《信号处理综合设计》实验教学大纲.doc

信号处理综合设计实验教学大纲 （执笔人：王 玲 安成锦 审阅学院：电子科学与工程学院）课程编号：课程名称：信号处理综合设计总 学 时：2周实验学时：2周实验地点：信号处理实验室 一、目的与任务本课程与信号处理与系统、数字信号处理、随机信号分析与处理等学科基础课程配套，是电子工程、通信工程和信息工程专业的重要实践环节。通过综合设计的锻炼使学生进一步巩固、加深信号处理系列课程相关理论知识的理解，掌握常用的分析方法和实现方法，培养学生分析问题和解决问题的能力、软硬件开发和调试能力，为将来从事相关领域的工程技术和工程指挥工作打下坚实的基础。本课程是一门与基础理论学习相配套的实践性课程。在实践过程中应注重向学生传授系统分析和系统设计的方法，引导学生综合运用信号处理的关键技术，如信号分析技术、数字滤波器设计技术和DSP实现技术等，解决实际工程应用中的具体问题。二、主要内容与要求（一）实验单元一 基础实验本实验单元包括：DSP数据存取、定时器、外中断、单路多路AD/DA转换、液晶显示器控制、串口RS232通信、音频信号产生处理等。学生可以选做其中的一些实验内容，目的是通过基础实验训练，进一步熟悉DSP软件编程的一般流程及方法，掌握DSP实验平台的硬件资源和开发环境，为综合设计实验打下良好的基础。（二）实验单元二 综合设计实验综合设计实验的内容以一项工程设计为牵引，借助DSP评估板，最终创建出一个信号分析与处理的软/硬件平台。结合科研中常用的一些信号处理技术，设计了多个综合设计题目。学生可以在给出的综合设计题目中选择要做的内容，也可以自己设计难度合适的题目。要求结合实验平台完成系统方案设计、MATLAB仿真、在实验平台上完成软件编程和调试。实验2.1 音频信号干扰抑制系统1实验目的与任务利用DSP实验平台设计实现一个实时的音频信号干扰抑制系统。该系统可以有效抑制音频信号中的噪声或点频干扰，包括接收有干扰的音频信号，经过模/数转换后送给DSP处理器，由DSP处理器完成原始信号的缓冲存储、滤波处理和数/模转换，并通过耳机或扬声器播放出来。可以从信号频谱上分析干扰抑制情况，也可以通过人耳做出主观判断。2实验原理实际的音频信号中经常会受到随机噪声或固定频率信号的干扰。从时域上看，干扰信号与所需要的音频是无法分离的。但在频域上，两者往往不是全部重叠的，即在频域上具有一定的可分性。因此，利用带通滤波器选择感兴趣频段信号，或利用带阻滤波器来抑制某个频段的干扰信号，都可以减小干扰信号的能量，提高声音音质。3实验内容及要求（1） 查阅相关文献资料，结合硬件资源的特性，完成音频信号干扰抑制系统的方案论证和设计； （2） 在MATLAB平台进行系统仿真实现，验证设计的正确性；（3） 在DSP硬件平台上完成软件编程，进行系统调试，排除错误，检验效果。4. 实验结果及要求对设计实现的系统进行性能分析，比较仿真实现与硬件实现的效果差异，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。实验2.2 音频均衡调节系统1 实验目的与任务利用DSP实验平台设计实现一个实时的音频均衡调节系统，该系统可用来调整音频信号高、中、低频段的增益值，改变音频播放的效果，使系统性能满足设计要求。2实验原理均衡器是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷。一般调音台上的均衡器能对高频、中频、低频三段频率电信号分别进行调节，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用。设计均衡器时，首先把全音频（20Hz-20kHz）分割成多个较窄的频带，对这些窄频带单独进行增益调整，再将多个频带的输出进行合成。频带划分越多，音频调整的效果越好。频带的分割可以通过滤波器组来实现。3实验内容及要求（1） 查阅相关文献资料，结合硬件资源的特性，完成音频均衡调节系统的方案论证和设计； （2） 在MATLAB平台进行系统仿真实现，验证设计的正确性和效果；（3） 在DSP硬件平台上完成软件编程，进行系统调试，排除错误，检验效果。4. 实验结果及要求对设计实现的系统进行性能分析，比较仿真实现与硬件实现的效果差异，研究提高系统性能的方法，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。实验2.3 基于多相滤波器的采样率转换系统1实验目的与任务采样率转换是软件无线电信号处理中的基本算法之一，多用于实现两个不同速率数字处理系统的匹配。本实验利用DSP实验平台设计实现一个采样率转换匹配系统，该系统可用来对ADC采集数据进行采样率转换，通过内插和滤波处理将采样率提高为原始样点的N倍。2实验原理考虑匹配DSP评估板上的AD（采样率20kHz）和DA转换速率（5MHz）：当以较低的数据率进行DA转换时，在波形中将形成明显的小“台阶”。由于AD采样频率明显小于DA转换频率，为此在进行DA转换前应对信号序列进行内插处理。采用一个多路切换滤波器结构，按N倍采样率的速度来实现数模转换。3实验内容及要求（1） 查阅相关文献资料，结合硬件资源的特性，完成采样率转换系统的方案论证和设计； （2） 在MATLAB平台进行系统仿真实现，验证设计的正确性和效果；（3） 在DSP硬件平台上完成软件编程，进行系统调试，排除错误，检验效果。4. 实验结果及要求观察对比内插前后的波形，对设计实现的系统进行性能分析；比较仿真实现与硬件实现的效果差异，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。实验2.4目标跟踪中的参数估计1实验目的与任务针对一个匀速直线运动目标和匀加速运动目标的跟踪，设计最小二乘滤波器，掌握跟踪滤波的基本方法，以及参数估计方法的应用。2实验原理目标的跟踪问题可等效看成为一个参数估计问题，在进行目标跟踪时，目标参数和噪声模型往往是未知的，唯一已知的是匀速直线运动目标和匀加速运动目标采用的都是线性观测模型。而最小二乘估计省去了全部的统计特性的假定，把参数的估计问题作为确定性的最优化问题来处理，适用于线性观测模型，所以可以采用最小二乘估计方法来实现对于匀速直线运动目标和匀加速运动目标的跟踪。3实验内容及要求（1）待跟踪目标A、匀速运动目标假定有一个两座标雷达对一平面上运动的目标进行观测，设定目标的运动轨迹、雷达扫描周期，以及观测噪声的标准差等。B、匀速+匀加速运动目标假定有一个两座标雷达对一平面上做匀速和匀加速运动的目标进行观测，设定目标的运动轨迹，雷达扫描周期，以及观测噪声的标准差等。（2）查阅相关文献资料，结合硬件资源的特性，完成匀速、匀加速运动目标跟踪系统的论证和设计； （3） 在MATLAB平台进行系统仿真实现，画出目标的真实轨迹、目标的观测轨迹、滤波轨迹，以及滤波的误差曲线，验证设计的正确性；（4） 在DSP硬件平台上完成软件编程，进行软件调试，排除错误，检验效果；分析比较仿真实现与硬件实现的异同及效果；4. 实验结果及要求观察真实轨迹、目标的观测轨迹、滤波轨迹，以及滤波的误差曲线，分析目标跟踪系统的性能，比较仿真实现与硬件实现的效果差异，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。实验2.5 数字图像去噪处理系统1实验目的与任务图像去噪是数字图像处理中的重要环节和步骤，去噪效果的好坏直接影响到后续的图像处理工作，如图像分割、边缘检测等。本实验利用DSP实验平台设计实现一个数字图像去噪处理系统，用来对含有噪声干扰的图像数据去除噪声，减小噪声干扰，提高图像质量。2实验原理图像信号在产生、传输过程中都可能会受到噪声的污染，一般数字图像系统中的常见噪声主要有：高斯噪声、椒盐噪声等。图像去噪是一个二维滤波的过程，常用的图像去噪算法有中值滤波方法、均值滤波方法、维纳滤波方法和改进的中值维纳滤波方法等。针对噪声图像的特点，选择合适的滤波方法。3实验内容及要求（1） 查阅相关文献资料，分析和比较各种滤波方法的特点和性能；结合噪声图像特征和硬件平台，完成数字图像去噪处理系统的论证和设计； （2） 在MATLAB平台进行系统仿真实现，验证设计的正确性和效果；（3） 在DSP硬件平台上完成软件编程，进行系统调试，排除错误，检验效果。4. 实验结果及要求观察对比去噪前后的图像，对系统进行性能分析；比较仿真实现与硬件实现的效果差异，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。实验2.6 图像边缘检测处理系统1实验目的与任务图像的边缘是图像的最基本特征，是指其周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些像素的集合。边缘广泛存在于物体与背景之间、物体与物体之间、基元与基元之间，是图像分割所依赖的重要特征。本实验利用DSP实验平台设计实现一个图像边缘检测处理系统，用来对图像进行边缘检测处理，以获取该图像的边缘幅度图像。2实验原理物体的边缘是由灰度不连续性所反映的。经典的边缘提取方法是考察图像的每个像素在某个邻域内灰度的变化，利用边缘临近一阶或二阶方向导数变化规律，用简单的方法检测边缘。这种方法称为边缘检测局部算子法。边缘检测算子检查每个像素的邻域并对灰度变化率进行量化，也包括方向的确定。图像经边缘检测算子运算后，得到一幅反映原始图像边缘幅度的图像。常用的边缘检测算子有Sobel边缘算子和Prewitt边缘算子。3实验内容及要求（1） 查阅相关文献资料，分析、比较各种边缘检测算子的特点和性能；结合图像特征和硬件平台，完成图像边缘检测处理系统的论证和设计； （2） 在MATLAB平台进行系统仿真实现，验证设计的正确性和边缘检测效果；（3） 在DSP硬件平台上完成软件编程，进行系统调试，排除错误，检验效果。4. 实验结果及要求观察图像边缘检测结果，对系统进行性能分析；比较仿真实现与硬件实现的效果差异，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。实验2.7 学生自选、难度合适的综合设计题目。三、实施建议（一）实施安排序号实验项目名称学时分组情况实验性质实验要求备注1基础实验21人1组综合性选做2选择的综合设计题目2周1人1组设计性必做（二）考核与评价考核方式：考查组织方式：现场提问、现场测试，开卷成绩评定：五级制（优秀、良好、中等、及格、不及格）记分标准：根据提交的综合设计报告、现场回答问题、测试效果和程序设计评