open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process， validating feasibility of control strategy.

This paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province HeBei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.

Keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor

目　錄

摘要……………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………Ⅱ

第1章 緒論…………………………………………………………………1

1.1 功率因數校正技術的發展概況………………………………………1

1.1.1 單個三相PFC電路………………………………………………2

1.1.2 電流斷續狀態下三相單開關變換器……………………………3

1.1.3 電流斷續狀態下的三相升壓變換器……………………………4

1.1.4 電流連續狀態下三相升壓變換器………………………………4

1.1.5 三相降壓整流器…………………………………………………5

1.2 電壓型可逆變流器的開關控制策略…………………………………5

1.3 電壓型可逆變流器的控制方案………………………………………6

1.3.1 間接電流控制……………………………………………………6

1.3.2 直接電流控制……………………………………………………7

1.4 可逆變流器控制策略的新發展………………………………………9

1.4.1 單周控制…………………………………………………………10

1.4.2 占空比控制………………………………………………………10

1.4.3 基于Lyapunov非線性大信號方法控制………………………10

1.4.4 神經網絡和模糊邏輯控制………………………………………10

1.4.5 雙電流控制………………………………………………………11

1.4.6 輸出直流電壓的優化前饋補償控制……………………………11

1.5 本課題工作…………………………………………………………11

第2章 可逆變流器控制方案及數學模型…………………………13

2.1 可逆變流器數學模型概述…………………………………………13

2.2 系統數學模型的建立………………………………………………13

2.2.1 系統通用數學模型的建立………………………………………14

2.2.2 系統d-q數學模型的建立………………………………………16

2.2.3 系統小信號數學模型……………………………………………18

2.3 系統的控制方案……………………………………………………21

2.4 變流器電流環的設計………………………………………………22

2.5 滑模變結構控制理論………………………………………………25

2.5.1 滑模變結構控制的基本問題……………………………………26

2.5.2 滑模變結構控制的基本策略……………………………………26

2.5.3 滑模變結構控制系統的動態品質………………………………27

2.6 滑?？刂破骷半妷涵h的設計………………………………………28

2.6.1 廣義控制對象的確定……………………………………………28

2.6.2 滑模控制器的改進………………………………………………32

2.7 本章小結……………………………………………………………36

第3章 系統仿真研究……………………………………………………37

3.1 空間矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37

3.2 空間矢量的工作模式和時間的計算………………………………38

3.3 空間矢量調制比及其對系統的影響………………………………42

3.4 空間矢量的MATLAB仿真………………………………………43

3.5 控制系統仿真研究………………………………………………45

3.5.1 不忽略高次諧波下的總系統SPWM仿真……………………49

3.5.2 不忽略高次諧波下的總系統空間矢量仿真……………………50

3.6 本章小結……………………………………………………………52

第4章 基于DSP軟件實現……………………………………………53

4.1 TMS320F240的結構與匯編原理……………………………………53

4.2 TMS320F240的中斷結構……………………………………………54

4.3 TMS320F240的定點運算……………………………………………55

4.4 系統控制的硬件和軟件設計………………………………………56

4.4.1 系統硬件設計……………………………………………………57

4.4.2 系統軟件設計……………………………………………………58

4.5 本章小結……………………………………………………………60

第5章 系統實驗…………………………………………………………61

5.1 開環實驗……………………………………………………………62

5.2 閉環實驗……………………………………………………………64

5.2.1 電流閉環實驗……………………………………………………64

5.2.2 電壓閉環實驗……………………………………………………67

5.3 實驗注意事項………………………………………………………69

5.4 本章小結……………………………………………………………69

結論……………………………………………………………………………71

參考文獻………………………………………………………………………72

攻讀碩士學位期間所發表的論文……………………………………………77

致謝……………………………………………………………………………78

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